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Grundlagen und Verfahren der Luftbild‐Photogrammetrie

Grundvorlesung in den Studiengängen 

Vermessung (3. Semester) und 

Geoinformatik (5. Semester)

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Sokrates, 470 – 399 v. Chr.

Wir müssen uns erheben über die Erde,

hoch in die Atmosphäre und darüber hinaus. Erst dann werden wir die Welt verstehen 

in der wir leben.

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Lernziel

Kennenlernen der Methoden und Verfahren der Photogrammetrie mit der Zielsetzung:– einen Überblick über den aktuellen Stand und Entwicklungstendenzen der Technologie zu erhalten,

– Lösungsansätze für den möglichen Einsatz des Verfahrens vorgeben zu können,

– Ergebnisse photogrammetrischer Messungen beurteilen zu können,

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Lernziel

Kennenlernen der Methoden und Verfahren der Photogrammetrie mit der Zielsetzung:

– die Wirtschaftlichkeit des Messverfahrens abschätzen zu können,

– mögliche neue Aufgabenbereiche zu erkennen.

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Inhalte

Überblick über Einsatzgebiete von Photogrammetrie und Fernerkundung Mathematische Grundlagen

– Koordinatensysteme– Ebene und räumliche Koordinatentransformationen

– Zentralperspektive

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Inhalte

Photogram. Aufnahmesysteme– Metrische Kameras (Definition der Inneren Orientierung)

– Analoge Messkameras (ein Rückblick)– Fotografische Aspekte– (Digitalisierung analoger Bilder)– Digitale Messkameras

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Inhalte

Bildflug– Bildflugplanung – Navigation (Einsatzmöglichkeiten von GPS und Inertialsystemen)

Zweibildauswertung– Grundlagen– Stereoskopisches Sehen und Messen– Stereoauswertesysteme– Orientierungsverfahren in der Stereoauswertung

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Inhalte

Bildtriangulation– Grundlagen– (Blockausgleichung mit unabhängigen Modellen)– Bündelblockausgleichung

Genauigkeitsaspekte der Luftbildmessung

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Inhalte

Anwendungen und Produkte der Stereoauswertung Einzelbildauswertung

– Digitales Orthophoto Methoden und Verfahren zur automatisierten Auswertung Flugzeuggetragenes (Airborne) Laserscanning

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Photogrammetrie und Fernerkundung

Verfahren zur Vermessung von Objekten nach Lage und Form.

Messungen nicht direkt am Objekt, sondern indirekt auf Bildern des Objekts.

Bedeutendste Dokumentationsmethode sind aero‐photogrammetrische Messbilder, die im Rahmen von Bildflügen aufgenommen werden.

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Definition

Photogrammetrie: Verfahren zur Vermessung von Objekten nach Lage und Form. Messungen nicht direkt am Objekt, sondern indirekt auf Bildern des Objekts.

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Hilfsmittel

(Analoge) und digitale Sensoren– Messkameras, sonstige Abtaster im sichtbaren und nicht‐sichtbaren elektro‐magnetischen Spektrum

Gerätetechnik zur Umsetzung der Bildinformation– Digitale Stereoauswertegeräte

Mathematische Verfahren zur Bildverarbeitung

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Ergebnisse der Auswertung

Das Bild als solches– Photointerpretation

Entzerrte photographische Bilder– Orthophotos

Koordinaten (2D oder 3D) einzelner Objektpunkte

Digitale Geländemodelle Karten in analoger oder digitaler Form

– Grundrißdarstellungen, Höhenlinien

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Photogrammetrie ‐ Ergebnisse 

Das Bild als solches (Photointerpretation)

Entzerrte photographische Bilder (Orthophotos)

Karten in analogeroder digitaler Form

Digitale Geländemodelle 

Perspektive Ansichten

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Bildinterpretation

Die Bildinterpretation liefert für Fragestellungen der Geographie, der Archäologie, der Landwirtschaft, des Forstwesens, der Hydrologie, der Gewässerkunde und der militärischen Erkundung wesentliche Daten.– Fernerkundung

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Bildinterpretation

ggf. geometrische Verarbeitung radiometrische Bildaufbereitung visuelle Interpretation

– qualitative Interpretation über das Vorkommen und/oder den Zustand abgebildeter Objekte.

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Bildmessung

Setzt visuelle Interpretation voraus Messung geometrische Weiterverarbeitung

– Messung der Erdoberfläche und ihre Darstellung in Plänen und topographischen Karten, 

– analoge und digitale Endprodukte,– nicht topographische Messungen (Industrie, Architektur etc.) 

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Bildmessung

Geometrische Aspekte stehen im Vordergrund Die Auswertung kann punktweise, linien‐ oder bildhaft erfolgen.– Punktweise: direktes Messen von Einzelpunkten am Objekt

– Linienhaft: direktes Messen linienhafter Objektdetails (Straßen u. Wege, Grenzen, Höhenlinien)

– Bildhaft: Umformung des perspektiv verzerrten Bildes in ein kartenähnliches Endprodukt

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Bildmessung

Das gewünschte Endergebnis bestimmt die Auswertestrategie, d.h. einzusetzende Gerätetechnik und Verfahren.

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Airborne‐Laser‐Scanning

Das Airborne Laser Scanning System erlaubtdie berührungslose Erfassung derGeländeoberfläche mit hoher Präzision.

Der Laserstrahl des Scanners wird quer zurFlugrichtung abgelenkt und einGeländestreifen entlang des Flugwegs miteiner Zick‐Zack‐Linie abgetastet.

Die Entfernung zur Erdoberfläche wird überLaufzeitmessung ermittelt.

Die äußere Orientierung, d. h. die Positionund die Lage des Sensors im Raum, wird ausGPS‐ und Inertialmessungen berechnet.

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Airborne‐Laser‐Scanning

Die mittlere Lagegenauigkeit liegt bei 1m,Höhengenauigkeit bei 15 cm.

Das für viele Anwendungsgebiete sehrwirtschaftliche System besitzt den Vorteilauch in schwer zugänglichen Bereichen, wiez.B. in Waldgebieten, gute Höhenergebnissezu liefern.

Für nicht zu dichte Waldgebiete sindBefliegungen mit dem Airborne Laser Scannerpraktisch die einzige Möglichkeit,Höheninformationen zu akzeptablen Kostenzu gewinnen.

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Fernerkundung

Ein Bildaufzeichnungsverfahren mit elektromagnetischen Wellen unterschiedlichster Spektralbereiche, insbesondere aus Luft‐ und Raumfahrzeugen.

Neben der Photographie im sichtbaren Bereich sind es z.B. die Aufnahmesysteme in den Bereichen des nahen, mittleren und fernen Infrarot, der Radar‐ und Mikrowellen sowie des Ultravioletts.

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Elektromagnetisches Spektrum

Art der Strahlung

Wellenlängenm=10-9 m

FrequenzGhz=109 HzMhz=106 HzKhz=103 Hz

Bereich Verwendung Detektor

SichtbaresLicht

380-780nm 3.8*1014Hz -

7.9*1014Hz

gut durch Atmosphäre

passiveFernerkundung,Sicht

Photographie,Photodiode

Infrarot,nah

780nm-1µm 3.0*1014Hz -

3.8*1016Hz

gut durch Atmosphäre

passiveFernerkundung

Photographie,Photodiode

Infrarot,mittel

1µm-8µm 3.7*1013Hz -

3.0*1014Hz

in Fenstern durch Atmosphäre

passiveFernerkundung

Quantum-detektor

Infrarot,thermal

8µm-1mm 3*1011Hz -

3.7*1013Hz

in Fenstern durch Atmosphäre, Tag und Nacht

passiveFernerkundung

Quantum-detektor

Mikro-wellen

1mm-1m 300*MHz - 300GHz

Tag und Nacht durch Wolken hindurch

aktiveFernerkundung

Antenne

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Fernerkundung: Landsat

Launch Date:

Landsat 1: 1972 (first generation 1 to 3 / RGB and MSS sensors)Landsat 4: 1982 (second generation 4 and 5 / MSS and TM sensors)Landsat 7: 1999 (third generation / ETM+ sensor)

Spectral Sensitivity: Visible, near, medium and thermal infrared

Sensors: MSS TM ETM+

Resolution: 80 m30 m

(120 m thermal IR)

15 and 30 m(60m thermal

band)Swath Width (Km): 183 x 172 183 x 172 183 x 172

Frequency of Pass: 18 days 16 days 16 days

Coverage: worldwide worldwide worldwide

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Fernerkundung: Landsat

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Fernerkundung: Landsat

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Fernerkundung: Quickbird

Launch Date: October 2001 Altitude: 450 km

SpectralSensivity: Visible and near infrared

Sensors: Panchromatic Multispectral

Resolution: 61 cm to 72 cm 2.44 m to 2.88 m

Swath Width (Km): 16.5 km at nadir 16.5 km at nadir

Frequency of Pass: 1- to 3 days 1- to 3 days

Coverage: worldwide worldwide

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Fernerkundung: Quickbird

Jährliche Aufnahmekapazität: 75 Mio. km²

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Fernerkundung: SRTM

Mit dem Start der Raumfähre Endeavour am 11. Februar2000 begann eine bisher einzigartige Mission zur Kartierungder Erde: die interferometrische SRTM-Mission.

Innerhalb von nur elf Tagen umrundeten zwei Radarsystemean Bord der Endeavour 182 mal die Erde und zeichnetenhochgenaue topographische Daten der Erdoberfläche auf.

Ziel war es, ein hochaufgelöstes, einheitliches undflächendeckendes digitales Höhenmodell der Erde imBereich zwischen dem 60. Grad nördlicher und dem 54.Grad südlicher Breite zu erstellen.

Shuttle Radar Topography Mission

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Fernerkundung: SRTM

SRTM verwendete zur Datenerfassung einbisher einzigartiges Aufnahmeverfahren:

Neben der Radarantenne in der Ladebuchtdes Shuttle empfing eine zweite Antenneam Ende eines 60-m-langen Mastes die vonder Erde reflektierten Radarpulse zurgleichen Zeit.

Das Ergebnis: Ein globales Höhenmodellmit einer vertikalen Genauigkeit von 6 mund einem horizontalen Pixelabstand von30 m.

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TerraSAR-X-Add-on stellt eine TerraSAR-X-Erweiterung für digitale Höhenmessungen dar.

Ist ein deutscher Radarsatellit, der gemeinsammit dem Satelliten TerraSAR-X mittels SAR(Synthetic Aperture Radar) im X-Band dieErdoberfläche stereographisch vermessen soll

TanDEM‐X

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TanDEM‐X