DE4428055A1

DE4428055A1 - Anordnung und Verfahren zur optoelektronischen photogrammetrischen Bild- und Meßdatengewinnung

Info

Publication number: DE4428055A1
Application number: DE4428055A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Ing Claus
Original assignee: INNOTECH HOLZTECHNOLOGIEN GmbH
Current assignee: INNOTECH HOLZTECHNOLOGIEN GMBH, 12589 BERLIN, DE
Priority date: 1994-07-29
Filing date: 1994-07-29
Publication date: 1996-02-01

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der photogrammetrischen Erfassung und Verarbeitung bildlicher oder thermografischer Projektionen des dreidimensionalen Raumes.

Die photogrammetrische Abbildung räumlicher Szenen erfolgt nach dem allgemeinen technischen Stand durch den Einsatz spezieller Meßkammern, die eine photographische Abbildung der aufzuzeichnenden Umgebung mit Hilfe eines weitwinkligen und verzerrungs armen Meßobjektives auf eine ebene Abbildungsfläche projizieren. Insbesondere bei der terrestrischen Meßbildgewinnung werden zur trigonometrischen Lagebestimmung der Aufnahmekammern herkömmliche Vermessungsmethoden angewandt, die durch spezielle Kombinationsgeräte - sogenannte Phototheodoliten - unterstützt werden. Bereits während der Aufnahme ist darauf zu achten, daß die Hauptachse der Meßkammer eine bestimmte Lage einnimmt und alle wichtigen Bilddetails im aufgenommenen Bildausschnitt enthalten sind. Dies gilt vor allem auch für die Stereo- und Einschneidephotogrammetrie, wo die Meßdaten mit Hilfe der geometrischen Triangulation aus den von verschiedenen Standorten erhaltenen Bilddaten gewonnen werden. Die erhaltenen ebenen Abbildungen werden zum gegenwärtigen technischen Stand photochemisch verarbeitet und anschließend mit Hilfe eines Scanners in ein Rechnersystem eingelesen, in dem die numerische Verarbeitung und Meßdatengewinnung stattfindet.

Dieser derzeitigen Vorgehensweise haften folgende Nachteile an:

1. Die verwendeten Objektive verursachen, abhängig vom Ort in der Projektionsebene, eine mehr oder minder große geometrische Verzeichnung, einen vom Einfallswinkel abhängigen Helligkeitsverlust, sowie eine Beschränkung des Bildwinkels auf unter 180 Grad.
2. Abweichungen zwischen der Hauptachse der Aufnahmekammer und dem Objektnadir führen stets zur Notwendigkeit der rechnerischen Korrektur des Verschwenkungswinkels mittels einer Drehmatrix.
3. Alle photografischen Verfahren beeinträchtigen die Meßgenauigkeit durch den erforderlichen Wechsel des Aufnahmemediums. Die latenten Abbildungen müssen vor ihrer Auswertung einen photochemischen Entwicklungsprozeß durchlaufen, bei dem es zu weiteren Maßverfälschungen kommt.
4. Vor einer Weiterverarbeitung mit Hilfe elektronischer Datenverarbeitung müssen die Bildinformationen auf geeignete Weise gewandelt werden.
5. In den photogrammetrischen Bildern sind keine Informationen über weitere Aufnahmestandorte enthalten.

Für den Einsatz optoelektronischer Sensoren im Zusammenhang mit photogrammetrischen Aufnahmen gilt allgemein zum derzeitigen technischen Stand, daß die erreichbare Bildauf lösung flächig aufgebauter Bildsensoren unzureichend ist. Um solche Sensoren dennoch einsetzen zu können, sind beispielsweise aus DE-OS 38 11 837 oder EP 0 512 403 A2 Verfahren und Anordnungen bekannt, die die wirksame Auflösung durch mehrfache Aufnahme nach jeweiliger Lageveränderung des Sensors erhöhen. In der DE-OS 36 28 460 wird ein Zeilensensor eingesetzt, dessen lineare Auflösbarkeit naturgemäß viel höher als die lineare Auflösung eines Flächensensors ist, und mittels rotierenden Polygonprismas eine Bildab lenkung erreicht. Alle diese Anordnungen lösen jedoch nicht das Problem der Aufnahme auf einer ebenen Fläche mit ihren beschriebenen Nachteilen.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem besteht darin, photoelektrische Abbildungen in einem unbegrenzten Horizontalwinkelbereich bei großer Genauigkeit der reproduzierbaren Winkelzuordnungen, geringer Abbildungsunschärfe und gleichbleibenden Abbildungs bedingungen für jeden beliebigen Aufnahmewinkel zu erreichen und dabei gleichzeitig gute Bedingungen für eine Weiterverarbeitung mit den Mitteln der elektronischen Datenverar beitung zu schaffen. Besondere Anforderungen werden an die Reproduzierbarkeit der gewonnenen geometrischen Zuordnungen gestellt, die eine vollwertige Anwendung auf dem Gebiet der Photogrammetrie erlauben. Das photogrammetrische Aufnahmeverfahren soll gegenüber herkömmlichen Verfahren in seiner Anwendung vereinfacht werden.

Das Problem wird durch die in den Ansprüchen 1 und 6 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Anordnung besteht aus einer Zeilenkamera bekannter Bauart, die mit einem Antrieb so verbunden ist, daß die Zeilenkamera um eine Drehachse unter definierbaren Winkelschritten gedreht werden kann.

Die Anordnung der Drehachse ist vorzugsweise so gewählt, daß sie die optische Achse der Zeilenkamera senkrecht schneidet und parallel zur linearen Ausdehnung der Sensorzeile der Kamera verläuft.

Der Antrieb und die Zeilenkamera sind an einen Steuerrechner angeschlossen.

Zur multispektralen Datenerfassung, beispielsweise für die Farbbildverarbeitung, kann diese Anordnung wahlweise um folgende Einrichtungen erweitert werden:

1) Einsatz einer multispektralen Sensorzeile beliebiger Bauart anstelle der im allgemeinen monochromatischen oder panchromatischen Sensorzeile;
2) Anbringung eines umschaltbaren Spektralfiltersystemes im Strahlengang der Kamera, beispielsweise in Form eines drehbaren Filterrevolvers oder eines verschiebbaren Filterträgers;
3) Anbringung eines vom Spektralbereich abhängigen Strahlenteilers, beispielsweise eines Lichtteilerprismas oder -spiegels, im Strahlengang der Kamera und Verwendung wenigstens zweier Sensorzeilen zur Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche.

Zur Aufnahme unter erschwerten Lichtbedingungen kann die Anordnung auf ihrem beweg lichen Teil weiterhin Lichtquellen tragen, die in die jeweilige Aufnahmerichtung ausgerichtet sind und entweder dauernd oder unterbrochen, zum Beispiel als Lichtblitzlampen betrieben werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Zeilenkamera in einer erfindungsgemäßen Anordnung um vorgegebene Winkelschritte gedreht, während gleichzeitig die zugehörigen Belichtungsdaten der Zeilenkamera übertragen und gespeichert werden. Die so gespeicherten Daten stellen ein adäquates Abbild einer zylindrischen Projektion der aufgenommenen Szene auf ein im Beobachtungspunkt befindliches Projektionszentrum dar, das nach den Regeln der geometrischen Projektion mit algorithmischen Mitteln weiterverarbeitet wird.

Für photogrammetrische Vermessungen kann dabei auf die vorherige trigonometrische Vermessung der Aufnahmestandorte verzichtet werden, weil die Aufnahmeanordnung keine horizontale Vorzugsrichtung in Form der Kammer-Hauptachse aufweist. Die photogram metrische Auswertung vereinfacht sich gegenüber bekannten Verfahren dadurch, daß Objektivverzeichnungen und -astigmatismen nur noch eindimensional in vertikaler Richtung wirksam werden und somit leicht zu korrigieren sind.

Zur äußeren Orientierung der Meßkammer ist die Kenntnis des Objektnadirs und des Abstandes zur Objektebene erforderlich. Um diese Daten zu gewinnen, kann das Verfahren je nach Aufnahmesituation wahlweise um folgende Schritte erweitert werden:

1) Zwei vertikale Paßstrecken befinden sich so in der Objektebene, daß sie bei der Aufnahme mit abgebildet werden. Durch geometrische Umformung werden Nadirwinkel und Abstand der Objektebene aus den Positionswinkeln der Paßstrecken errechnet.
2) Zwei horizontale Paßstrecken befinden sich so in der Objektebene, daß sie bei der Auf nahme mit abgebildet werden. Durch geometrische Umformung werden Nadirwinkel und Abstand der Objektebene aus den Positionswinkeln der Paßstrecken errechnet.
3) Senkrecht zur Objektebene befindet sich ein Peillot, in dessen geradliniger Verlängerung der Aufnahmestandort gewählt wird. Der Nadirwinkel ist mit der Richtung des Peillotes identisch. Der Abstand der Objektebene wird aus dem bekannten Abstand zwischen dem Peillot und einem Paßpunkt in der Ebene errechnet.
4) Die Aufnahme erfolgt aus zwei voneinander verschiedenen Aufnahmestandorten, zwischen denen freie Sicht besteht. Während der Aufnahme aus einem Standort wird eine vertikale Paßstrecke im zweiten Standort mit aufgezeichnet, die bei der Auswertung zur Ermittlung des Basisabstandes dient. Alle Bildpunkte werden danach analytisch durch geometrische Triangulation zwischen beiden Bildern vermessen.

Anhand eines Ausführungsbeispieles soll die Erfindung nachstehend erläutert werden.

Fig. 1 zeigt eine Anordnung in erfindungsgemäßer Ausführung, bei der eine Zeilenkamera, bestehend aus einem photographischen Objektiv 1 und einer CCD-Zeile 2 in einem lichtundurchlässigen Kameragehäuse 3, so auf der Welle eines schrittmotorgetriebenen Präzisionsantriebes 4 angebracht ist, daß sie von einem Steuerrechner 5 aus ohne Winkelbegrenzung drehbar ist, während dieser die Daten der CCD-Zeile für jeden Winkelschritt speichert und in naheliegender Weise zu einem Abbild der Umgebung zusammensetzt.

Fig. 2 erläutert das Verfahren der photogrammetrischen Parameterbestimmung anhand eines Beispieles mit zwei vertikalen Paßstrecken. O(X_O, Y_O) sei der Standort der Drehachse des Aufnahmesystems in erfindungsgemäßer Ausführung.

P₁, P₂ und P₃ seien natürliche oder künstliche Paßpunkte in einer zu photogrammetrierenden Ebene y=Y₁ mit bekannten Abständen entlang der Richtung x.

Der Nadirpunkt N für den gewählten Aufnahmestandort O ist unbekannt. Anhand der photogrammetrischen Aufnahme werden die dargestellten Winkel α₁, α₂ und α₃ gegenüber einer willkürlich festgelegten, durch den Aufnahmestandort O horizontal verlaufenden, Bezugsgeraden g bestimmt. Der Nadirwinkel α_N wird nun nach der analytischen Gleichung

berechnet, wonach der Abstand über

berechnet werden kann. Damit ist die äußere Orientierung der Aufnahmeanordnung bestimmt.

Fig. 3 erläutert das Verfahren der photogrammetrischen Parameterbestimmung anhand eines weiteren Beispieles mit zwei voneinander verschiedenen Aufnahmestandorten O₁ (X_O1, Y_O1) und O₂ (X_O2, Y_O2) mit Triangulation eines beliebigen Punktes P(X,Y). Zur Bestimmung des Basisabstandes wird die Abbildung Δz der im anderen Kammerstandort aufsitzenden Paßstrecke ΔZ nach der Gleichung

ausgewertet, wobei c die Kammerkonstante ist. Die Berechnung der Abstände erfolgt danach über bekannte geometrische Gleichungen.

Claims

1. Anordnung zur optoelektronischen photogrammetrischen Bild- und Meßdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß als Aufnahmekammer eine Zeilenkamera verwendet wird, die aus einem Objektiv und einer Sensorzeile besteht und so auf einem Antrieb angebracht ist, daß diese in definierbaren Winkelschritten um eine Drehachse drehbar ist, und daß der Antrieb und die Zeilenkamera an einen Steuerrechner angeschlossen sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensorzeile eine multi spektrale Sensorzeile beliebiger Bauart zum Einsatz kommt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Kammer ein umschaltbares Spektralfiltersystem beispielsweise in Form eines drehbaren Filterrevolvers oder eines verschiebbaren Filterträgers angebracht ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der Kammer ein vom Spektralbereich abhängiger Strahlenteiler, beispielsweise ein Lichtteilerprisma oder -spiegel angebracht ist und wenigstens zwei Sensorzeilen zur Aufnahme unterschiedlicher Spektralbereiche vorhanden sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der angetriebene Teil zusätzliche Lichtquellen trägt, deren Vorzugsrichtung mit der Aufnahmerichtung überein stimmt und die kontinuierlich oder intermittierend Licht aussenden.

6. Verfahren zur optoelektronischen photogrammetrischen Bild- und Meßdatengewinnung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zeilenkamera in erfindungsgemäßer Anordnung um vorgegebene Winkelschritte gedreht wird, während gleichzeitig die zugehörigen Belichtungs daten der Zeilenkamera übertragen und gespeichert werden, wobei über die gemessene Winkelzugehörigkeit eine strenge Zuordnung der erhaltenen Belichtungsdaten erfolgt und das so erzeugte adäquate Abbild einer zylindrischen Projektion der aufgenommenen Szene nach den Regeln der geometrischen Projektion mit algorithmischen Mitteln weiterverarbeitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei trigonometrisch unbe stimmten Aufnahmepositionen eine Rekonstruktion der Aufnahmeposition aus den erhaltenen Abbildungen mit Hilfe abgebildeter Paßmarken oder Paßstrecken auf analytischem Weg erfolgt.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei vertikale Paßstrecken so in der Objektebene befinden, daß sie bei der Aufnahme mit abgebildet werden, wobei Nadirwinkel und Abstand der Objektebene aus den Positionswinkeln der Paßstrecken berechnet werden.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwei horizontale Paßstrecken so in der Objektebene befinden, daß sie bei der Aufnahme mit abgebildet werden, wobei Nadirwinkel und Abstand der Objektebene aus den Positionswinkeln der Paßstrecken berechnet werden.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich senkrecht zur Objektebene ein Peillot befindet, in dessen geradliniger Verlängerung der Aufnahme standort gewählt wird, wobei der Abstand der Objektebene aus dem bekannten Abstand zwischen Peillot und einem Paßpunkt in der Ebene berechnet wird.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme aus zwei voneinander verschiedenen Aufnahmestandorten erfolgt, zwischen denen freie Sicht besteht, daß während der Aufnahme aus einem Standort eine vertikale Paßstrecke im zweiten Standort mit aufgezeichnet wird, die bei der Auswertung zur Ermittlung des Basisabstandes dient, und daß anschließend alle Bildpunkte durch analytisch-geometrische Triangulation zwischen beiden Bildern vermessen werden.