DE4213281C2 - Topographisches Aufnahmesystem - Google Patents

Description

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

Bei bekannten Aufnahmesystemen dieser Art (DE-PS 29 40 871; EP-00 37 530 A2), bei denen die Mehrzeilenkamera mindestens drei, in Flugrichtung gleichförmig verteilte Abtastzeilen in zueinander pa­ ralleler Anordnung besitzt, wird jeder Geländepunkt innerhalb des überflogenen Geländestreifens mehrfach aus jeweils unterschiedlichen Flugpositionen, die voneinander um ein von dem Konvergenzwinkel der Abtastebenen abhängiges, sogenanntes Basisintervall entfernt sind, aufgenommen, wobei in jeder dieser Flugpositionen weitere, jeweils auf den anderen Abtastebenen gelegene Geländepunkte erfaßt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine Folge von diskreten Stützstellen im Abstand des Basisintervalls, an denen sich die Flugposition in allen sechs Freiheitsgraden (drei Ortskoordina­ ten und drei Drehlagenparameter) exakt errechnen und die jeweils aufgenommenen Mehrzeilenbilder aneinanderorientieren und dadurch stereoskopisch auswerten lassen, wenn nur wenige Paßpunkte mit bekannten Orientierungsparametern vorliegen. Aus Genauigkeitsgründen muß jedoch der Stützstellenab­ stand um ein Vielfaches kleiner als das Basisintervall gewählt wer­ den, so daß zusätzlich dazwischenliegende Stützstellen mit hieraus jeweils über die Konvergenzbeziehung abgeleiteten, nicht miteinander verknüpften Stützstellenfolgen benötigt werden und für jede dieser Folgen weitere Paßpunkte oder andere, externe Orientierungsdaten, etwa Flugpositionsschätzungen oder -messungen vorliegen müssen, was dazu führt, daß derartige Aufnahmesysteme zur Vermeidung von Stabi­ litätsproblemen im Auswertealgorithmus einen Startvorlauf mit exter­ nen Orientierungsdaten über die Länge eines Basisintervalls erfor­ dern, bevor sie mit der automatischen Stereoauswertung beginnen können.

Um die Bildsignalauswertung ohne aufwendige, externe Orientierungs­ hilfen zu stabilisieren, ist deshalb nach der DE-OS 30 43 577 vor­ geschlagen worden, mindestens eine der Abtastzeilen in der Kamera­ bildebene schräg geneigt zu den anderen Abtastzeilen anzuordnen der­ art, daß sich die von dieser Abtastzeile erzeugten Bildzeilen des Geländes mit den durch die anderen Abtastzeilen erzeugten Bildzeilen des gleichen Geländes schneiden, wodurch eine praktisch beliebig dichte Folge von unmittelbar oder mittelbar über die Konvergenzbe­ ziehung miteinander verknüpften Stützstellen für die Signalauswer­ tung zur Verfügung steht. Nachteilig an einer derartigen Schrägstel­ lung der Abtastzeilen ist, daß verzerrte Zeilenbilder des Geländes entstehen, die für den Bildanschluß erst entzerrt werden müssen, und daß sich der Konvergenzwinkel über die Zeilenbreite soweit ändert, daß er zumindest stellenweise außerhalb der jeweils optimalen Kon­ vergenzwinkelgrenzen liegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Aufnahmesystem der eingangs ge­ nannten Art so auszubilden, daß ohne Schrägstellung der Abtastzeilen eine praktisch beliebig dichte Folge von miteinander verknüpften Stützstellen zu erzielen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 ge­ kennzeichnete Aufnahmesystem gelöst.

Aufgrund der besonderen Zeilengeometrie mit über die Zeilenbreite konstanten, von Abtastebene zu Abtastebene aber ungleichen Konver­ genzwinkeln wird erfindungsgemäß mit wenigen Vorwärts- und Rück­ wärtsschnitten der gegenseitige Abstand aufeinanderfolgender, über die Konvergenzbeziehung miteinander verkoppelter Stützstellen auf einen zur geometrischen Stabilisierung der Stereoauswertung er­ wünscht kleinen Bruchteil des Basisintervalls reduziert, ohne daß hierfür zwangsläufig eine Zeilenbildverzerrung in Kauf genommen werden muß, mit der Besonderheit, daß die Konvergenzwinkel unabhän­ gig voneinander derart unterschiedlich gewählt werden können, daß einerseits der Suchvorgang zum Auffinden homologer Bildpunkte be­ schleunigt und andererseits über die gesamte Bildstreifenbreite eine zur Ermittlung der Höhenstruktur des Geländes gleichbleibend günsti­ ge Parallaxe erzielt wird.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung stehen die Ab­ tastzeilenabstände gemäß Anspruch 2 zweckmäßigerweise im Verhältnis großer ganzer Zahlen, und gemäß Anspruch 3 wird für das Abstandsver­ hältnis ein irrationaler Dezimalbruch, der gemäß Anspruch 4 zweck­ mäßigerweise einem Streckenverhältnis nach dem goldenen Schnitt ent­ spricht, besonders bevorzugt; durch eine diesen Abstandsverhältnis­ sen entsprechende Kalibrierung oder - bei abstandsveränderlicher An­ ordnung der Abtastzeilen - Einjustierung der Zeilenabstände läßt sich der Stützstellenabstand innerhalb breiter Grenzen je nach An­ wendungsfall auf einen praktisch beliebig geringen Wert voreinstel­ len und dadurch die Stabilität der automatischen Stereoauswertung weiter deutlich verbessern.

Um das Kamerabildfeld trotz der unsymmetrischen Verteilung der Ab­ tastzeilen voll auszunutzen, empfiehlt es sich gemäß Anspruch 5, die mittlere Abtastzeile derart versetzt zur optischen Kameraachse anzu­ ordnen, daß die beiden äußeren Abtastzeilen unter Berücksichtigung der ungleichförmigen Zeilenabstände gleich weit von der optischen Kameraachse entfernt am äußeren Bildfeldrand liegen.

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

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Aufnahmesystems nach der Erfindung beim Abtasten eines Geländestrei­ fens von einem Flugzeug aus;

Fig. 2 die geometrische Anordnung der Abtastzeilen und der zugeordneten Abtastebenen im Seitenriß;

Fig. 3 die Zeilenanordnung im Kamera-Bildfeld in der Aufsicht mit nachgeschalteter Signalverarbeitungsstufe; und

Fig. 4 die gegenseitige Stützpunktverkoppelung bei herkömmli­ chen Aufnahmesystemen mit gleichförmigem Zeilenabstand (linke Hälfte der Fig. 4) und beim erfindungsgemäßen Aufnahmesystem mit zueinander paralleler, aber un­ gleichförmiger Anordnung der Abtastzeilen (rechte Fi­ gurenhälfte).

Gemäß Fig. 1 wird das Gelände 2 von einem Flugzeug 4 aus durch ein topografisches Aufnahmesystem 6 abgetastet, welches eine Dreizeilen­ kamera 8 enthält, deren parallel zueinander quer zur Flugzeug-Längs­ richtung verlaufende Abtastzeilen 10A, B, C (Fig. 2), die mit ei­ ner Taktrate von etwa 200 Hz ausgelesen werden und jeweils aus z. B. 6000 synchron abgetasteten Einzelelementen bestehen, in der Bild­ ebene des Kamera-Objektivs 12 derart ungleichförmig verteilt ange­ ordnet sind, daß die von den zugeordneten Abtastebenen A, B und C jeweils gebildeten Konvergenzwinkel α und β bzw. Basisintervalle b₁ und b₂ unterschiedlich groß sind, wobei die Abstände a und b zwi­ schen benachbarten Abtastzeilen 10A und B bzw. 10B und C so vorge­ wählt sind, daß die entsprechenden Basisintervalle b₁ und b₂ zuein­ ander im Verhältnis großer ganzer Zahlen oder eines irrationalen Dezimalbruchs, insbesondere eines solchen nach dem goldenen Schnitt (0,618034 oder 0,381966), stehen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, liegen die beiden äußeren Abtastzei­ len 10A und 10C gleich weit entfernt von der optischen Achse Z der Dreizeilenkamera 8, so daß sich für die mittlere Abtastzeile 10B unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Zeilenabstände a und b eine außermittige, zur Kamera-Achse Z versetzte Anordnung ergibt. Auf diese Weise läßt sich das Bildfeld E der Kamera 8 voll ausnut­ zen. Die Bildsignale der Abtastzeilen 10 werden jeweils in digitali­ sierter Form über Zwischenspeicher 14 einer gemeinsamen Auswertestu­ fe 16 zugeführt, wo an aufeinanderfolgenden Stütz- oder Orientie­ rungsstellen auf dem Wege über eine Korrelation homologer Bildpunkte die jeweilige Flugposition errechnet und mittels Zeilenbildanschluß eine Stereoauswertung der Bildstreifen durchgeführt wird. Soweit die Stützstellen durch die Konvergenzbeziehung miteinander verkoppelt sind, läuft der Auswertealgorithmus automatisch ab, wenn die Abso­ lutorientierung der Zeilenkamera 8 nur an einer oder wenigen dieser Stützstellen, etwa mit Hilfe von Paßpunkten oder anderen externen Orientierungsdaten, bekannt ist.

Die Stützstellenverknüpfung bei einem herkömmlichen Aufnahmesystem mit gleich großen Konvergenzwinkeln und einem dementsprechenden Ba­ sisintervall b₁ ist in der linken Hälfte der Fig. 4 dargestellt. Wie ersichtlich, ist die Stütz- oder Orientierungsstelle O₁ bzw. die dieser über die Abtastebene B zugeordnete Flugposition P₁ durch die Konvergenzwinkelbeziehung unmittelbar mit der in Flugrichtung F vor­ ausliegenden Orientierungsstelle O₂ und der korrespondierenden Flug­ position P₂ verkoppelt, die ihrerseits durch die gleiche Konvergenz­ beziehung wiederum mit den Ausgangspositionen O₁ und P₁ verknüpft sind, d. h. ausgehend von der Orientierungsstelle O₁ entsteht sowohl durch räumliche Vorwärts- als auch durch räumliche Rückwärtsschnitte eine diskrete Folge von miteinander verkoppelten Orientierungspunk­ ten, deren gegenseitiger Abstand dem Basisintervall b₁ entspricht. Für dazwischenliegende Orientierungspositionen jedoch ist man, falls hierfür eine automatische Stereoauswertung ohne externe Orientie­ rungsdaten angestrebt wird, auf Schätzungen angewiesen, was zu ma­ thematischen Stabilitätsproblemen im Auswertealgorithmus führt.

Bei dem beschriebenen Aufnahmesystem hingegen ergibt sich aufgrund der besonderen Abstandsgeometrie der Abtastzeilen 10 eine praktisch beliebig dichte Folge von miteinander verknüpften Orientierungsstel­ len nach Maßgabe des gewählten Abstandsverhältnisses a:b bzw. b₁:b₂. So sind die Orientierungspositionen O₁, P₁ gemäß der rechten Hälfte der Fig. 4 im Schnitt über die vordere Zeile mit dem Konvergenzwin­ kel α direkt mit den Orientierungspositionen O₂ und P₂ gekoppelt und diese sind ihrerseits im Schnitt über die hintere Zeile mit dem Kon­ vergenzwinkel β mit den Zwischenpositionen O₃, P₃ verknüpft, aus de­ nen sich in einem weiteren Schnitt die Orientierungspositionen O₄, P₄ ergeben, die wiederum mit den Orientierungspositionen O₅ und P₅ verknüpft sind, u.s.f. Somit erhält man über wenige Rechenschrit­ te eine dicht verteilte Folge von miteinander verkoppelten Einzel­ bildern, deren gegenseitiger Abstand um ein Vielfaches kleiner als das Basisintervall b₁ bzw. b₂ ist. Durch eine entsprechende Vorein­ stellung des Abstandsverhältnisses der Abtastzeilen 10 läßt sich der Orientierungsbildabstand zwischen aufeinanderfolgenden Orientie­ rungspositionen in breiten Grenzen bis hin zu einem minimalen Bruch­ teil des Basisintervalls variieren.

Durch die beschriebene Anordnung der Abtastzeilen 10 wird die geome­ trische Stabilität der automatischen Stereoauswertung ganz beträcht­ lich verbessert, und es ergeben sich darüberhinaus weitere Vorteile:

• - Die Stereoauswertung der Bilddaten wird beschleunigt, da die Suchbereiche für homologe Bildpunkte kleiner sind, wenn zu­ erst zwischen den Bildstreifen mit dem kleineren Konvergenz­ winkel korreliert wird.
• - Die automatische Stereoauswertung liefert mehr erfolgreiche Zuordnungen, da die geometrischen Verzerrungen zwischen den Bildstreifen mit kleinerem Konvergenzwinkel geringer sind. Mit der Vorinformation aus dem kleineren Konvergenzpaar er­ höht sich die Wahrscheinlichkeit, geometrisch stark ver­ zerrte Punkte auch unter dem größeren Konvergenzwinkel zu identifizieren.
• - Ein gegebenenfalls mit dem Bildmaterial arbeitender menschli­ cher Auswerter kann zur Detailauswertung zwischen dem kleine­ ren Konvergenzwinkel für geometrisch stark strukturierte Ge­ biete und dem größeren Konvergenzwinkel für Gebiete mit wenig Höhenstruktur wählen.

Im Rahmen der Erfindung ist selbstverständlich auch eine Zeilenkame­ ra mit mehr als drei Abtastzeilen verwendbar, die derart ungleich­ förmig voneinander beabstandet sind, daß wiederum sämtliche, jeweils zwischen benachbarten Abtastebenen gebildeten Konvergenzwinkel un­ terschiedlich groß sind.

Claims (5)

1. Topografisches Aufnahmesystem für einen Flugkörper zur Gelände­ abtastung, mit einer Mehrzeilenkamera mit mindestens drei, in der Kamera- Bildebene quer zur Flugrichtung parallel orientierten Abtastzeilen, deren Abtastebenen zueinander konvergent verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastzeilen (10) in Flugrichtung (F) derart ungleichförmig verteilt angeordnet sind, daß die nacheinander jeweils von benachbarten Abtastebenen (A, B, und B, C) gebildeten Konvergenzwinkel (α, β) unterschiedlich groß sind und der Orientierungsbildabstand zwischen miteinander verknüpften Aufnahmepositionen (P₁ . . . P₁₀) um ein Vielfa­ ches kleiner als das kleinste Basisintervall (b₂) ist.

2. Aufnahmesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeilenabstände (a, b) zueinander im Verhältnis ganzer Zahlen stehen, von denen mindestens eine größer als 3 ist.

3. Aufnahmesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsverhältnis (b:a) der Abtastzeilen (10) einer irra­ tionalen Zahl entspricht.

4. Aufnahmesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsverhältnis (b:a) dem goldenen Schnitt entspricht.

5. Aufnahmesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Abtastzeilen (10A und C) symmetrisch, die dazwi­ schenliegende(n) Abtastzeile(n) (10B) hingegen entsprechend der ungleichförmigen Zeilenverteilung unsymmetrisch bzw. versetzt zur optischen Kamera-Achse (Z) angeordnet sind.