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Diplomarbeiten am ifp

Emese Farkas

Empirische Genauigkeitsuntersuchung der DigiCAM.H/22 Luftbildkamera

Dauer der Arbeit: 6 Monate
Abschluss: Januar 2007
Betreuer: Dr.-Ing. M. Cramer, extern: Dr. J. Kremer (IGI)


Motivation

Ab 1915 durch die Entwicklung des Flugwesens entwickelte sich die Luftbildphotogrammetrie als vermessungstechnisches Verfahren. In den 30ger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte sie sich zum wichtigsten Aufnahmeverfahren zur Herstellung topographischer Karten. Die Aufnahme- und Auswertetechnik wird seitdem ständig verbessert.

Seit dem Aufkommen der elektronischen Datenverarbeitung werden auch die analoge Bilder und die Ergebnisse der photogrammetrischen Auswertung in digitaler Form benötigt.

Im Jahre 2000 wurden die ersten kommerziell erhältlichen digitalen Luftbildsysteme vorgestellt: ADS 40 (Leica) und DMC (Intergraph Z/I). Heute sind in der Luftbildphotogrammetrie ungefähr 120 großformatige, digitale Kameras im Einsatz. Diese großformatigen digitalen Kameras sind teuer. Deswegen erfahren mittelformatige Kameras eine rasante Entwicklung, um für die Luftbildphotogrammetrie eingesetzt werden zu können. Man versucht diese Kameras zu kalibrieren, mechanisch zu stabilisieren. Diese Kameras können bei kleineren Gebieten kostengünstiger eingesetzt werden, zum Beispiel bei Trassenbefliegung, wie Stromleitungen oder Verkehrswege oder im Verbund mit einem Laserscanner, wo im Regelfall nur schmalere Flugstreifen erfasst werden müssen.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit soll die digitale Luftbildkamera DigiCAM-H/22 der Firma IGI mbH, Kreuztal (http://www.igi-systems.com/) auf ihre Genauigkeit, Kalibrierbarkeit und Einsetzbarkeit untersucht werden.


Digitale Luftbildkamera DigiCAM-H/22

Die digitale Luftbildkamera DigiCAM-H/22 der Firma IGI, dargestellt in der Abbildung 1, besteht aus drei Teilen.

Abbildung 1: DigiCAM-H/22

Der Hauptteil des Systems ist die Luftbildkamera, rechts auf dem Photo abgebildet. Die Kamera basiert auf einer mittelformatigen, 22 Megapixel Kamera der Firma Hasselblad, die von der Firma IGI modifiziert wurde für die Verwendung in der Luftbildphotogrammetrie.
Bei der Modifizierung werden unter anderem Teile der Kamera, wie zum Beispiel der Handgriff abgenommen und ein Gehäuse um die Kamera gebaut.
Die ursprüngliche Hasselblad Kamera ist aus Sicht der Photogrammetrie eine Nicht-Messkamera. Durch die Modifizierung wird versucht die Kamera für die Anwendung in der Luftbildphotogrammetrie stabiler zu gestalten und damit für Messanwendungen nutzbar zu machen.
Die CCD-Sensorgröße beträgt 4080*5440 Pixel mit einer Pixelgröße von 9 µm. Die Sensormaße sind 36,72*48,96 mm.
Zur DigiCAM-H/22 gehört außerdem eine 8” Display („Touch Screen“) mit integrierter Tastatur, der so genannte DigiControl Computer, (in der Abbildung links) und die Image Bank, (in der Mitte der Abbildung) für die Speicherung der Daten.
Die Image Bank besteht aus einer 40 Gbyte Festplatte und kann 850 Bilder speichern mit 16bit und voller Auflösung. Während eines Fluges können mehrere Image Banks eingesetzt werden um eine größere Speicherkapazität zu realisieren.
Die Bildfolgezeit ist besser als 2,5 s. Die ISO Empfindlichkeitsbereich liegt zwischen 50 und 400. Mit dem DigiControl Computer können die Histogramme der aufgenommenen Bilder in Echtzeit angezeigt und gegebenenfalls die Einstellung der Kamera geändert werden. Mit einem DigiControl können mehrere Kameras kontrolliert werden.
Die Kamera kann mit Objektiven unterschiedlicher Brennweiten zwischen 35 mm und 300 mm verwendet werden. Die maximale Blendenöffnung beträgt 2,2.


Vorgehensweise

Für diese Diplomarbeit standen 116 digitale Luftbilder zur Verfügung, die in zwei unterschiedlichen Flughöhen über einem photogrammetrischen Testfeld aufgenommen wurden. Während des Fluges wurden parallel IMU- und GPS-Daten aufgezeichnet. Die gemessene Hebelarme zwischen Kamera und IMU, GPS-Antenne und IMU sind bekannt.

Abbildung 2: Flugkonstellation

In der Abbildung 2 ist die Flugkonstellation zu sehen, mit beiden Flughöhen, die einzelnen Kamerapositionen und die Punktverteilung auf dem Boden. Man erkennt die Passpunkte, die mit Nummern gekennzeichnet sind und auch die Verknüpfungspunkte, die keine Nummern auf dem Bild haben. Die Passpunkte wurden im Rahmen dieser Diplomarbeit als deutlich identifizierbare natürliche Punkte aus den Bildern ausgewählt und anschließend vor Ort gemessen. Die Verknüpfungspunkte wurden im Rahmen der photogrammetrischen Auswertung mit der Software ISAT der Firma Intergraph Z/I automatisch gemessen.

Abbildung 3: Verteilung der Passpunkte in dem gesamten Gebiet (Ausdehnung 8 km²)

In der Abbildung 3 ist die Verteilung der Passpunkte in den Bildern mit 15 cm Bodenauflösung dargestellt. Diese Bilder überdecken das gesamte Testgebiet.


Datenauswertung

Zuerst erfolgte die Kamerakalibrierung anhand eines Testfelds in kontrollierten Laborbedingungen.

Abbildung 4: Testfeld mit aufgebauter DigiCAM-H/22

Abbildung 4 zeigt das Testfeld mit der digitalen Luftbildkamera DigiCAM-H/22 dar.
Im Labor wurde die Kamera unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt und die Änderung der Kalibrierparameter untersucht. So sind 6 Kalibrierungen der Kamera durchgeführt worden. Ein Überblick über die Kalibrierungen ist in der Tabelle 1 zu sehen.

Tabelle 1: Kalibrierungen

Danach wurde die Kamera auch im Rahmen einer Projekt begleitenden Kalibrierung kalibriert. Diese Auswertung erfolgte mit zwei unterschiedlichen Softwares, mit DGAP und mit Bingo. Mit der Software DGAP wurden zuerst beide Bildverbände ausgewertet und im Rahmen dieser Auswertung die Kalibrierparameter bestimmt. Anschließend wurden beide Bildverbände auch einzeln ausgewertet und die Ergebnisse verglichen, um zu untersuchen, ob die Kalibrierparameter während des Fluges sich geändert haben.
Mit der Software Bingo wurde als Kalibrierfeld ein Sub-Block ausgewählt. Die Kamerakonstante wurde aus beiden Flughöhen, alle anderen Parameter aus der Sub-Block Auswertung bestimmt.

Die äußeren Orientierungsparameter wurden direkt mit GPS und IMU gemessen. Diese Werte beziehen sich auf die Achsen der IMU. Die Translationsvektoren zwischen GPS-Antenne, IMU und Kamera wurden vorab mit herkömmlichen Messverfahren bestimmt und bei der GPS/IMU-Datenverarbeitung berücksichtigt.
Um die Misalignment-Winkel zwischen IMU und Kamera bestimmen zu können wurden mittels Aerotriangulation die äußeren Orientierungen der Projektionszentren zum Zeitpunkt der Kameraauslösung bestimmt. Durch den Vergleich der Ergebnisse mit den GPS/IMU-Daten konnten die Misalignment-Winkel bestimmt werden.
Die GPS/IMU-Daten wurden schließlich um das Misalignment korrigiert. Zusammen mit den Kalibrierparametern aus der Selbstkalibrierung wurde nun eine direkte Georeferenzierung durchgeführt. Die im Rahmen einer integrierten Sensororientierung bestimmten Kontrollpunkte, zusammen mit den Objektkoordinaten der Passpunkte, wurden für die Berechnung der Absolutgenauigkeit im Objektraum verwendet.

Mit der Software Bingo wurden auch für die Navigation des Flugzeuges benutzte und aufgezeichnete GPS/IMU-Echtzeitwerte ausgewertet. Während des Flugs wurden GPS und IMU Daten aufgezeichnet. Außerdem wurden von OmniSTAR HP-Korrekturdienst Korrekturdaten empfangen und DGPS berechnet. Als „Echtzeitwerte“ werden diese DGPS-Daten und die IMU-Daten ausgewertet und für integrierte Sensororientierung, bzw. direkte Georeferenzierung verwendet.


Ergebnisse

Laborkalibrierung

Bei der Kalibrierung der Kamera anhand des Testfelds hat sich herausgestellt, dass eine Kalibrierung im Labor keinen Sinn macht, weil die Kalibrierparameter aus der Laborkalibrierung nicht zwangsläufig auf die Testflugbedingungen übertragen werden können. Außerdem gibt es große Variationen der in den jeweils unterschiedlichen Kalibrierungen bestimmten Parameter

Tabelle 2: Zusammenstellung der Kalibrierungsparameter

In der Tabelle 2 sind alle Kalibrierparameter der einzelnen Kalibrierungen dargestellt.
Der Bildhauptpunkt hat sich immer verändert, sogar bei den letzten zwei Kalibrierungen. Die größte Veränderung beträgt in x-Koordinate 63 µm bzw. 7 Pixel, in y-Koordinate 90 µm, bzw. 10 Pixel. Die restlichen Parameter können nicht direkt miteinander verglichen werden, weil sie Korrelationen untereinander aufweisen. Um die Kalibrierergebnisse vergleichen zu können, wurde ein Objektpunkt ins Bild projiziert und die Bildkoordinaten mit Hilfe der Kollinearitätsgleichungen bestimmt. Es wurde ein Objektpunkt gewählt, dessen Bildkoordinaten sich möglichst am Rand des Bildes befinden, da die radialen Verzeichnungen am Rand am größten sind.
Durch Sonneneinstrahlung haben sich auch die Verzeichnungsparameter verändert. Diese Veränderung hat am Rand einen Einfluss auf die Bildkoordinaten jeweils 1 Pixel in x und 1 Pixel in y.
Insgesamt lässt sich sagen, dass die Mechanik der Kamera unstabil ist. Das Objektiv wackelt spürbar an der Kamera. Der hintere Teil könnte sich relativ zum vorderen Teil bewegen. Bei der Drehung der Kamera könnte auch der CCD-Sensor wackeln. Alle drei Möglichkeiten verursachen eine Veränderung des Bildhauptpunktes. Deswegen verändern sich die inneren Orientierungsparameter ständig.

Abbildung 5: Radial - symmetrische Verzeichnung der ersten Kalibrierung

Abbildung 5 zeigt die radial-symmetrische Verzeichnungskurve. Diese Werte sind aus Sicht der Photogrammetrie sehr groß. Moderne photogrammetrische Objektive haben eine radiale Verzeichnung innerhalb von 5 µm, bei filmbasierten Luftbildkameras ist die radiale Verzeichnung noch kleiner als 3 µm.
Die Kalibrierung der Kamera sollte mit der photogrammetrischen Punktbestimmung gleichzeitig erfolgen. Falls in dem zu befliegenden Gebiet keine Höhenunterschiede vorhanden sind, muss das Kalibrierfeld aus zwei unterschiedlichen Flughöhen aufgenommen werden oder die äußeren Orientierungsparameter direkt, mit GPS und IMU mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Die Befliegung eines Gebiets aus zwei Flughöhen kann Mehraufwand bedeuten und ist teuer.

Projektbegleitende Kalibrierung

Die Ergebnisse der Kamerakalibrierung im Rahmen der projektbegleitenden Kalibrierung sind in der Tabelle 3 zusammengestellt. Mit GSD 10 cm sind die Bilder mit 10 cm Bodenauflösung (GSD), mit GSD 15 cm die Bilder mit 15 cm Bodenauflösung gekennzeichnet. Die Ergebnisse der einzelnen Flughöhen (GSD 10 cm und GSD 15 cm) zeigen, dass sich während des Flugs der Kamerabildhauptpunkt praktisch nicht verändert hat.

Tabelle 3: Innere Orientierungsparameter

In der Vertikalkomponente taucht ein Offset auf, der korrespondieren könnte mit einer Veränderung der Kamerakonstante von 20 µm. Dieses könnte aber auch durch die Geometrie des photogrammetrischen Blocks, die Kamerageometrie oder GPS/IMU-Trajektorie verursacht sein. Es konnte nicht endgültig festgestellt werden, woher dieser Unterschied kommt.
Bei der Auswertung mit Bingo wurde der Sub-Block aus der GSD 10 cm Bilder ausgewählt. Bei der Vergleich der Ergebnisse mit DGAP (GSD 10 cm) und Bingo (Sub-Block aus der GSD 10 cm) sieht man, dass der Bildhauptpunkt praktisch identisch ist. Dies zeigt, dass die zwei unterschiedlichen Softwares die gleichen Kalibrierparameter berechnet haben.

Die Ergebnisse der Bildmessgenauigkeit sind in der Tabelle 4 zusammengestellt. Auch bei der Bildmessgenauigkeit haben beide Softwares praktisch identische Ergebnisse erzielt.

Tabelle 4: Bildmessgenauigkeit

Bei der Auswertung der Bilder mit 15 cm Bodenauflösung wurde eine Bildmessgenauigkeit von 1,46 µm, bei der Auswertung der Bilder mit 10 cm Bodenauflösung eine Genauigkeit von 1,26 µm erreicht. Diese Genauigkeiten entsprechen 0,16 Pixel bzw. 0,14 Pixel. Die zu erwartende Bildmessgenauigkeit entspricht je nach Messverfahren in der Regel zwischen 1/3-1/10 der Pixelgröße. Die digitale Luftbildkamera DigiCAM-H/22 hat eine Pixelgröße von 9 µm. Die erreichte Genauigkeit ist besser als 1/6 der Pixelgröße. Die erzielte Genauigkeit liegt voll in dem zu erwartenden Genauigkeitsintervall der Luftbildphotogrammetrie.

Die Ergebnisse der direkten Georeferenzierung, dargestellt in der Tabelle 5 zeigen eine sehr gute absolute Genauigkeit.

Tabelle 5: Genauigkeitsergebnisse der direkten Georeferenzierung

Die GPS/IMU-Werte wurden im Rahmen der Auswertung mit der Software DGAP um das Misalignment korrigiert. Eine Positionsoffsetkorrektur wurde nicht vorgenommen, weil ein Positionsoffset nicht vorhanden sein dürfte, da der Bildhauptpunkt und die Kamerakonstante im Rahmen einer projektbegleitenden Kalibrierung bestimmt worden sind. Jedoch wurden im Rahmen der Auswertung mit der Software Bingo die GPS/IMU-Werte nicht nur mit dem Misalignment-Winkel, sondern auch mit der Positionsoffset korrigiert.
Die Ergebnisse mit der Software Bingo sind etwas besser, was in der Lage daran liegen könnte, dass das Positionsoffset bei der Auswertung mit der Software Bingo korrigiert worden ist. In der Vertikalkomponente sind die Ergebnisse praktisch gleich, trotz Positionsoffsetkorrektur mit der Software Bingo.
Die erreichten Genauigkeiten entsprechen der zu erwartenden photogrammetrischen Genauigkeit.

Die GPS/IMU-Werte können für eine direkte Georeferenzierung bei optimaler Kalibrierung erfolgreich eingesetzt werden. Allerdings müssen die GPS/IMU-Werte immer mit den Misalignment korrigiert werden. Dafür ist die Durchführung einer Aerotriangulation oder integrierter Sensororientierung unentbehrlich. Jedoch kann diese im Testgebiet oder Kalibrierfeld als Teil des gesamten Testgebiets durchgeführt werden und für den Rest des Bildverbandes verwendet werden.

Auswertung mit realtime GPS/IMU Trajektorie

Abbildung 6: Objektkoordinatenfdifferenzen zwischen Echtzeit und Postprozessierung - direkte Georeferenzierung

In der Abbildung 6 sind die Objektkoordinatendifferenzen der Neupunkte zwischen Echtzeit- und Postprozessierung-Auswertung, die im Rahmen der direkten Georeferenzierung bestimmt wurden, dargestellt.

Tabelle 6: Koordinatendifferenz Echtzeit-Postprocessing (direkte Georeferenzierung)

In der Tabelle 6 sind die Mittelwerte der Differenzen und der größte Differenz zwischen die Objektkoordinaten bestimmt mit direkter Georeferenzierung, einmal mit Echtzeitwerten und einmal mit den Postprozessierungswerten.

Die Auswertung der Echtzeitwerte zeigen, dass auch mit diesen GPS/IMU-Werten im Rahmen einer integrierten Sensororientierung die Objektkoordinaten mit ähnlicher Genauigkeit bestimmbar sind, wie bei der Auswertung der GPS und IMU Werte im Postprocessing. Allerdings muss der Positionsoffset korrigiert werden. Die direkte Georeferenzierung mit den im Postprocessing ausgewerteten GPS/IMU-Daten führt jedoch zu besseren Genauigkeiten.

Je nach dem, für welche Anwendungen Objektkoordinaten von Neupunkten bestimmt werden sollen, muss die Auswertemethode in Abhängigkeit der geforderten Genauigkeit und den finanziellen Möglichkeiten ausgewählt werden.