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Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung

Aufnahme und Auswertung von Luftbildern

1. Definitionen

2. Grundlagen der Geometrie des LuftbildesZentralperspektive und orthogonale KartenprojektionAufnahmerichtungMaßstabsbestimmung im LuftbildUrsache von Verzerrungen im LuftbildDefinition von Meßbildern

3. Beschaffung und Bildflugplanung

4. Grundlagen der Zweibildauswertung

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Definitionen

Luftbild = aus einem Flugkörper aufgenommene Photographie.• analog: Silberhalogen-Filmemulsionen.• digital: a) digitalisierte Filmemulsionen .

b) digitiale Bilder von Flächen- oder Zeilensensoren aus ladungsgekoppelten Halbleiterelementen(CCD = charge coupled device).

Photointerpretation = Gewinnen nichtmetrischer Informationen aus PhotosDeutung des Bildinhaltes, thematische Auswertung.

Photogrammetrie = Rekonstruktion von Lage , Größe und Form von Objekten aus Photographien; Messtechnik, die die Modellierung eines 3D-Raumes aus 2D-Bildern erlaubt.Teilbereiche:•Aerophotogrammetrie (Luftbildmessung)•Terrestrische Photogrammetrie (Erdbildmessung)•Laserscanning (flugzeuggetragen, terrestrisch)

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•Karten (Lage- und Höhenauswertung)

•Entzerrte photographische Bilder(Orthophotokarte, Luftbildkarte)

•Digitale Geländemodelle (DGM)

•3D-Koordinaten von Einzelpunkten

Produkte der photogrammetrischen Luftbildauswertung

TK 25 alt

TK 25 neu

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Zentralperspektive und orthogonale Kartenprojektion

Grundlagen der Geometrie des Luftbildes

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Nadiraufnahme: (ν = 0°): v = 0° lotrechte Aufnahme

Aufnahmerichtung

Senkrechtaufnahme (ν > 0 ≤ 3°): stereoskopische Auswertung noch möglich,

Schrägaufnahme (ν > 3°): keine stereoskopische Auswertung möglich

Horizontalaufnahme

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Maßstabsbestimmung im Luftbild

t

b

gbb

ss

hc

mM ===

1

Mb = Bildmaßstabmb = Bildmaßstabszahl

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Bildmaßstab

t

b

gbb

ss

hc

mM ===

1

großmaßstäblich: >= 1:5.000 mittelmaßstäblich: < 1 : 5.000 bis 1 : 20.000kleinmaßstäblich < 1 : 20.000 bis 1 : 60.000ultrakleinmaßstäblich < 1 : 60.000

Zusammenhang zwischen Kartenmaßstab und Bildmaßstab aus praktischen Erfahrungen:

kb mkm ⋅=Beispiel:1: mk mb1: 1.000 6300 - 95001:25.000 32.000 - 47.000

K = Konstante,die zwischen 200 und 300 schwankt

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Ursachen von Verzerrungen im Luftbild

1. Reliefbedingte radiale Punktversetzung Δr‘

Δ 'r = Δh oh

r ' =Δh cm

rb •

'

Δr’ = radiale Punktverschiebung im Gelände Δh = Höhe des Punktes im Vergleich zur

Bezugsebene 'r = Abstand des Punktes vom Bildnadir

c = Kammerkonstante mb = Maßstabszahl ho = Flughöhe über Grund

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Radiale Punktversetzungen Beispiel: Aufnahme Manhattan, New York.

•Geländeobjekte, die sich vertikal über ihre Nachbarschaft erheben kippen nach außen. Sichttote Bereiche.

•Bei Geländehöhenunterschieden werden gleichlange Strecken in der Karte ungleichlang im Luftbild abgebildet.

•Flächen- und Winkel--verzerrungen im Luftbild.

•Höherliegende Geländeorte werden in größerem Maßstab abgebildet als Tieferliegende.

Reliefbedingte radiale Punktversetzung

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Radiale Punktversetzungen in Abhängigkeit der Brennweite

Je kürzer die Brennweite, desto weiter entfernt wird die Spitze eines Baumes von seinem Stammfuß dargestellt.

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Projektive VerzerrungenAuswirkung der Nadirdistanz v bei Senkrecht- und Schrägaufnahmen auf die Bildgeometrie

Der Bildmaßstab nimmt (bei ebenem Gelände) kontinuierlich von P‘1 bis P‘8 ab. Sichttote Fläche hinter Erhebungen nehmen zu

2. Projektive Verzerrungen bei Schrägaufnahmen

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Weitere Ursachen für Verzeichnungen:

•Objektivverzeichnung

• Erdkrümmung und Atmosphärische Refraktion

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Hilfsabbildungen auf einem Meßbild

1 Rahmenmarken3 Bildnummer4 Uhr zur Dokumentation der Aufnahmezeit

5 Barometrischer Höhenmesser 6 Dosenlibelle zur Überwachung der

Horizontierung des Flugzeuges7 Datum und Projekt8 Kameranummer10 Kammerkonstante

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Definition eines analogen Meßbildes

H = BildhauptpunktM = Bildmittelpunkt

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Definition eines digitalen Meßbildes

H = Bildhauptpunkt

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Zusammenhang zwischen Bild und Objektkoordinaten

Zusammenhang zwischen 2D-Bildkoordinaten und 3D-Objektkoordinaten(Kollinearitätsbeziehung)

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3. Beschaffung und Bildflugplanung

Luftbildarchive in Deutschland:

•Landesvermessungsämter•Landesarchive•Bundesarchive•Bundesamt für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt•Dienststellen der Forstverwaltung•Landkreis•Stadtvermessungsamt•Bildflugfirmen

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Bildflugdesign

Reihenmesskammer (Leica RC-30)

Vermessungsflugzeug

DMCDigitale Modulare Camera (Zeiss)

Längs- und Querüberdeckung

Flächendeckende Erfassung

Digitale MatrixkameraUltraCamD (Vexcel Imaging)

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Digital Flight Equipment

Camera mount Camera control

Digital SensorHead

Laserscanner LaserscannerControl (GPS and IMU)

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Kameratyp und Bildformat

Reihenmeßkammer Nicht-Meßkammer (Amateurkamera)

Kalibrierung: Lage des BildhauptpunktesKammerkonstante (Brennweite)Objektivverzeichnung

Bildformate: großformatig: 23 x 23 cm, 30 x 30 cm, 18 x 18 cmmittelformatig: 56 x 56 mmkleinformatig: 24 x 36 mm

Beispiel:Bildformat Geländefläche eines Bildes im

Bildmaßstab 1 : 10.000Kleinbild 24 x 36 mm 8,64 haRMK 23 x 23 cm 529 ha

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Kameratyp

Reihenmeßkammer 23 x 23 cm

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Objektiv und Brennweite

Objektiv Brennweite Öffnungswinkel

Normalwinkelobjektiv (c1) 305 mm 50 - 75°Weitwinkelkammer (c2) 153 mm 75 - 100°Überweitwinkelkammer 85 mm 119°

Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und FernerkundungPhD Colloqium Forest Inventory and Forest Growth 27.4.2006

Dr. H. Fuchs

Operationale Digitale Luftbildkameras:

1. Matrix-Kamera

UltraCamD (Vexcel Imaging)

DMC (Intergraph)

2. Zeilen-Scanner

ADS40 (Leica)

HRSC (DLR)

Stand der Technik

Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und FernerkundungPhD Colloqium Forest Inventory and Forest Growth 27.4.2006

Dr. H. Fuchs

Prinzip der opto-elektronischen Sensoren

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Line-Scanner Concept Matrix-Scanner Concept

Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und FernerkundungPhD Colloqium Forest Inventory and Forest Growth 27.4.2006

Dr. H. Fuchs

Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung

Line-Scanner ADS40

UltraCamD(Vexcel Imaging,Austria)

Sommersemester 2009; B.Sc.: Fernerkundung Abteilung Waldinventur und Fernerkundung

Line-Scanner ADS40

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Spektrale Sensibilität von Luftbildfilmen

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State of Technology

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Flugzeitpunkt und -bedingungen

Kriterien für die Wahl des Befliegungstermines:

•Aufnahmezweck (z.B. phänologische Aspekte z.B. Baumarten, Bodenvegetation, Waldschäden)

Sonnenhöhe: (abhängig von Tages- und Jahreszeit > 45°)

Bewölkungsgrad: (unter Flughöhe 0, über Flughöhe < 3/8 Cirrus,< 1/8 Cumulus)

Lufttrübung: (Bodensichtweite > 10 km)

Windgeschwindigkeit: < 10 km/h

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Datenqualität Digitale Luftbilder

Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung Waldinventur und Fernerkundung

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Datenqualität Digitale Luftbilder

Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

Waldinventur und Fernerkundung

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Datenqualität Digitale Luftbilder

Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

Waldinventur und Fernerkundung

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Datenqualität Digitale Luftbilder

Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

Waldinventur und Fernerkundung

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Datenqualität Digitale Luftbilder

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Waldinventur und Fernerkundung

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Stereoskopisches Sehen: Definition

Gesichtsfelder von jagendenund gejagten Tieren

Stereoskopisches, 3-dimensionales oder räumliches Sehen ist die Betrachtung des Raumes und der in ihm befindlichen Dinge mit zwei Augen.

Jagende Tiere brauchen zum Ergreifen der Beute eine hohe Präzision beim Einschätzen von Entfernungen.

Gejagte Tiere müssen Jäger beizeiten bemerken und benötigen ein möglichst großes Gesichtsfeld.

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Natürliches Stereoskopisches Sehen

Grundprinzip des natürlichen räumlichen Sehens

Horizontalparallaxe: Abweichung der einzelnen Punkte in den beiden aufgenommenen Bildern

Vertikalparallaxe: beim natürlichen Sehen nicht möglich

Konvergenz: automatische Ausrichtung derAugenachsen auf den betrachteten Gegenstand

Akkomodation: Fokussierung der Augenlinsenauf die gleiche Entfernung

Be = Augenbasis

Konvergenz-winkel

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Künstliches Stereoskopisches Sehen

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Künstliches Stereoskopisches Sehen

Voraussetzungen zur Erzeugung von künstlichen Raumbildern:1. Zentralperspektivische Bilder von verschiedenen Aufnahmeorten (2 Bilder von 2 Standpunkten Stereobildpaar)

2. Orientierung beider Bilder

3. Jedem Auge wird gleichzeitig und getrennt eines von diesen Bildern dargeboten (Bildtrennung):

•Linsen- oder Taschenstereoskop•Spiegelstereoskop•Anaglyphenverfahren•Polarisationstechnik•Flüssigkeitskristall-Verschlüsse (Wechselblenden)

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Künstliches Stereoskopisches SehenOrientierung eines Luftbildbildpaares

Zuordnungsmöglichkeiten der Bilder eines Stereobildpaares und dadurch hervorgerufene Seheffekte

Schematische Darstellung zur Orientierung eines Luftbildpaares nach Kernstrahlen

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Linsen- oder Taschenstereoskop

Bildtrennung

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Spiegelstereoskop

Stereomikrometer

Bildtrennung

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Anaglyphenbild einer hügeligen Moränenlandschaft am nördlichen Bodensee

Sommersemester 2009, Bsc. Fernerkundung I, Abteilung

Waldinventur und Fernerkundung

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Polarisationstechnik:

Filter, die die Projektionsstrahlen der beiden Teilbilder senkrecht zueineinander polarisieren

Bildtrennung

Flüssigkeitskristall-Verschlüsse:

die Bilder werden abwechselndprojeziert und der Sehvorgang von den Augen sychron mit einer Wechselfrequenz von 120 Hz blockiert

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Baumhöhenmessung mit einfacher Parallaxenmessung

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Probleme bei der photogrammetrischen Baumhöhenmessung

•Keine Berücksichtigung von Geländehöhenunterschieden:Bei bewegtem Relief muss zusätzlich eine Bezugsebene bestimmt werden, welche im Regelfall vom Fußpunkt des zu messenden Objektes abweicht

•Modelldeformation durch Abweichung vom Normalfall der Stereoauswertung•(Keine Nadiraufnahme, Höhenunterschiede)

•Keine Bodensicht in dicht bestockten Waldbeständen, störende Bodenvegetationoder Baumfußpunkt zu weit entfernt

•Begrenztes räumliches Auflösungsvermögen in Abhängigkeit von Objektiv,Bildmaßstab und Filmemulsion.

•Einstellungsfehler der Meßmarke

•Windbewegung

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Methods: Preprocessing

Die Differenz zwischen Digitalem Oberflächenmodell (DSM) und Digitalem Geländemodel (DTM) ergibt ein normalisiertes digitales Oberflächenmodell (nDSM). Dieses kann für die automatisierte Baumhöhenmessung benutzt werden.

DTM DSM Orthophoto

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Automatische Interpretation von Einzelbäumen

Segmentierung KlassifizierungTrainingsgebiete