DE4210245C2 - Topografisches Aufnahmesystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein topografisches Aufnahmesystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 4.

Zur topografischen Erfassung der Erdoberfläche von einem Flugzeug oder einem Raumflugkörper aus sind zahlreiche Aufnahmesysteme be­ kannt, die anstatt mit der konventionellen, zentralperspektivischen Folgebildtechnik mit einer punktuellen Geländeabtastung mit hoher Punktgenauigkeit und Taktfrequenz arbeiten und aus dem von den ein­ zelnen Geländepunkten erhaltenen Informationssignalen im Wege einer zumeist digitalen Signalverarbeitung die Geländestruktur in dem überflogenen Gebiet errechnen.

So wird in dem Aufsatz "Methods and Results of High Precision Air­ borne Laser Profiling", J. Lindenberger, Proceedings, der 43. foto­ grammetrischen Woche, Stuttgart, 1991, eine Laser-Profilmessung be­ schrieben, bei der von einem Flugzeug aus die Distanzen zu in Flug­ richtung aufeinanderfolgenden Geländemeßpunkten mittels eines Laser- Entfernungsmessers mit einer Taktrate von 33 Hz gemessen und die zur Koordinatenberechnung der Geländemeßpunkte benötigten Flugorientie­ rungsdaten in allen sechs Freiheitsgraden, also sowohl die drei Flugpositions- als auch die drei Flugneigungsparameter, in ihrem zeitlichen Verlauf bezüglich eines erdfesten Bezugssystems direkt durch externe Hilfsmittel, nämlich ein globales Ortungssystem (GPS) und eine inertiale Navigationsplattform (INS), kontinuierlich be­ stimmt werden, wobei sich auf diese Weise nicht nur das Gelände-Hö­ henprofil längs der Flugbahn, sondern in Waldgebieten auch die Be­ wuchshöhe ermitteln läßt. Zur Kontrolle und Auswertung müssen die so gewonnen Höhenprofildaten nachträglich kartografisch korreliert werden. In einem weiteren Aufsatz des gleichen Autors in den Proceedings der 42. fotogrammetrischen Woche, Stuttgart 1989, wird im gleichen Zusammenhang auch der Einsatz von Video- oder Digitalkameras empfohlen. Dabei handelt es sich aber im Gegensatz zum AG um Flächenkameras.

Mit einer ebenfalls punktuellen Geländeabtastung von einem Flugkör­ per aus, allerdings auf der Basis einer grundlegend anderen Bau- und Funktionsweise, arbeiten auch die aus der DE-29 40 871 C2 bekannten Aufnahmesysteme der eingangs genannten Art, die eine Mehrzeilenkame­ ra (continous-strip-camera) mit zumeist drei Detektorzeilen enthalten, welche jeweils aus ei­ ner Vielzahl einzelner, synchron ausgelesener Detektorelemente zu­ sammengesetzt sind und den überflogenen Geländestreifen quer zur Flugrichtung zeilenweise mit einer hohen Taktrate von etwa 200 Hz aufnehmen. Durch Aufsuchen homologer Bildpunkte in einer nachgeord­ neten Signalverarbeitungsstufe ist es so möglich, aus den Bildsigna­ len die zur Auswertung erforderlichen Flugorientierungsdaten in al­ len sechs Freiheitsgraden zu berechnen und stereoskopische Bild­ streifen bzw. ein dreidimensionales Modell des überflogenen Geländes in digitalisierter Form zu erstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein topografisches Aufnahmesystem der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine schnellere und effektivere Datenauswertung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 bzw. 4 gekennzeichnete Aufnahmesystem gelöst.

Bei dem erfindungsgemaßen Aufnahmesystem ergibt sich durch die gleichzeitige duale Geländeabtastung mittels einer Zeilenkamera ei­ nerseits und eines Entfernungssensors andererseits, vor allem aber durch die beanspruchte Verknüpfung der Bild- und der Entfernungsmeß­ signale in einer gemeinsamen Signalverarbeitungsstufe der besondere Effekt, daß der zum Auffinden homologer Bildpunkte der Mehrzeilenka­ mera erforderliche Suchvorgang durch die Einbeziehung der zugeordne­ ten Entfernungsmeßwerte wesentlich vereinfacht wird und dadurch die Bildsignalauswertung mit erheblich geringerem Rechenaufwand und Feh­ lerrisiko abläuft. Andererseits wird auch die Auswertung der Entfer­ nungsmeßwerte durch die zeit- und ortsgleiche Zeilenabtastung des Geländes gemäß der zweiten Variante der Erfindung in der Weise un­ terstützt, daß der Verlauf der Entfernungsmeßpunkte in der gemeinsa­ men Signalverarbeitungsstufe unmittelbar und mit hoher Genauigkeit dem aus den Bildsignalen der Zeilenkamera abgeleiteten Bildstreifen zugeordnet wird und hierzu weitere Orientierungshilfen, etwa die je­ weiligen Flugorientierungsdaten, wenn auch bevorzugt, so doch nicht unbedingt erforderlich sind, wodurch eine äußerst einfache und ef­ fektive, geländebezogene Auswertung und Kontrolle der Entfernungs­ meßdaten ermöglicht wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung sind gemäß An­ spruch 2 die Mehrzeilenkamera, und zwar nach Anspruch 3 vorzugsweise deren mittlere Detektorzeile, und der Entfernungssensor auf eine zeitlich und örtlich übereinstimmende Geländeabtastung eingestellt. Hierdurch wird der Rechenaufwand zum Aufsuchen homologer Bildpunkte der Mehrzeilenkamera weiter verringert und eine meßgünstige, zur Flugrichtung etwa senkrechte Achsausrichtung des Entfernungssensors erreicht.

Aus Gründen einer dichten Meßpunktfolge hoher Punktgenauigkeit ist der Entfernungssensor gemäß Anspruch 5 zweckmäßigerweise als Laser- Entfernungsmesser mit einer großen Meßtaktrate etwa von 1 KHz oder mehr ausgebildet.

In weiterer, besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung be­ sitzt der Entfernungssensor mehrere, über die Abtastbreite der Zei­ lenkamera verteilte Meßpunkte, so daß beim Überfliegen des Geländes mehrere, in Flugrichtung parallel zueinander verlaufende Entfer­ nungsmeßspuren erhalten werden. In diesem Fall sind in besonders zweckmäßiger Weise nach Anspruch 7 die Meßpunkte des Entfernungssen­ sors im wesentlichen gleichförmig in und quer zur Flugrichtung ver­ teilt. Hierdurch wird das Aufsuchen homologer Bildpunkte durch die Einbeziehung der Entfernungsmessung noch wirkungsvoller unterstützt. Um die Anzahl der Meßspuren des Entfernungssensors ohne Verringerung des Meßpunktabstandes in Flugrichtung auf einfache Weise zu erhöhen und dadurch trotz der vergleichsweise niedrigeren Meßtaktrate eine dichte Flächenverteilung der Geländemeßpunkte des Entfernungssensors zu erzielen, empfiehlt es sich schließlich gemäß Anspruch 8, daß der Entfernungssensor aus mehreren simultan arbeitenden Einzelsensoren aufgebaut ist.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels in Ver­ bindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des dualen Aufnahmesystems nach der Erfindung beim Abtasten eines Geländestreifens von einem Flugzeug aus;

Fig. 2 die Detektorzeilenanordnung der Bildkame­ ra und den Entfernungssensor sowie die diesen gemeinsam zugeordnete Signalverar­ beitungsstufe; und

Fig. 3 die fortschreitende Geländeabtastung mit­ tels der Detektorzeilen und des Entfer­ nungssensors.

Gemäß Fig. 1 wird das Gelände 2 von einem Flugzeug 4 aus durch ein duales, topografisches Aufnahmesystem 6 abgetastet, welches eine Dreizeilenkamera 8 und einen Laser-Entfernungssensor 10 enthält. Die Dreizeilenkamera 8 ist von üblicher Bauart; ihre Detektorzeilen 12A, B und C (Fig. 2), die mit einer Taktrate von etwa 200 Hz abge­ tastet werden und jeweils aus z. B. 1200 synchron ausgelesenen Ein­ zelelementen bestehen, sind in der Bildebene des Kammeraobjektivs quer zur Flugzeug-Längsrichtung so angeordnet, daß die Abtastebene B der mittleren Detektorzeile 12B senkrecht nach unten und die Ab­ tastebenen A und C der Detektorzeilen 12A, 12C in Flugrichtung schräg nach vorn bzw. hinten gerichtet sind. Während des Fluges wird das Gelände 2 in einer dem Öffnungswinkel der Kameraoptik entspre­ chenden Streifenbreite zeilenweise abgetastet, wobei die von den Einzelelementen der Detektorzeilen 12 erzeugten Bildsignale digita­ lisiert und über Zwischenspeicher 14 einer Signalverarbeitungsstufe 16 zugeführt werden. Die in Flugrichtung F fortschreitende, zeilen­ weise Geländeabtastung in den Abtastebenen A, B und C ist in Fig. 3 veranschaulicht.

Aus den Bildsignalen wird in der Verarbeitungsstufe 16 durch Aufsu­ chen homologer Bildpunkte die Flugorientierung bezüglich eines ge­ ländefesten Bezugssystems in allen sechs Freiheitsgraden (drei Orts­ koordinaten und drei Drehlagenparameter) mit hoher Genauigkeit in enger zeitlicher Folge errechnet und ein räumliches digitalisiertes Modell des überflogenen Geländestreifens bzw. ein stereoskopischer Bildstreifen hoher Auflösungsgüte erstellt.

Die Korrelation homologer Bildpunkte erfordert jedoch einen sehr hohen Rechenaufwand. Aus diesem Grund werden die Meßsignale des La­ ser-Entfernungssensors 10, der mit einer möglichst hohen Meßtaktrate von etwa 1-2 Hz arbeitet, auf dem Weg über einen Zwischenspeicher 18 in digitalisierter Form ebenfalls der Verarbeitungsstufe 16 ein­ gegeben und dort in den Suchalgorithmus zum Auffinden homologer Bildpunkte einbezogen, wodurch der zur Auswertung der Dreizeilenbil­ der erforderliche Zeit- und Rechenaufwand ganz erheblich reduziert wird.

Um eine einfache gegenseitige Zuordnung einander entsprechender Entfernungsmeß- und Bildsignale zu gewährleisten, ist der Entfer­ nungssensor 10 auf eine mit der mittleren Detektorzeile 12B der Dreizeilenkamera 8 im wesentlichen orts- und zeitgleiche Geländeab­ tastung eingestellt, wie dies in Fig. 1 durch die Lage des Gelände­ meßpunktes P auf der mittleren Abtastzeile Z angedeutet ist.

Um eine flächige Verteilung der Geländemeßpunkte P zu erhalten, wird der Meßstrahl des Entfernungssensors 10 - etwa mit Hilfe eines nicht gezeigten Ablenkspiegels - wechselweise zwischen mehreren, in Flug­ richtung parallel zueinander verlaufenden Geländemeßspuren umge­ schaltet und/oder der Sensor 10 ist aus mehreren, synchron arbeiten­ den, jeweils unterschiedlichen Bildpixeln der mittleren Detektorzei­ le 12B zugeordneten Einzelsensoren zusammengesetzt, so daß sich ei­ ne in und quer zur Flugrichtung gleichförmig dichte Flächenvertei­ lung der Entfernungsmeßpunkte P innerhalb des aus den Bildsignalen der Zeilenkamera 8 abgeleiteten Bildstreifens 20 (Fig. 3) ergibt. Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abwandlungen möglich. So kann das beschriebene duale Aufnahmesystem durch äußere Orientie­ rungshilfen, z. B. das eingangs erwähnte GPS- und INS-System, ergänzt und anstelle der bevorzugten Mehrzeilen- auch eine einzeilige opti­ sche Geländeabtastung verwendet werden.

Claims (8)

1. Topografisches Aufnahmesystem für einen Flugkörper zur Gelände­ abtastung, mit einer Zeilenkamera, bestehend aus mehreren, in der Kamera-Bildebene quer zur Flugrichtung orientierten Detek­ torzeilen, deren Abtastebenen geneigt zueinander verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenkamera (8) einen simultan zu dieser das Gelände ab­ tastenden Entfernungssensor (10) hoher Punktgenauigkeit mit bezüglich der Abtastebenen (A, B, C) der Zeilenkamera orien­ tierter Sensorachse aufweist und eine der Zeilenkamera und dem Entfernungssensor gemeinsam nachgeschaltete Signalverarbei­ tungsstufe (16) zum Auffinden homologer Bildpunkte nach Maßgabe der zeitlich und örtlich zugeordneten Meßsignale des Entfer­ nungssensors (10) vorgesehen ist.

2. Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsorientierung und die Taktfolge des Entfernungssensors (10) auf eine mit einer der Detektorzeilen (12) übereinstim­ mende Geländepunktabtastung eingestellt sind.

3. Aufnahmesystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Geländepunktabtastung des Entfernungssensors (10) mit der mittleren Detektorzeile (12B) der Zeilenkamera (8) überein­ stimmt.

4. Topografisches Aufnahmesystem für einen Flugkörper zur Gelän­ deabtastung, mit einer Zeilenkamera mit mindestens einer quer zur Flugrichtung in der Bildebene der Zeilenkamera angeordneten Detektorzeile, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeilenkamera (8) ein Entfernungssensor (10) hoher Punktge­ nauigkeit zugeordnet ist und Zeilenkamera und Entfernungssensor auf eine im wesentlichen orts- und zeitgleiche Geländeabtastung eingestellt und an eine gemeinsame, die Meßsignale des Entfer­ nungssensors dem aus den Bildsignalen der Zeilenkamera abgelei­ teten Geländebildstreifen (20) zuordnende Signalverarbeitungs­ stufe (16) angeschlossen sind.

5. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungssensor (10) ein Laser-Entfernungsmesser mit ho­ her Meßtaktrate ist.

6. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungssensor (10) mehrere, quer zur Flugrichtung über die Bildzeilenbreite der Zeilenkamera (8) verteilte Meßpunkte (P) besitzt.

7. Aufnahmesystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßpunkte (P) des Entfernungssensors (10) in und quer zur Flugrichtung (F) im wesentlichen gleichförmig verteilt sind.

8. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungssensor (10) aus mehreren, in Bildzeilenrichtung der Zeilenkamera (8) verteilten, simultan arbeitenden Einzel­ sensoren besteht.