Allgemeine Grundlagen und Anwendungen in der Luftbild-Fernerkundung 1 Gliederung Natürliches stereoskopisches Sehen des Menschen Erweiterung des Tiefenunterscheidungsvermögens Künstliches stereoskopisches Sehen Umsetzung - Stereobildpaar - Bildorientierung - Bildtrennung - Stereoskope (Übung `Sehtest ) - Anaglyphenbilder (Übung `Geländeanalyse ) - Polarisationsverfahren - Wechselblendenverfahren Literaturtips 2 Natürliches stereoskopisches Sehen des Menschen - Beidäugige Wahrnehmung erlaubt räumliches Sehen und Orientierung im Raum - Auch einäugig sind Entfernungsschätzungen etc. möglich, jedoch nur in Verbindung mit Erfahrungswerten - Natürliches räumliches Sehen ermöglicht durch Aufnehmen zweier perspektivisch verschiedener Bilder über die Augen Augenabstand bzw. Augenbasis (ca. 6,5cm) 3 1
Konvergenzwinkel γ Betrachtung eines einzelnen Punktes: - Ausrichtung beider Augen auf den zu betrachtenden Punkt P - Die Augenachsen schneiden sich in P und bilden den Konvergenzwinkel γ - Gleichzeitig erfolgt Scharfeinstellung des Punktes durch Veränderung der Linsenbrennweite - Lichtstrahlen fallen von P aus auf die Netzhäute beider Augen 4 Parallaxe p Betrachtung mehrerer Punkte bzw. räumlicher Objekte: - Punkte, die unter gleichem Konvergenzwinkel betrachtet werden (P, Q), werden auf Netzhäuten im gleichen Abstand abgebildet: Empfindung `gleich weit weg - Verschiedene Konvergenzwinkel (Q, R) werden auf Netzhäuten in unterschiedlichem Abstand abgebildet: Empfindung von Raumtiefe - Abbildungsdifferenzen = Parallaxen - Mit Parallaxen versehene Bilder eines Objektes werden im Gehirn zu einem virtuellen räumlichen? 5 Modell fusioniert Einschränkungen der menschlichen Raumwahrnehmung - Augenachsen nur in der Horizontalen gegeneinander (konvergierend) schwenkbar, nicht divergierend über 90 zur Augenbasis hinaus - In vertikaler Richtung Abweichung der Augenachsen unmöglich - Stereoskopisches Sehvermögen auf Blickebene beschränkt - Stereoskopisches Sehvermögen in Blickebene auf stereoskopisches Feld beschränkt (max. Horizontalparallaxe) - Grenzentfernung (Differenz der Konvergenzwinkel zu klein) 6 2
Erweiterung des Tiefenunterscheidungsvermögens - Über Erweiterung der naturgemäß kleinen Augenbasis b kann räumliche Wahrnehmung gesteigert werden - Instrumente (z.b. Scherenfernrohr, Feldstecher) vergrößern b auf b - Wahrnehmung von Konvergenzwinkel-Differenzen (=Parallaxen) wird verstärkt - Somit auch in größerer Entfernung n-fach stärkere Tiefenwahrnehmung (entsprechend Verhältnis b : b) 7 Künstliches stereoskopisches Sehen Prinzip: Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung zweier aus unterschiedlicher Position aufgenommener Abbildungen in definierter Anordnung zueinander Zwei Abbildungen aus unterschiedlicher Position In definierter Anordnung zueinander Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung Stereobildpaar mit inherenten Horizontalparallaxen Bildorientierung für störungsfreie Betrachtung (ohne Divergenz und Vertikalparallaxen) Betrachtung über Instrumente, die getrennte Zuführung der Bildinhalte erlauben 8 Bildtrennung ohne Hilfsmittel - Nützlich, falls keine Instrumente zur Verfügung stehen - Erfahrene Luftbildauswerter haben diese Fähigkeit, mit jeweils einem Auge nur eines der Bilder zu betrachten Stereo-Effekt - Schwierigkeit bei simultaner getrennter Einzelbildbetrachtung: Kopplung von Konvergenz ( = Augenachsenausrichtung) und Akkomodation ( = Fokussierung auf gleiche Entf.) durch Gewöhnung - Fähigkeit kann jedoch trainiert werden - Probleme bei Augenschäden (z.b. versetzte Augenachsen) 9 3
Zwei Abbildungen aus unterschiedlicher Position: Verwendung zweier hintereinander und mit Längsüberdeckung aufgenommener Luftbilder 10 Luftbilder enthalten perspektivische Abweichungen in Form von Horizontal- bzw. X-Parallaxen (bei Bildbetrachtung treten Augen an die Stelle der Kamera-Aufnahmepositionen) Dabei hängt Intensität der wahrgenommenen Tiefeneindrücke vom Verhältnis Aufnahmebasis/Flughöhe ab Grund: Aufnahmebasis wird durch Bildtrennung quasi zur `erweiterten Augenbasis Je größer die Aufnahmebasis bei der Befliegung, umso stärker ausgeprägt die Übersteigerung der Tiefenwahrnehmung (bei 11 konstanter Bildüberlappung und Flughöhe über Grund) Definierte Anordnung der Bilder zueinander: Orientierung des Luftbildpaares nach Kernstrahlen für einfachere stereoskopische Auswertungen (z.b. Höhenmessungen) Voraussetzung: Senkrechtaufnahmen mit annähernd gleichem Maßstab 12 4
Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung der Bilder zu den Augen: (1) Spiegelstereoskop - Vergrößerung der Augenbasis b durch Spiegelungen - Variable Vergrößerungen - Problemloses Nebeneinanderlegen von Luftbildpaaren 13 (2) Taschenstereoskop - Vergrößerungen möglich ( 2-5fach) - Problematisch: Aufgrund geringer Größe des Stereoskops kann Luftbildpaar nicht nebeneinander ausgelegt werden; Streifenweise Auswertung mit `Wegklappen störender Überlappungen - Für Geländearbeiten geeignet 14 Anwendungsbereiche des künstlichen stereoskopischen Sehens Meßaufgaben (Photogrammetrie) - Objekthöhen (z.b. Bäume) Hilfsmittel: Stereomikrometer - Länge linienhafter Objekte in bewegtem Gelände - Interpretationsaufgaben - Klassifizierung von Baumkronenzuständen - Landschaftsökologische Untersuchungen (Waldrandstufen o.ä.) - Biotopkartierungen (Ausscheidung Biotop- und Nutzungstypen) - 15 5
Praxisteil I: Test der stereoskopischen Sehfähigkeit Verwendung einer Prüftafel Bei vorhandener stereoskopischer Sehfähigkeit stellt sich Raumeindruck in der Stereoskop-Betrachtung ein Aufgabe: Feststellung der `Tiefenreihenfolge der einzelnen Teilobjekte in den geometrischen Figuren 16 Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung der Bilder zu den Augen: (3) Anaglyphenverfahren - Orientiertes Stereobildpaar in zwei komplementären Farben (meist rot und grün) übereinandergedruckt - Über komplementärfarbene Filterbrille erfolgt Bildtrennung für die Augen (R-G-Brille) - Gleichfarbene Bilder werden jeweils gelöscht (ausgefiltert), so daß jedes Auge nur eines der Bilder aufnimmt - Über die Fusion der beiden Einzelbilder mit ihren Horizontalparallaxen (= seitlicher Abstand korrespondierender roter und grüner Punkte) entsteht Raumeindruck 17 Praxisteil II: Geländeanalyse im Anaglyphenbild Aufgaben: Betrachtung des Geländeausschnittes mit der Rot-Blau-Brille Erfassung der Geländeausformung im Raummodell Ermittlung von Exposition und Hangneigung für gekennzeichnete Teilflächen Ermittlung höchst- und tiefstgelegener Punkte des Geländeausschnittes 18 6
Gleichzeitige, aber getrennte Zuführung der Bilder zu den Augen: (4) Polarisationsverfahren - Prinzip ähnlich dem des Anaglyphenverfahrens - Bilder mit senkrecht zueinander polarisiertem Licht werden übereinander projiziert - Über Polarisationsfilterbrillen werden die Bilder getrennt (5) Wechselblendenverfahren - Stereobilder werden abwechselnd auf Bildschirm projiziert - Synchron dazu wird der Sehgang von den Augen zum Monitor abwechselnd blockiert - Dafür trägt der Betrachter eine spezielle Brille mit Wechselblenden (Wechselfrequenz: 120Hz) 19 Literaturtips Huss, J. (Hrsg.), 1984: Luftbildmessung und Fernerkundung in der Forstwirtschaft. Wichmann, Karlsruhe. Hildebrandt, G., 1996: Fernerkundung und Luftbildmessung. Wichmann, Heidelberg. 20 7