Photogram. Aufnahmesysteme - Hochschule Bochum€¦ · HS BO – Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 1 Inhalte Photogram. Aufnahmesysteme – Metrische Kameras (Definition

HS BO – Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 1

Inhalte

Photogram. Aufnahmesysteme

– Metrische Kameras (Definition der Inneren Orientierung)

– Analoge Messkameras – Fotografische Aspekte – Digitalisierung analoger Bilder – Digitale Aufnahmesysteme (Messkameras)


Photogrammetrische Aufnahmesysteme

Digitale Luftbildkameras



Digitale Luftbildkameras haben zwischenzeitlich analoge Luftbildaufnahmesysteme auf dem Markt verdrängt.

Mit Einführung der digitalen Systeme ist der Datenfluss in der photogrammetrischen Datenerfassung und Auswertung vollständig digital.

Dies gewährleistet ein hohes Automationspotential in der digitalen photogrammetrischen Prozesskette.


Digitale Prozesskette


Digitale Luftbildkameras Weitere Vorteile der digitalen Systeme sind: Erweiterte spektrale Empfindlichkeit Neben dem panchromatischen Bild werden auch

multispektrale Bilddaten geliefert Arbeiten im Fotolabor entfallen A/D-Wandlung mittels Scannern ist nicht mehr

notwendig



Die Entwicklung der neuen digitalen Luftbildkameras wurde und wird auch heute noch maßgeblich in Deutschland durch die DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) und durch Z/I Imaging (Zeiss Oberkochen und Intergraph) bestimmt.

Bei der Entwicklung der digitalen Kamerasysteme wurden zwei verschiedene Aufnahmeprinzipien verfolgt, die zum einen auf Zeilensensoren, zum anderen auf Flächensensoren basieren.



Das Prinzip des Zeilensensors wurde in der High Resolution Stereo Camera (HRSC-AX), einer Entwicklung

der DLR in Berlin-Adlershof, und in dem Airborne Digital Sensor (ADS40), die gemeinsam von der

DLR und Leica Geosystems entwickelt wurde, eingesetzt. Dagegen beruht die Aufnahmetechnik der Digital Modular Camera (DMC) von Z/I Imaging auf einem

Flächensensor.



(1. Generation)



Spezifikationen


3-Zeilen-Sensor ADS 40

Die drei CCD-Zeilensensoren mit jeweils 12000 Pixel sind so angeordnet, dass die Bildaufnahme gleichzeitig rückwärts, im Nadir und vorwärts erfolgt.



Die ADS40 besitzt insgesamt 7 lineare parallel angeordnete CCD-Sensoren; davon sind drei panchromatische lineare CCD´s (vorwärts, Nadir,

rückwärts) mit je zwei gestaffelten CCD-Reihen, drei linearen Farb-CCD-Reihen (rot, grün, blau) mit

dichroitischem Spiegel zur Einspiegelung des getrennten Lichtes und

einer linearen infrarot CCD-Sensorreihe.




3-Zeilen-Sensor ADS 40 Durch die um 3.25 μm gestaffelte Anordnung der

jeweils zwei panchromatischen Sensorreihen wird die Anzahl der Pixel rechnerisch auf 24000 erhöht.

Die digitale Bilddaten werden auf einen Massenspeicher mit einer Aufnahmerate von 100GB pro Stunde gespeichert.



Das Kamerasystem ADS40 wird für den Einsatz im Flugzeug in der kreisel-stabilisierenden Aufhängung PAV30 befestigt.

Für die Orientierung der jeweils aufgenommenen 7 Sensorzeilen ist eine direkte Georeferenzierung durch Kombination von GPS/INS zwingend erforderlich.



http://www.dlr.de/os/forschung/projekte/ads

http://www.dlr.de/os/forschung/projekte/ads





Houston Capitol aufgenommen mit ADS40


Leica ADS 80 - Airborne Digital Sensor

Folien zur ADS 80: WPB Photogrammetrie 2009/10 Andreas Erlenbruch & Matthias Richters


SH 81/82

PAV 80

MM 80 CU 80

OI 40

Mechanisches Interface


Sensorkopf SH 81/82 8/12 CCD Zeilen mit 12000 Pixel Pixelgröße 6.5 Mikrometer 2 Panchromatische Zeilen 1 Paar Panchromatische Zeilen um ½

Pixel versetzt 8 Spektrale Zeilen 2x Rot 2x Grün 2x Blau 2x Naher Infrarotbereich


Datenerfassung Via Pushbroom


Digitale Optik DO64

Hergestellt bei SwissOptic, Heerbrugg 64° Weitwinkel Brennweite 62.77mm, Blendenzahl 4 Spektralbereich 420 - 900 nm Auflösung 130 lp/mm, optimiert für CCD‘s Aufnahmegenauigkeit 1 µm Wärme- und Druckkompensation Telezentrisches Linsendesign


Telezentrisches Linsendesign

Telezentrische Objektive zeichnen sich dadurch aus, dass die Eintritts-oder Austrittspupille im Unendlichen liegt.

Ein beidseitig telezentrisches Objektiv weist theoretisch keine geometrischen Abbildungsfehler, wie z.B. Verzeichnung, auf.


Tetrachroider Strahlteiler

Simultanes Aufnehmen von RGB und NIR

Gleiche Bodenauflösung in allen Spektralbereichen

Positioniert zwischen Linse und CCD‘s


Weitere Spezifikationen Bodenauflösung Bei 140 km/h max. 3 cm Bei 480 km/h max. 15 cm

Speicherkapazität Bei 768 Gb können insgesamt 11,4h Daten gespeichert

werden Die Flashspeichereinheiten sind im Flug austauschbar

Flughöhe bis 7.620m ohne Druckkabine


System-Eigenschaften Co-Registrierung von RGB und RGN Bildern Panchromatische, farbige und infrarote Stereobilder Echte und hochauflösende Farbbilder (Kein Pan

Sharpening notwendig) Co-Registrierung aller Multispektraler Bänder mittels des

Tetrachroid Strahlsplitters Keine Farbverzerrung durch gleichen Aufnahmewinkel Direkte Georeferenzierung


Vorteil des Zeilensensors


PAN Sharpening


RGB, NIR und PAN


Einbau im Bildflugzeug


HRSC-A

Große internationale Bedeutung für die Photogrammetrie hat die im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte High Resolution Stereo Camera-Airborne (HRSC-A ) erlangt.

Das Konzept stammt von Otto Hofmann (1986).


HRSC-A Das Kamerasystem wurde in der Erforschung der Mars

Oberfläche eingesetzt. http://solarsystem.dlr.de/Missions/express/kamera/ka

mera.shtml

http://solarsystem.dlr.de/Missions/express/kamera/kamera.shtml

http://solarsystem.dlr.de/Missions/express/kamera/kamera.shtml


HRSC – Mars Expedition

Candor Chasma, Ophir Chasma


DMC – Digital Mapping Camera System

Das technische Konzept der digitalen Kamera von Z/I Imaging beruht auf einen bzw. mehreren CCD-Flächensensoren von Philips.



Die Pixelgröße ist mit 12 μm fast doppelt so groß wie die der Kameras mit Zeilensensoren.

Der einzelne CCD-Chip hat eine Größe von 7000 x 4000 Pixel, so dass sich aus einer Anordnung von vier panchromatischen Kameraköpfen ein virtuelles Bild von ca. 13500 quer und ca. 8000 Pixel in Flugrichtung ergibt.



Die vier panchromatischen Bilder werden durch Messung von Verknüpfungspunkten in den sich überlappenden Bildregionen und durch geometrisches und radiometrisches Mosaiking zu einem virtuellen Bild zusammengesetzt.





Für die gleichzeitige Aufnahme von Bildern in Echt- und Falschfarben werden weitere vier Kameraköpfe mit einer jeweiligen Aufnahmefläche von 3000 x 2000 Pixel an den äusseren Rand des Kamerasystems angebracht.

Für die panchromatischen Sensoren wird eine Kamerakonstante von 120mm ein-gesetzt, während die multispektralen Sensoren Objektive mit einer Kamera-konstante von 25mm verwenden.



Grundkörper (li.) und Blick auf die Optik (oben)



Die durch die Bewegung des Flugzeuges erzeugte Bildwanderung wird elektronisch durch eine TDI (Time Delayed Integration) ausgeglichen, in dem während der Belichtung die von den Sensorpixeln aufgenommene Lichtinformation auf dem Chip weitergeschoben wird.



Die radiometrische Qualität der digitalen Bilder ist wie bei den Kameras mit Zeilensensoren durch die hohe Anzahl von 12 Bits/Pixel (4096 Graustufen) sehr gut.



Im „full-color“ Modus (12 bit/pixel) werden pro Bild 260 MB Rohdaten erzeugt.

Bei einem verfügbaren Plattenspeicherplatz von 840 GB können mehr als 2000 Fotos erstellt werden.

Dies entspricht einer Menge von drei 500m Filmrollen.



Nach Abschluss des Bildflugs werden die Bilddaten in einem post-processing weiterverarbeitet.



Das post-processing erfolgt in zwei Schritten, die radiometrische und geometrische Korrekturen beinhalten.

Die resultierenden Bilder mit voller Auflösung (7680 x 13824) liegen vor als Panchromatisches Bild Color-(RGB)-Bild Color-Infrarot-Bild

Sowie in Farbauflösung (2048 x 3072) als Color-(RGB-)Bild Color-Infrarot-Bild 4-Band-Bild Nahes-Infrarot-Bild



Bodenauflösung


Folien zur UltraCamXp: WPB Photogrammetrie 2009/10 Anjis Zimmerschied & Sebastian Räder

UltraCamXp


Aufbau DXp/CXp Einheit

(Speicher und CPU)

SXp Einheit (Sensor)


Spezifikationen der Sensoreinheit SXp

Pixelgröße am Boden – 1,8cm bei 300m Flughöhe – 2,9 cm bei 500m Flughöhe

Verhältnis Panchromatisch zu RGB/NIR 1:3 Verschlusszeiten: 1/500 bis 1/32 sec Forward-Motion-Compensation: TDI bis max 50pixel Strombedarf: 150 W bei voller Leistung Speicherbedarf pro Bild: 624 MB Speichertiefe: 12 – 13 bit


Größenvergleich

Maße: 45cm*45cm*60

cm

Gewicht: ~55kg


Sensoren: Multispektrale Kanäle

Rot, Grün, Blau, NIR Bildgröße: 5770*3770 px Pixelgröße: 6 µm Brennweite: 33mm Blickwinkel: 55° gegen die

Flugrichtung 37° in Flugrichtung


Sensoren: Panchromatische Kanäle

Multi Cone Multi Sensor: 4 einzelne Kameras

Bildgröße: 17310*11310px

Pixelgröße:6 µm Bildformat: 104*68,4mm Brennweite: 100mm Blickwinkel: 55° gegen die

Flugrichtung 37° in Flugrichtung


“Footprint”


Spezifikationen: Datenspeicher DXp und Datenprozessierung CXp

Speicherplatz: unbegrenzt durch austauschbare DXp Einheiten

– ~4,2 TB je DXp Einheit

– ~6600 Bilder je DXp Einheit

wechselbar in < 3Minuten

speichert Bilder in 2 DXp-Einheiten gleichzeitig

Maße: 50cm*36cm*65cm

Gewicht

– CXp + 2 DXp <92kg

– DXp ~16kg

Verbindung über 2 Infiniband Kabel (2,5 GBit/s )

Stromverbrauch: 700W bei voller Leistung

CXp

DXp


Software

Camera operating software (COS V3.2 )

Flugüberwachungsmonitor

Office processing center (OPC V3.2 )

Bildzusammensetzung aus den 13 Einzelbildern


Zusammensetzung der R,G,B,NIR und des Pan-Bildes

R G

B NIR

PAN


Beispielbilder: RGB-Kanäle


Beispielbilder: IR-Kanal


Z/I DMC II

DMC II 140 / 230 / 250


Z/I DMC II - Eigenschaften Aufnahme in Nadir-Richtung sowie ein-linsiges

Projektionssystem Kein CCD stitching oder Bildmosaiking im Post-processing

erforderlich Monolithischer panchromatischer 250 MP CCD (17216 x

14656 pixels) mit 5.6µ pixel Größe und 112 mm Brennweite Vier Multispectral-Kameras, (RGB) and nahes-infrarot (NIR)

mit 42 MPixel CCD (6846 x 6096 pixel) und 7.2µ pixel Größe und a angepasstem Farbfilter

Jeder Kamerakopf verfügt über einen piezo-betriebenen Verschluss mit Selbst-Kalibrierung und maximaler Synchronization


Z/I DMC II - Eigenschaften

2,3 Sekunden Bildfolgezeit ermöglicht hohe Flug-geschwindigkeiten und hohe Bildüberlappung und Bodenauflösung (bei 80 % Längsüberlappung und 6 cm ground sample distance [GSD], max. Geschwindigkeit über Grund: 198 knots)

PAN/color Verhältnis 1:3.2 Basis-zu-Flughöhen Verhältnis 0.28 Bilddaten post-processing der DMC II 250 basiert auf der

DMC post-processing software Finales Bildformat nach dem post-processing beträgt 16768

x 14016 pixel


Z/I DMC II - Eigenschaften

Kompatibel zu allen existierenden Peripheriegeräten der RMK TOP, DMC undRMK D, ebenso wie zu Z/I Mission planning software, Z/I Inflight sensor management system, solid state disks (SSD), storage cartridges, Readout Station, T-AS mount und Z/I Mount

Viele Variationsmöglichkeiten für IMU Sensoren, einschließlich Leica IPAS 20

Einfaches Upgrade der RMK D, DMC II 140 sowie DMC II 230 auf eine DMC II 250


Z/I DMC II

DMC II Inflight


Z/I DMC II

DMC II Komplettsystem


Z/I DMC II – Anwendungen


Z/I DMC II – Auflösung


Z/I DMC II – Auflösung


Z/I DMC II – Technische Daten im Vergleich (140 – 230 – 250)


Z/I DMC II

Quelle: Karsten Jacobsen - Geometric Analysis of DMC II140


Z/I DMC II

Quelle: Karsten Jacobsen - Geometric Analysis of DMC II140


Evaluierung digitaler Luftbildkamerasysteme

Untersuchung digitaler Luftbildkameras, initiiert und durchgeführt durch die Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation (DGPF)

http://www.dgpf.de/neu/projekt/DKEP-Allg.html

http://www.ziimaging.com

http://digital-imaging.leica-geosystems.com/en/Airborne-Sensors_57608.htm

http://www.microsoft.com/ultracam/en-us/UltraCamXp.aspx


Quellen

http://www.ziimaging.com

http://digital-imaging.leica-geosystems.com/en/Airborne-Sensors_57608.htm

http://www.microsoft.com/ultracam/en-us/UltraCamXp.aspx

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