Photogrammetrie GZ FS2010 - IGP

Photogrammetrie GZ FS2010
Orthobilder. Differentielle Entzerrung
Bild und Orthobild
Luftbild: Ermöglicht keine zuverlässigen
Distanzmessungen (Zentralprojektion)
Orthobild: Distanzmessung entspricht
einer Karte (Parallelprojektion)
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Bild und Orthobild
Luftbild: Lässt sich mit den Kartendaten
ohne Verschiebungen nicht überlagern
Bild und Orthobild
Terrestrisches Bild: Erstellung eines
Fotoplans der Fassade nicht möglich
Orthobild: Lässt sich geometrisch korrekt
mit den Kartendaten überlagern
Orthobild: Erlaubt Erstellung eines
architektonischen Fotoplans
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Bild und Orthobild
Bezugsebene
Bild: Eine zentralperspektivische
Projektion, im Allgemeinfall geneigt
Geometrie
Bezugsebene
Orthobild / Karte:
Eine orthogonale Abbildung
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Bild-Bezugsebene
Karte-Bezugsebene =
Orthobild-Bezugsebene
Bild und Orthobild
Lageversatz aufgrund Kameraneigung und Geländerelief
Orthobild: Ein in die Kartengeometrie korrigiertes Bild
Das Verfahren der Orthobilderstellung: Differenzielle Entzerrung
Orthobilderstellung
Lage-Versatz
Geometrie
Voraussetzung
• Korrektur der Einflüsse der Kameraneigung und des Geländereliefs
• Nötig für die Orthobildherstellung: Orientierungsparameter des Bildes und das
Geländemodell
O'
O
Orientierungsparameter des Bildes:
• X, Y, Z - Koordinaten des
Projektionszentrums O
• Ω, Φ, Κ - Rotationswinkel
• Innere Orientierung der Kamera (c, x p' , y p' )
c
Das Geländemodell:
• DTM (z.B. DHM25)
• oder DSM
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Z
Z
Y
Y
Orthobilderstellung Verfahren
X
H'
P'
P
Orthobilderstellung Verfahren
X
H'
P'
P
c
c
O
O
y'
y'
x'
x'
Bildpunkt P'(x',y')
O(X, Y, Z), Ω, Φ, Κ, c, x p' , y p'
Kollinearitätsgleichung
⇒ Gerade OP'
DTM
⇒ P(X, Y, Z) …
Schnittpunkberechnung
Orthobildpunkt P(X,Y)
Direkte Methode
Nachteil:
Im Orthobild entstehen
Lücken und das
Pixelraster muss
interpoliert werden
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Z
Y
Orthobilderstellung Verfahren
X
H'
Variante 1: Perspektive Pixeltransformation
Berechnung von P’:
P'
P
c
O
y'
x'
Indirekte Methode
Eleganter:
• Pixel im Orthobild
P(X,Y)
• DTM Interpolation
P(X,Y,Z)
• Kollinearitätsgleichung
P'(x',y')
• Grauwertinterpolation
im Originalbild
Kollinearitätsgleichungen aufgelöst nach den korrespondierenden Bildkoordinaten
der Orthobildpunkte. Jedes Pixel wird einzeln transformiert.
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Variante 2: Methode der Ankerpunkte
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Genauigkeit Lagegenauigkeit
• Gute Bedingungen: Weniger als 1 Pixel
• Orthobildauflösung ≈ bestenfalls Bildauflösung, oder grober
• Wichtige Fehlereinflüsse: DTM Fehler, Orientierungsparameter, Bildscannen
Orthobild mit einem DTM Orthobild mit (fehlerhaftem) DSM
Genauigkeit Nicht DTM Objekte
• Gebäude, Brücken, Bäume werden radial versetzt
• Reduktion der Fehler: Langbrennweitige Kamera, Beschränkung auf Nadirbereich (Zentralregion)
• Nachträgliche Korrektur ⇒ Das Ergebnis - "True Orthophoto"
Orthobild - Randregion
Nur Bodenelemente korrekt
True Orthophoto
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True Orthophoto - Überlagerung
mit Vektoren
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Radialer Versatz im Luftbild (Δρ) und im Orthobild (Δr)
Genauigkeitsabschätzung
Beispiel:
Kamerakonstante c : 15cm
Flughöhe h : 4500m
�Bildmassstab:1:30000
Pixelgrösse: 10µm
Punkt liegt am Bildrand (r=11.5cm)
Fehler im Höhenmodell: 1m
fehlerfreies DHM
fehlerhaftes DHM
c
h
=
r
R
r
ΔR
= ⋅
c
c
h
r
( h − h )
0.
115m
ΔR
= ⋅
0.
15m
2
1
Bildebene
( 4501−
4500)
≈ 0.
77m
∆R
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Voraussetzungen:
True Orthophoto Herstellung
• Ein genaues DSM (Gebäude z.B. als CAD-Modell),
• mehrfache Bildüberdeckung und eine
• geeignete Software
Image acquisition
-aerial images
Image registration
Registered images
Pixel-to-image assignment with visibility analysis
-For every source image separately with following mosaicking or
-All source images together incl. filling of occluded areas
Optimisation of the True-Orthophoto:
-Global grey-value adjustment
-Detection and elimination of shadowed areas
-Blending from one texture source to another to eliminate:
oRadiometric differences
oRegistration errors
DSM generation
-from images manually or automatically
-other systems e.g. laserscanner, radar
Preliminary True-Orthophoto
Final True-Orthophoto
From image acquisition to the final True-Orthophoto
DSM
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Aerial image
P’
P
Q
Q’
DTM
Orthophoto
Problems in urban areas:
DEM without man-made objects
Aerial image
S’
S
U
U’
Problems in urban areas:
Double mapping
Lidar DTM Lidar DSM
T’
T
DSM
Orthophoto
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Orthophoto generated using Lidar DTM Orthophoto generated using Lidar DSM
Mosaikierung
• Mosaikierung:
Zusammensetzung mehrerer Orthobilder
• Voraussetzung:
Ein einheitliches Koordinatensystem
• Fehler bei der Mosaikierung: Geometrisch
und radiometrisch
• Radiometrische Korrektur: Equalisierung im
Überlappungsregionen
Ursprüngliche benachbarte Luftbilder
(radiometrisch deutlich unterschiedlich)
Rechteck-Ausgleich (automatisch)
Rechteck-Ausgleich (automatisch)
Polygon-Ausgleich (manuell - "seamlines")
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Mosaikierung
Mosaic Color Balancing
• Beseitigung von Helligkeitsunterschieden vor der Mosaikierung
• Helligkeitsunterschiede werden durch Flächen beschrieben
(parabolisch, eben, konisch oder exponentiell)
Image Dodging
• Helligkeitsunterschiede werden hier (LPS) lokal bearbeitet
• Zu dunkle Gebiete werden aufgehellt, helle Gebiete werden abgedunkelt
• Ergebnis ist ein homogener erscheinendes Bild
Histogram Matching
• Anpassung der Histogramme zweier Bilder aneinander
Implementierung
• Orthobildgenerierung: Eines der meist automatisierten Verfahren in der
Photogrammetrie
• Verfügbar in allen Digitalen Photogrammetrischen Stationen
(True Orthophoto (noch) nicht überall vorhanden!)
1. Projektdefinition und Einstellungen
(Parameter wie Bildmassstab, gewünschte
Orthobildauflösung, DTM-Gitterweite usw.)
2. Kameradefinition
(Kammerkonstante c, Hauptpunktkoordinaten x H und y H ,
Verzeichnung)
3. Bild- und DTM-Import
4. Messung der Rahmenmarken
5. Import bzw. Eintragen der Orientierungsparameter
für jedes Bild (X, Y, Z, Ω, Φ, Κ)
6. Berechnung eines Orthobildes bzw. Mosaik
7. Kontrolle bzw. manuelle Definition der "seamlines" und
Radiometrie, ggf. Neuberechnung
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Anwendungen
• Textur für photorealistische 3D-Modelle
DTM Orthobild
Anwendungen
• Orthobildkarten (aktuell, grosser Informationsinhalt, Nutzung der
Satellitenbilder, Internetanwendungen, GIS)
Visualisierungsprodukte
Beispiele:
• map.search.ch
• Google Earth
• Microsoft Virtual Earth
• NASA World Wind
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Anwendungen
• Planungsgrundlage, Fotoplan einer Fassade
Monoplotting
• Messung von 3D-Koordinaten mit Hilfe eines Einzelbildes und DTM
• Voraussetzung: Orientierung des Einzelbildes und DTM gegeben
• manuelle oder halbautomatische Messung der Objekte im Bild (x,y)
• Online-Berechnung der Objektkoordinaten (X,Y,Z)
• Es können das ursprüngliche Bild oder das Orthobild verwendet werden
Quelle:
Architekturwettbewerb der
Stadt Zürich
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a) Kombination ursprüngliches Bild und DTM b) Kombination Orthobild und DTM
Extraktion der Höhe aus dem DTM: Z j = a 0 + a 1 X j + a 2 Y j + a 3 X j Y j
Im Fall des Orthobildes
muss nur die Höhe aus
dem DTM extrahiert
werden, da X i und Y i
bereits implizit im
Orthobild vorliegen.
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Wird das ursprüngliche Bild verwendet, so muss der Projektionsstrahl OP i analytisch mit
dem DTM geschnitten werden. Hierzu wird das DTM lokal durch eine analytische Funktion
(z.B. Polynom) modelliert. Abhängig von der Qualität der Näherungswerte muss ggf. iteriert
werden.
Weitere Möglichkeit: Iteration im diskreten DTM
Graphische Darstellung Rechenablauf
Stereoorthophoto
Vorteile von Stereoorthophotos:
• Schnelle, einfache Betrachtung und Auswertung (keine y-Parallaxen)
• Kartographische Generalisierung wird ermöglicht, da Auswertung und Raummodell
gleichzeitig sichtbar sind
• Kombination Raummodell – Höhenlinien
• Enge Verbindung Topographie - Kartographie
• Einführung einer künstlichen Parallaxe � Stereoeindruck
• Stereomate entsteht durch schräge Parallelprojektion des Geländes
• Implementiert z.B. in der digitalen Station SocetSet (BAE Systems)
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Parallaxenfunktion:
Am besten verwendet man nicht das gleiche Luftbild wie zur Berechnung des Orthophotos,
sondern ein benachbartes, um Parallaxen für nicht im DTM enthaltene Objekte
(Gebäude, Vegetation…) zu erhalten.
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