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Studienarbeiten am ifp

Konrad Wenzel

Genauigkeitsanalyse automatischer Höhenmodelle für Daten verschiedener Luftbildkameras

Dauer der Arbeit: 3 Monate
Abschluss: September
Betreuer: apl. Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala


Die automatische und damit flächendeckende Erzeugung von Höhenmodellen aus Luftbildern gewinnt in den vergangenen Jahren mit der Entwicklung von großformatigen digitalen Luftbildkameras an Bedeutung. Diese weisen gegenüber analogen Luftbildkameras einen vergrößerten Dynamikumfang und ein verbessertes Signal-Rauschverhältnis auf, und ermöglichen damit eine bessere Bildzuordnung. Neben der einfacheren Datenspeicherung und –verwaltung  der Bilder digitaler Kameras entstehen außerdem keine Verluste oder Verfälschungen durch das Scannen des Bildmaterials. Während der Marktanteil der digitalen Luftbildkameras stetig wächst, sind derzeit dennoch viele analoge Luftbildkameras im Einsatz.

In dieser Studienarbeit sollte durch gezielte Tests geklärt werden, ob die automatische flächendeckende Erzeugung von Höhenmodellen mit Luftbildern möglich ist und welche Genauigkeiten erzielt werden können. Weiterhin sollte festgestellt werden ob und welche Vorteile die Nutzung digitaler photogrammetrischer Luftbildkamerasysteme gegenüber den  analogen Filmkameras bei der Erzeugung von Höhenmodellen hat. Hierzu wurden die Ergebnisse der einzelnen digitalen Kamerasysteme verglichen und anschließend der Einfluss der Parameter Überdeckung und Bodenauflösung auf die Qualitätskriterien Genauigkeit und Zuverlässigkeit der abgeleiteten Höhendaten erörtert. Hierzu wurden mit der Software MATCH-T der Inpho GmbH Oberflächenmodelle für die Bildverbände verschiedener Luftbildkameras erzeugt. Die Befliegungen wurden dabei im Rahmen des Projekts Evaluierung digitaler photogrammetrischer Luftbildkamerasysteme der deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung (DGPF) über dem Testfeld Vaihingen Enz unter ähnlichen äußeren Bedingungen durchgeführt. In dieser Arbeit wurden die Bildverbände von vier Kameras, jeweils mit einer Bodenauflösung von 20 cm sowie 8 cm untersucht.

Um die relative Genauigkeit der Höhenbestimmung zu untersuchen wurden bildbasiert erzeugte Punktwolken eines Sportplatzes untersucht. Hierfür wurde ein Sportplatz in Vaihingen an der Enz gewählt, welcher eben, relativ frei von Abschattung und durch einen Kunstrasenbelag unabhängig von Grasbewuchs ist. Die homogene Textur erschwert zudem die Zuordnung und erfordert damit sowohl eine hohe radiometrische Auflösung als auch ein stabiles Bildzuordnungsverfahren. Dabei beeinflusst die Filterung und Elimination von Ausreißern maßgeblich die Zuverlässigkeit der berechneten Punktwolke.


Ergebnisse und Fazit

Der wesentliche Parameter zur Realisierung bestimmter Genauigkeiten und Punktdichten ist die Bodenauflösung. Die Genauigkeit der Punktmessung bzw. Bildzuordnung verbessert sich mit sinkender Bodenauflösung in der Lage und damit umso stärker in vertikaler Richtung. Eine hohe Überdeckung unterstützt die Bildzuordnung durch redundante Beobachtungen und Vermeidung von Verdeckungen, insbesondere bei stark undulierendem Terrain.

Die Ergebnisse der bildbasierten Erzeugung von Höhendaten der digitalen Kameras sind insbesondere bei geringer Bodenauflösung mit den Daten des ausgereiften LiDAR-Systems vergleichbar und genügen vielen Standardanwendungen - beispielsweise zur Ableitung von gerasterten Gelände- und Oberflächenmodellen. Die dichte Zuordnung durch gute Algorithmen und die hoch redundanten Beobachtungen ermöglichen hier hohe Genauigkeiten. Die hohe Zuverlässigkeit und Homogenität der LiDAR-Daten ist noch nicht erreicht, könnte aber durch Verbesserung der Bildzuordnungsalgorithmen und Optimierung der Filterung weiter angenähert werden. 

DigiCAM – 8 cm GSD DMC – 8 cm GSD Ultracam-X – 8 cm GSD
Abb2 Abb4 Abb6
DigiCAM – 20 cm GSD DMC – 20 cm GSD Ultracam-X – 20 cm GSD
Abb8 Abb10 Abb12
RMK TOP 15 – 8 cm RMK TOP 15 – 20 cm LiDAR ALS 50
Abb14 Abb16 Abb18
Abbildung 1: Punktverteilungen
Farbige Punkte: Grobe Fehler mit einer Abweichung von der ausgleichenden Ebene (>5σ)
Farbcodierung: Abweichung der Punkte von der ausgleichenden Ebene [m]

 

DigiCAM – 8 cm GSD DMC – 8 cm GSD Ultracam-X – 8 cm GSD
DigiCAM – 20 cm GSD DMC – 20 cm GSD Ultracam-X – 20 cm GSD
RMK TOP 15 – 8 cm RMK TOP 15 – 20 cm LiDAR ALS 50
Abbildung 2: Streuung in relativen Häufigkeiten in [%] über den Abstand zur ausgleichenden Ebene [-30cm, +30cm]