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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verwendung beim Vermessen zum
Zusammenstellen von digitalen Datein, die aus Koordinaten von Punkten in
dem Terrain und den entsprechenden Topographiepunktcodes, Liniencodes und
Ebenencodes bestehen, die von zumindest drei aufeinanderfolgenden
Stationspositionen (Fig. 2C) aufgenommen wurden, von detaillierten
dreidimensionalen Topographiedaten, wobei die Positionen nicht in Koordinaten bekannt
sein müssen, entweder photographisch oder elektronisch von jeder
Stationsposition eine Panoramaaufnahme von dem umgebenen Gebiet der
Stationsposition aufgenommen wird und jede Aufnahme (Fig. 6A) den gesamten
Horizont (360º = 400Gon) von dem Zenit bis zumindest 110º (120Gon) enthält
und der gegenseitige Abstand von zwei aufeinanderfolgenden
Stationspositionen so ist, daß jeder zu messende Punkt in dem Terrain auf zwei
aufeinanderfolgenden Aufnahmen vorhanden ist, so daß eine Reihe von Aufnahmen
erhalten werden und diese dann in einem nächsten Meßschritt, der die
Aufnahmen, ein Meßmittel und ein Berechnungsmittel benutzt, mit der lokalen
Horizontalebene verglichen wird.
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In den letzten paar Jahren gab es einen deutlichen Anstieg bei der Nachfrage
nach Landinformationen in städtischen Gebieten; Landinformationen sind als
sehr detaillierte topographische Informationen definiert, die ununterbrochen
kleine geographische Einheiten, wie z.B. Parzellen, Stücke, ein Abschnitt von
Straßen usw., betreffen und als Landinformationen sind auch Informationen
betreffend den detaillierten Einheiten selbst (Topographie unter anderen) und
thematische Informationen, die mit diesen Einheiten verbunden sind, definiert.
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Diese Informationen sind eine Notwendigkeit für eine Bevölkerungswohnungs-,
Gebäudepolitik, Stadterneuerungsprojekte, Vermessen von
versorgungswirtschaftlichen Einrichtungen, Immobilensteuer, räumliche Verwaltung (Straßen-,
Grünflächenverwaltung), Aufbau einer großen ziviltechnischen Fabrik, usw.
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Anwendungen von vorhandenen terrestischen Verfahren für diese so genannten
Detailvermessungen, wie z.B. Tachometrie, werden in vielen Städten aufgrund
des Ansteigens von Verkehr und geparkten Autos mehr und mehr schwierig.
Das bedeutet, daß ein eher aufwendiges Kontrollvermessen durchgeführt
werden muß, daß nach einer strikten Organisation verlangt. Jedesmal bei einer
Vermessung müssen Prismen an dem vorhergehenden und folgenden
Unterkontrollpunkt plaziert werden. Speziell in Situationen mit starkem Verkehr ist
dieser Teil der Detailvermessung ein unpraktischer Umstand. Weiterhin ist die
Detailvermessung selbst sehr arbeits- und zeitaufwendig, da an jedem zu
messenden Detailpunkt auch ein Ziel (Prisma) positioniert werden muß. Dies
erfordert ein großes Team von Vermessern, für die die Organisation der
Messung in dem Terrain ein wesentlicher Teil ist. Solche Messungen werden sehr
teuer, wenn das Team aufgrund von schlechten Wetterumständen inaktiv ist.
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Ein Verfahren wurde in der europaischen Patentanmeldung 0 290 678
beschrieben, wobei es mit diesem geodätischen Verfahren möglich ist, Koordinaten von
Punkten in dem Terrain oder von detaillierten Punkten unter Benutzung einer
photographischen Kamera, die Aufnahmen von dem umgebenden Gebiet von
einer Stationsposition so macht, daß der gesamte Horizont aufgenommen ist,
zu messen und zu berechnen. Die Aufnahmen werden von einer Anzahl von
aufeinanderfolgenden Stationspositionen durch Aufnehmen eines Bildes von
jeder Stationsposition von der Umgebung von dieser Stationsposition
aufgenommen. Dann werden unter Benutzung von Verarbeitungsinstrumenten und
einem Computerprogramm die Punkte in Koordinaten berechnet. Die
Koordinaten von jedem detaillierten Punkt werden durch Messen des Abstandes
zwischen den detaillierten Punkten auf jeder Aufnahme berechnet. Durch
derartiges Benutzen des in dieser europäischen Patentanmeldung beschriebenen
Verfahrens können die Koordinaten von jedem detaillierten Punkt gemessen
werden und unter Benutzung von Computerprogrammen können sie berechnet
werden. Wenn die Koordinaten in einem schon benutzten Koordinatensystem
bekannt sein sollten, dann sollten die Koordinaten von zwei Punkten in dem
Terrain bekannt sein, um alle Koordinaten zu einem bekannte
Koordinatensystem umzuwandeln.
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Das Ziel der Erfindung ist es unter Benutzung des Verfahrens, wie es in der
europäischen Patentanmeldung EP 0 290 678 beschrieben ist, mit welchem
Verfahren bessere Datenbanken erzeugt werden können und Informationen
schneller geliefert werden können, die sich erhöhende Nachfrage durch eine
Erhöhung der Automatisierung anzupassen. In der europäischen
Patentanmeldung EP 0 290 678 wird theoretisch beschrieben, wie es möglich wäre
Datenbanken mit Koordinaten von Punkten in dem Terrain zu erhalten. Das in diese
Patentanmeldung beschriebene Verfahren beschreibt wie diese Datenbanken
erzeugt werden und wie diese Datenbanken innerhalb einer kurzen Zeitdauer
erhalten werden.
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Dieses Ziel wurde entsprechend der Erfindung dadurch erreicht, daß die
räumlichen Richtungen von jedem Punkt in dem Terrain, startend von der
Stationsposition, von der die Aufnahme gemacht wird, zu jedem Punkt durch
Messen auf einer Photographie oder Aufnahme (Fig. 6A, 6B) von jedem zu
definierenden Punkt, der einem Punkt in dem Terrain entspricht, das in Koordinaten
definiert werden muß und der auf der Aufnahme vorhanden ist, bestimmt
werden.
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- Der Winkel (φ) zwischen der Linie,die durch den Mittelpunkt der
Aufnahme und des zuvor erwähnten zu definierenden Punktes verläuft, und
einer fixierten Linie, die durch den Mittelpunkt der Aufnahme verläuft
und die auf der Aufnahme durch Zufall genommen wurde, und
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- der Abstand (r) zwischen dem Mittelpunkt der Aufnahme und dem zu
definierenden Punkt, wobei der Abstand (r) ein Maß des Winkels
zwischen der Linie in der vertikalen Ebene, wobei die Linie durch den
Punkt in dem Terrain und der Stationsposition, von der die Aufnahme
gemacht wurde, verläuft, und der Linie, die die Schnittlinie der
vertikalen Ebene mit der horizontalen Ebene ist.
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Das beschriebene Verfahren entsprechend der Erfindung macht es möglich, die
Richtung, in der jeder Punkt in dem Terrain von der Stationsposition, von der
die Aufnahme gemacht wurde, zu berechnen und unter Benutzung eines
Computerprogrammes und von Computern ist es möglich, die genauen Koordinaten
von jedem Punkt verglichen mit den anderen Punkten zu berechnen. Durch
Aufnehmen von Aufnahmen oder Aufnehmen von Photographien von einer
Anzahl von aufeinanderfolgenden Stationspunkten ist es möglich, die genauen
Koordinaten nur dann zu berechnen, wenn es zwei aufeinanderfolgende
Stationspunkteaufnahmen gibt, auf denen ein detaillierter Punkt photographiert
wurde.
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Wenn das Meßmittel unter anderen Teilen zwei identische Instrumente
aufweist, mit denen zu definierende Punkte auf eine Aufnahme gemessen werden
können, so daß durch Anordnen einer Aufnahme der zwei aufeinanderfolgenden
Aufnahmen in jedem Instrument jeder zu definierende Punkt, der auf zwei
aufeinanderfolgenden Aufnahmen vorhanden ist, zur gleichen Zeit gemessen
werden kann. Dann ist es mit dem Verfahren entsprechend der Erfindung möglich,
die Koordinaten eines Punktes in dem Terrain bezüglich der zwei
Stationspositionen, von denen die Aufnahmen gemacht wurden, direkt zu berechnen. So
wird direkt ein Dreieck zwischen drei Punkten erhalten, von denen zwei Punkte
die Stationspositionen sind und ein Punkt der zu definierende Punkt in dem
Terrain ist.
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Von dem US-Patent US 4 669 048 ist es bekannt, Stereobilder zum Bestimmen
der Koordinaten von Punkten zu benutzen. Das Gerät zum Auswerten der
Bilder benutzt Stereobilder. Durch das Verfahren entsprechend der Erfindung
werden Photographien benutzt, die durch eine Fischaugenoptik gemacht sind,
so daß keine Stereoansicht erhalten wird.
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Um zu machen, daß die Bestimmung der Koordinaten von jedem Punkt in dem
Terrain unter Benutzung eines Computerprogrammes sehr schnell berechnet
werden kann, ist es wichtig, daß jedesmal bevor eine photographische oder
elektronische Panoramaaufnahme gemacht wird, die Kamera in exakt der
gleichen Position bezüglich der Senkrechten angeordnet ist, so daß die
optische Achse der Kamera mit der Richtung der lokalen Vertikalen
übereinstimmt. Wenn die Kamera jedesmal in exakt der gleichen Position angeordnet
wird, dann ist das Computerprogramm sehr viel einfacher, was dazu führt, daß
die Berechnungen sehr viel schneller durchgeführt werden können.
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Sehr nützlich ist eine Vorrichtung zum Aufnehmen von photographischen oder
elektronischen Aufnahmen die eine Aufnahmekamera aufweist, die eine
metrische Kamera mit einer sehr speziellen Fischaugenlinse ist, und wobei die
Kamera an einer Stabilisierungsplattform, die auf der Oberseite eines Autos
angeordnet ist, fixiert ist, und wobei die Stabilisierungsplattform, jedesmal bevor
eine Aufnahme gemacht wird, in eine solche Position gedreht wird, daß die
optische Achse der Kamera mit der Richtung des lokalen vertikalen Punktes
übereinstimmt und daß wenn eine Aufnahme gemacht wird auf jeder Aufnahme
zur gleichen Zeit des Aufnehmens der Aufnahme auf jeder der vier Ecken der
Aufnahme Justiermarken aufgenommen werden. Wenn Justiermarken benutzt
werden, dann kann das Computerprogramm vereinfacht werden.
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Benutzen einer Stabilisierungsplattform auf einem mobilen Fahrzeug ist in dem
US-Patent 4 592 474 beschrieben. Die Stabilisierungsplattform ist auf einem
kardanisch aufgehängten Gerät montiert, was bedingt, daß der optische Zugriff
der Kamera nicht mit der Richtung des lokalen vertikalen Punktes
übereinstimmen kann.
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Das Verfahren entsprechend der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß es
in der Lage ist, Außenaufnahmen in einer sehr schnellen Art aufzunehmen,
wobei danach die so gesammelten Bilder drinnen gemessen werden. Diese neue
Art des Landvermessens kann hauptsächlich in städtischen Gebieten, Gebieten
mit kleinen Straßen und sich hoch erhebenden Gebäuden angewandt werden. In
dem Prozeß benötigt dieses Verfahren weniger Vorbereitung, arbeitet schneller
und produktiver (weniger Personal, weniger abhängig von dem Wetter)
draußen und liefert eine 3D-Datenbank über Büroarbeit (nun 2D).
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Mit diesem neuen System kann somit eine sehr detaillierte 3D-Datenbank
aufgebaut werden. Von dieser können z.B. Topographiekarten mit großem
Maßstab in einem Bereich von 1:250 - 1:5000 mit hoher Genauigkeit erzeugt
werden.
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Im allgemeinen zielt dieses System des "computerunterstützten Vermessens"
auf das Sammeln von detaillierten metrischen Informationen in einer modernen,
schnellen, günstigen und sehr präzisen Art und durch Benutzung von diesen
unter anderen können topographische Karten gemacht werden.
2. Zusammenfassung der Erfindung
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Die Landvermessung ist mit der Bestimmung von relativen Positionen von
Punkten auf der Erdoberfläche befaßt, um in der Lage zu sein, Informationen
bezüglich der Lage und Größe von geographischen Einheiten zu geben. Für
diesen Zweck hat fast jedes Land ein oder mehr Koordinatensysteme, so daß
über die Messung von Länge und Winkeln Koordinaten dieser Punkte in diesen
Systemen berechnet werden können. Diese Erfindung unterscheidet sich von
allen gegenwärtigen Verfahren aufgrund der Tatsache, daß Messungen nicht in
dem Terrain sondern drinnen auf Bildern stattfinden. Diese Bilder sind
Darstellungen des Terrains und die Messungen bestehen aus Aufnehmen von gewissen
Größen in diesen Bildern über die Benutzung eines Computers.
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Durch dieses neue System wird "die Realität um uns herum" geometrisch und
dreidimensional aufgenommen. Das Aufnehmen findet mittels photographischer
Aufnahmen statt, in denen nachher Messungen durchgeführt werden. Somit
werden die Messungen in photographischen Bildern anstatt der Realität selbst
durchgeführt.
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Das grundlegende Meßprinzip ist einfach zu erklären, wenn es mit der Art, in
der wir Menschen die 3D-Realität um uns herum betrachten, verglichen wird.
Wir tun dies mit zwei Augen, was uns in die Lage versetzt, die Umgebung in
einer räumlichen, d.h. dreidimensionalen, Art zu betrachten. Wegen diesen
beiden Augen sind wird unter anderen Dingen in der Lage, Abstände abzuschätzen
und eine Tiefe zu sehen. Das Schließen eines unserer beiden Augen macht die
Wahrnehmung von Tiefen unmöglich. Diese Situation ist mit dem System der
Erfindung vergleichbar. Das Aufnehmen einer Photographie ist nicht mehr als
Darstellen der 3D-Realität auf einer 2D-Ebene, die Photoebene. Eine
Dimension wurde verloren und somit ist es nicht möglich, die Realität in einer
eindeutigen Art zu rekonstruieren. Um dies durchzuführen, sind zusätzliche
Informationen notwendig. Diese Informationen werden durch Betrachten von
dieser so, daß alle zu messenden Punkte in der 3D-Realität zumindest auf zwei
Bildern gezeigt sind, erhalten. Somit sind wir in der Lage, die 3D-Koordinaten
von allen Meßpunkten zu berechnen, die wichtig beim Aufbau einer
detaillierten topographischen Datenbank sind.
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Die Erfindung wird detaillierter mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben.
Von den Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1: ein Blockschema des gesamten Systems des Vermessens über
Bildmessung;
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Fig. 2A: den geometrischen Aufbau zum Einschneiden;
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Fig. 2B: den geometrischen Aufbau zum erweiterten Schneiden;
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Fig. 2C: den geometrischen Aufbau für das neue System, eine Kombination
aus Einschneiden und Rückwärtseinschneiden;
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Fig. 3A: das Aufnahmefahrzeug in einem städtischen Gebiet;
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Fig. 3B: eine Explosionsansicht des Aufnahmefahrzeuges;
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Fig. 4: einen Querschnitt der Aufnahmeoptik;
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Fig. 5 ein Situationsschaubild des mobilen Systems;
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Fig. 6A: eine Aufnahme mit realer Skala;
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Fig. 6B: der Teil einer Aufnahme, der für die Messung benutzt wird;
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Fig. 7: das Bearbeitungssystem;
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Fig. 8: die Meßprozedur;
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Fig. 9: eine Beobachtung pro Punkt;
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Fig. 10: der Berechnungsprozeß in Phasen.
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Um zu diesen Daten zu gelangen, ist es sehr wichtig, ein schnelles und
effizientes Aufnahme-, Meß-, und Verarbeitungssystem zu haben, durch das die
Aufnahmen zu digitalen Datenbank von Koordinaten und mit diesen verbundenen
Codes verarbeitet werden können. Die in Rede stehende Erfindung enthält ein
solches System. Fig. 1 zeigt eine schematische Übersicht des Aufbaus des
Hauptteiles dieses Systems des "computerunterstützten Vermessens".
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Das Aufnahmesystem, siehe Fig. 3A, besteht aus einem Wagen 1, einer Kamera
2, einem Stabilisierungssystem 5 und Leitungssoftware. Die Kamera ist von
dem so genannten Fischaugentyp. Das bedeutet, daß wenn sie auf dem Dach
eines Wagens plaziert ist, daß ein Umgebungsbild 4 der Umgebung gemacht
wird. Auf diesem ist die gesamte Umgebung zu sehen, außer dem, daß in einem
Kegel 3 angeordnet ist. Neben dem Wagen und der Kamera ist ein
Stabilisierungssystem vorhanden, durch das während den Aufnahmensitzungen die
Kamera stabilisiert wird und der Winkel gelesen wird. Die Positionsdaten sind
für die zu benutzende Berechnungsprozedur wichtig, die schließlich zu den 3D-
Koordinaten führen muß. Somit liefert das Aufnahmesystem Aufnahmen und
Positionsdaten der Kamera.
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Das Meßsystem, siehe Fig. 7, besteht aus einer Meßeinheit 31, einem
Mikrocomputersystem 36 mit zwei Monitoren 32 und 33 und einer Leitungssoftware,
um es allen Untersystemen zu ermöglichen zu Kommunizieren und um die
Messungen schnell und effizient durch einen Bediener ausgeführt zu haben. Das
Meßsystem ist einzigartig, da mit ihm alle Messungen in dem Büro unter
bestimmten Umständen anstatt in dem Terrain durchgeführt werden können.
Messen eines Punktes in zwei Bildern kann mathematisch als Ausführen einer
horizontalen sowie einer vertikalen Messung in den Bildern formuliert werden.
Neben Korrekturen für Linsenverzerrungen nimmt die entwickelte Software
auch Rücksicht auf Onlinetests, d.h. während der Messung, um zu überprüfen
ob der Punkt, der gleichzeitig in beiden Bildern gemessen wird, ausreichend
genau gemessen wird. Somit liefert das Meßsystem kontrollierte und codierte
Beobachtungen.
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Das zentrale Berechnungssystem muß anschließend fähig sein, die große Anzahl
von horizontalen und vertikalen Richtungen, die durch einen Code bezeichnet
sind, zu verarbeiten. Das bedeutet, daß die Richtungen am Ende in
3D-Koordinaten umgewandelt werden müssen.
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Bezüglich der hohen Anforderungen an die Qualität wird im Prinzip mehr
gemessen als strikt notwendig ist. Andererseits ist dieses Extramessen notwendig,
um statistische Test an dem Beobachtungsmaterial (die Richtung) in einer
zuverlässigen Art durchführen zu können. Das zentrale Berechnungssystem
benutzt weltweit akzeptierte Justier- und Testverfahren. Somit liefert das
Berechnungssystem justierte Beobachtungen und von diesen berechnete 3D-
Koordinaten, die mit Punktidentifizierung und topographischem Objektcode
geliefert werden.
3. Detaillierte Beschreibung des Systems und des Arbeitsverfahrens
Der geometrische Meßplan
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Um die relative Genauigkeit der Punkte in dem Terrain festlegen zu können,
benötigt das Landvermessen einen guten Plan der Geometrie, der ihm zu
Grunde liegt. Obwohl bei diesem System die Messungen nicht in dem Terrain
selbst stattfinden, sondern auf Bildern des Terrains, ist es weiterhin gut, daß
bei diesem Verfahren gewisse Anforderungen für den geometrischen Meßplan
wirksam sind unter anderen Dingen in Bezug zu Aspekten der Qualität. Man
könnte an die sogenannte "Stärke der Figur" denken und den Einfluß auf die
eventuelle Genauigkeit der Koordinaten.
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Um einen Punkt in Koordinaten zu definieren, kann das Verfahren des
Schneidens angewendet werden, wenn zwei Basispunkte in den Koordinaten bekannt
sind. In Fig. 2A ist dies gezeigt. Die Ablesungen sind dann durch die vier
Richtungen in einem Dreieck zwischen den zwei bekannten Punkten und dem zu
definierenden Punkt gebildet, wie in der Figur gezeigt. In Fig. 2A ist
ersichtlich, daß in dieser Art durch Ablesen von Richtungen, buchstäblich auf der
Basis von zwei bekannten Punkten, viele andere Koordinaten definiert werden
können.
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Dann ist die Frage, wie die Koordinaten der Basispunkte definiert werden
können. Die Lösung liegt hier in der Anwendung des Verfahrens des
Rückwärtsschneidens, wie in Fig. 2B gezeigt ist. Hier bilden auch die gezeigten
Richtungen die Ablesungen. Die Punkte nach deren Richtungen gemessen wird, sind
wiederum in Koordinaten zu definieren.
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In dem Fall, daß eine Straße vermessen werden muß, sind im allgemeinen nicht
eine große Vielzahl von Punkten vorher bekannt. Fig. 2C zeigt jedoch, daß
diese in einem korrekten geometrischen Plan berechnet werden können. Unter
anderem ist eine Bedingung, daß die Punkte in dem Terrain mehrmals auf
nacheinanderfolgenden Aufnahmen vorhanden sind. Mittels der so genannten
Triangulationspunkte (Punkte, die zumindest auf drei Aufnahmen vorhanden
sind) entstehen geometrische Bedingungen. Wenn die zu diesen gehörigen
Richtungen gemessen werden können, findet die Justierung statt und ein
Netzwerk entsteht, daß vollständig für die Richtungen definiert ist. Um dieses
Netzwerk im Raum orientieren zu können und um es im Raum einzupassen zum
Skalieren in einem absoluten Sinn werden schließlich sieben absolute
Koordinaten benötigt, z.B. (X, Y, Z), (x, y, z) und ein Z.
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Wenn eine so begrenzte Anzahl von Punkten vorher bekannt ist, z.B. von
terrestischen oder photogrammetrischen Vermessungen, können durch diese
andere Punkte in Koordinaten definiert werden. Tatsächlich besteht dieser
Meßplan der kombinierten Anwendung von Schneiden und Rückwärtsschneiden.
Gleichzeitig während der Messungen der Aufnahmen, nacheinander während
den Berechnungen.
Die Aufnahmen
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Die Kamera 2 des Aufnahmefahrzeuges, siehe Fig. 3B, besteht aus einer
speziell entwickelten Fischaugenlinse, siehe Fig. 4. Diese Kamera ist auf einer
Stabilisierungsplattform 5 befestigt, die mittels einer hydraulischen Einheit 16
durch das Sonnendach von dem Wagen angehoben werden kann. Dies
ermöglicht der Kamera, Bilder von einer Position nur gerade oberhalb des Wagens
aufzunehmen. Das visuelle Feld ist horizontal 400Gon (= 360º) und von dem
Zenit vertikal 120Gon. Somit können alle Arten von Punkten nachher gemessen
werden, d.h. Bordkanten und andere Straßenmöbilierung, Fassaden,
Dachvorsprünge, usw., siehe Fig. 3A. Das Gebiet, in dem die Messungen auf der
Photographie stattfinden, ist Teil des visuellen Feldes, d.h. 40Gon oberhalb des
Horizontes und 20Gon unterhalb davon, rundherum. Die optimale
Modulierungsübertragungsfunktion liegt bei 1mrad. Die Ungleichheit des Filmes ist
wesentlich kleiner als 10µm.
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Die Stabilisierungsplattform 5, siehe Fig. 3B, kümmert sich um die Tatsache,
daß die senkrechte Achse der Linse so gut wie möglich mit der lokalen
senkrechten Achse übereinstimmt. Dies wird durch die Positionssensoren 12 und 13
und die servogeleitete Schraubenspindel 9, durch einen feststehenden
Wendepunkt 10 und eine Teleskopachse mit Druckfeder 11 erreicht. Somit ist die
obere Platte 7 so gut wie möglich in Bezug zu der unteren Platte 6, die durch
die hydraulische Einheit 16 und 17 fest mit dem Aufnahmefahrzeug verbunden
ist, horizontal eingestellt.
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Die horizontale Position der Plattform ist in Bezug zu der folgenden
Verarbeitung der aufgenommenen Bilder wichtig. Neben dem aktuellen
photographischen Bild müssen auch andere Daten, wie z.B. eine Zahl der Reihenfolge,
Datum und Zeit der Aufnahme, Verschlußzeit, die Orientierung des Wagens,
mögliche Schiefheit der Plattform und der Abstand, der in Bezug zu der
vorhergehenden Aufnahme gefahren wurde, behalten werden. Diese Daten einer
speziellen Reihe von Aufnahmen, die zueinander gehören, werden in einer
Datei auf einer Floppy-Disk 27 begleitet durch eine Fahrnummer gespeichert.
Ein Zentralcomputer 19A und 19B kümmert sich um die Gesamtleitung des
ganzen und das Speichern der photographischen Daten. Die gesamte Prozedur
zum Aufnehmen einer Aufnahme wird automatisch durch Drücken eines
Knopfes auf dem Aufnahmeknopf 23 durch den Fahrer durchgeführt. Auf dem
Monitor 20 des Computers 19A kann der Fahrer, wenn gewünscht, den
gesamten Prozeß verfolgen und kann auch sehen, ob und warum etwas falsch läuft.
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Über die Fig. 5 soll das Funktionieren des mobilen Systems 1 im folgenden
erklärt werden.
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Nachdem die notwendigen Vorbereitungen durchgeführt sind, wird die Fahrt zu
dem Aufnahmegebiet durchgeführt. Während dies durchgeführt wird, wird die
Plattform 5 verriegelt und eine grüne Signallampe 21A zeigt an, daß Fahren
erlaubt ist. Die Photographienummerierung wird zurückgesetzt. Das System ist
in einer Bedingung einer Ruhestellung 1 und wartet auf eine "neue
Fahrtanforderung" des Bedieners.
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Wenn der Wagen in dem Meßgebiet ankommt, kann der Fahrer eine neue Fahrt
durch Drücken einer Funktionstaste auf der Tastatur des Computers
initialisieren. Der Fahrer ist gezwungen, dem Computer eine neue Fahrtnummer zu
geben, und eine neue Fahrtdatei wird geöffnet. Auch fragt der Computer, ob Zeit
und Datum noch richtig sind. Eine Korrektur von diesen ist dann möglich.
Nach der Eingabe der Fahrtnummer leuchtet die Bildschirmsignallampe 21A
wieder, um zu zeigen, daß ein Fahren erlaubt ist, und das System kehrt in eine
Zustand der Ruhestellung 3 zurück.
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In dem Zustand 3 wartet es auf Anweisungen durch den Fahrer. Der Fahrer
kann nun entscheiden, eine Aufnahme aufzunehmen ("Photoanforderung"). Für
dieses drückt der Fahrer den Knopf 23; die Tastatur wird für einige Zeit nicht
benutzt. Wenn alle Bedingungen zum Aufnehmen einer Photographie in
Ordnung sind, dann gehen wir zu Zustand 4. Die rote Signallampe 21B wird
eingeschaltet und von diesem Moment an soll das Fahrzeug nicht mehr bewegt
werden. Die Plattform 5 wird entriegelt und die Stabilisierung der Plattform wird
begonnen, das System im Zustand 4, bis die Plattform die horizontale Position
erreicht hat, bleibt. Sollte die Stabilisierung nicht wirksam sein, dann wird dies
sofort über den Monitor 20 gezeigt und wir kehren zum Zustand 3 zurück.
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Wenn das Stabilisierungssystem berichtet, daß die Plattform in horizontaler
Position ist, wird die noch mögliche vorhandene Restneigung durch den
Computer 19B ausgelesen und direkt nach dem wird die Verschlußzeit berechnet.
Diese Verschlußzeit wird auch durch den Computer ausgelesen. Wenn nicht
ausreichend Licht vorhanden ist, dann wird die Aufnahme verweigert und wir
kehren zum Zustand 3 zurück. Dies wird dem Fahrer direkt über den Monitor
20 berichtet. Wenn es ausreichend Licht im Zustand 5 gibt, wird der Verschluß
geöffnet. Zur gleichen Zeit werden beide, Datum und Zeit, projiziert und auch
durch den Computer 19B ausgelesen.
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Wenn die Filmbelichtungszeit aus ist, gehen wir zum Zustand 6. Die Plattform
5 wird wieder verriegelt und der Film in Kassette 8 wird automatisch ein Bild
weiter transportiert. Zur gleichen Zeit werden die Radsensoren 25 und 26
ausgelesen, die zusammen mit den vorher erwähnten photographischen Daten auf
einer Floppy-Disk 27 in der offenen Fahrtdatei gespeichert werden müssen. Nur
in dem Fall, daß die Photographie, die gerade aufgenommen wurde, die erste
der Fahrt war, werden die Abstandsmeter des Abstandes auf Null
zurückgesetzt.
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Die Abstandsmeter zählen nach der ersten Aufnahme während einer Fahrt
immer weiter und werden als Indikatoren für den Moment benutzt, bei dem eine
andere Photographie aufgenommen werden muß. Zum Beispiel alle 15m. Sie
dienen auch für die Berechnung der Orientierung (s-Änderung) des
Aufnahmefahrzeuges 1.
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Nach dem Zustand 6 wird der Film in der Kassette 8 transportiert und wird
geprüft, ob der Film ganz benutzt ist. Ist dies der Fall, dann wird es direkt dem
Fahrer über den Monitor 20 berichtet. Es kann auch sein, daß die Plattform zur
Zeit der Aufnahme bewegt wurde. Dies wird dem Fahrer über den Monitor 20
auch berichtet. Dem Fahrer wird nun die Gelegenheit gegeben, die
Photographie noch mal aufzunehmen, wobei in diesem Fall die Photographie die
gleiche Nummer behält. In beiden Fällen gehen wir zu dem
Ruhestellungszustand 3 und die grüne Signallampe 21A leuchtet wieder.
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Der Fahrer kann nun, im Zustand 3, entscheiden, eine Photographie noch mal
aufzunehmen, dies wird aber, wie oben erwähnt, nur möglich sein, wenn alle
Photographiebedingungen richtig sind. Falsche Bedingungen werden direkt auf
dem Monitor 20 berichtet und ein Warnpiepton warnt den Fahrer bezüglich der
Mitteilung. Verschiedene falsche Bedingungen sind möglich, der Film ist
belichtet, die Strecke ist nicht relevant, das Fahrzeug bewegt sich, ungenügendes
Licht, die Floppy-Disk ist voll, usw. Der Fahrer kann nur eine von diesen, die
eine, die die Strecke betrifft, ignorieren. Diese Mitteilung kann durch eine
Funktionstaste des Computers 19A aufgehoben werden.
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Im Zustand 3 kann der Fahrer auch entscheiden, eine Fahrt zu beenden. Um
dies zu tun, drückt er eine Funktionstaste der Tastatur des Computers 19A.
Die rote Signallampe 21B leuchtet und dies ermöglicht dem Fahrer im Zustand
7 einen Kommentar über die gefahrene Fahrt in den Computer einzugeben.
Dieser Kommentar kann Informationen über z.B. die Wetterbedingungen oder
Abweichungen der Strecke enthalten. Ein Maximum von 300 Zeichen ist
möglich. Nach dieser Dateneingabe wird die Fahrtdatei geschlossen, wird die
Filmnummerierung auf Null zurückgesetzt und leuchtet die grüne Lampe 21A.
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In diesem Zustand ist Fahren erlaubt und die nächste Photographie kann
aufgenommen werden. Einschließlich Fahren dauert ein Zyklus, d.h. eine
Photographie, ungefähr 20-30 Sekunden. Es ist möglich hunderte von Photographien
aufzunehmen, bevor die Kassette ausgewechselt werden muß. Somit werden
Photographien und photographische Daten erzeugt, wovon die letzteren aus der
gefahrenen Strecke, Abweichung bezüglich der Senkrechten, Verschlußzeit,
Orientierung des Wagens, Fahrcode/Photonummer/Zeit/Datum bestehen.
Messungen
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Nachdem in einem Teil einer Stadt eine Anzahl von Photographien in der
beschriebenen Art aufgenommen wurden, werden sie entwickelt usw.. Dann
werden sie in die richtige Größe geschnitten und die weitere Vorbereitung für die
Messungen ist fertig. Die Photographien sind Panoramas, d.h. sie enthalten den
gesamten Horizont rundherum (400gon) und gehen in einer senkrechten
Hinsicht von dem Zenit bis 20gon unterhalb des Horizonts, siehe Fig. 6A und 6B.
In diesen Photographien stimmen die horizontalen Richtungen (φ) mit denen in
dem Terrain überein und die Höhe oberhalb des Horizonts in Winkelgröße kann
von dem Abstand des Mittelpunktes der Photographie zu den gemessenen
Punkten (r) definiert werden. Durch jedesmal Messen der Photographien zwei
zu zwei durch die Art des Suchens nach entsprechenden Punkten, kann das
Prinzip des geometrischen Meßplanes, wie vorher gezeigt, befolgt werden.
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Für diesen Zweck ist ein Meßinstrument 31 entworfen und gebaut, wie in Fig. 7
gezeigt. Es ist klar, daß zwei Photographien gleichzeitig gemessen werden,
wobei das Format maximal 100 x 100m sein kann. Neben den beiden
(beleuchteten) Meßtischen 41, die gedreht 42 und verschoben 43 werden
können, enthält das Instrument auch vier CCD-Matrixkameras mit speziellen
Linsen, zwei pro Meßtisch 37 und 38, zwei Monitore 32 und 33, einen
Hintergrundspeicher, eine Maus 35 und eine Tastatur 34 und dies ist alles mit einem
leistungsstarken PC/AT Computer 36 verbunden, der unter OS2 arbeitet.
Möglicherweise in Kombination mit einem Feldprozessor, aber in jedem Fall mit
einem Arbeitsspeicher von 16MB. Auch wird eine optische Disketteneinheit so
verwendet, daß sie als ein Hintergrundspeicher dient. In dieser Meßphase
arbeiten wird mit Bildern mit 8Bit-Grautönen und in dieser Phase wenden wir
nicht Bildbearbeitung an. In einer späteren Phase wird dies mit Nachdruck
verwendet.
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Nachdem die Aufnahmen verfügbar wurden, wurde das Gebiet pro Block von
ungefähr 40-50 Aufnahmen gemessen. Für diesen Zweck werden Bilder von
Diapositiven benutzt, die auf das Meßinstrument 31 in der gleichen Art, zwei
zu einer Zeit, gelegt werden. So wird die Messung mit Aufnahmen 1 und 2,
dann 2 und 3, dann 3 und 4, usw., usw. festgelegt, wobei die Messung mittels
der Meßtische 41 durchgeführt wird, die in einer solchen Art gedreht 42 und
verschoben 43 werden können, daß identische Punkte, die auf zwei
Photographien vorhanden sind und die wichtig für die Messung sind, unter den CCD-
Meßkameras nur in einer Art, eindeutig, plaziert werden können. In den CCD-
Meßkameras 37, eine pro Meßtisch, können wir die Meßmarken finden. Pro zu
messende Photographie ist das betreffende Bild auf einem separaten Bildschirm
32 in Schwarz und Weiß sichtbar. Dieses Bild bedeckt eine Flache auf der
Photographie von 5 x 5mm. Neben diesem ist das Bild der Meßmarke 40 auch
sichtbar, ein festgelegter Platz auf dem Bildschirm. Es ist der Fall, den zu
messenden Punkt unter die Meßmarke zu legen.
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Pro Meßtisch 41 ist auch eine zweite Kamera 38 für die notwendigen
Übersichtsbilder verfügbar. Diese Bilder bedecken eine Fläche von 50 x 50mm auf
der Photographie. Der Bediener schaut zuerst nach identischen Punkten über
diese Übersichtsbilder und führt nachfolgend über Umschalten auf die
Meßkameras die aktuelle Messung durch. Die Strecke des Lichtes 44 von dem
Meßtisch 41 wird durch beide, die Meßkamera 37 und die Übersichtskamera
38, benutzt; Trennung findet durch einen halbdurchlässigen Spiegel 45 statt,
wobei in diesem Fall die Übersichtskamera über einen Spiegel 46 erreicht wird.
Auf dem Meßbildschirm können somit nacheinander vier Bilder erzeugt werden:
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- Übersichtsphotographie 1, Auswahlpunkt, Umschalten;
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- Meßphotographie 1, definitive Auswahl der Position, Umschalten;
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- Übersichtsphotographie 2, Umschalten;
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- Meßphotographie 2, Umschalten.
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Umschalten, wenn das Meßbild in richtiger Position ist, bedeutet speichern der
Messung. Das bedeutet die Tischpositionen in (r) und (φ). Sobald ein
Punktcode über ein Menü addiert wurde, wird die Messung in einem Speicher
angeordnet.
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Die Anzeige von identischen Punkten wird über einen Cursor auf dem
Bildschirm durchgeführt. Der Cursor wird auf dem Punkt plaziert, der unter die
Meßmarke 40 gelegt werden muß. Nach Umschalten über die Bestätigung der
Maus 35 geht der Meßtisch schnell zu dem gewünschten Platz. Dies wird über
Umwandlung der Bildschirmkoordinaten und Vergleich mit dem Ausgelesenen
der aktuellen Position des Tisches, nachdem die Unterschiede neutralisiert
sind, erreicht.
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Um in der Lage zu sein, identische Punkte in einer richtigen und schnellen Art
zu finden, wird auf dem zweiten Bildschirm 33 das Bild gezeigt, das zuletzt
aufgenommen wurde. Somit kann man, während Photographie 1 manipuliert
wird, Photographie 2 als Referenz benutzen und umgekehrt. Dies ist
notwendig, damit die Messung von entsprechenden Punkten in komplizierten Bildern
in einer schnellen Art vorangeht. Somit dient der zweite Bildschirm, neben
anderen Dingen, dem Bediener zu helfen, seine Übersicht zu erhalten. Wenn
nach identischen Punkten gesucht wird (das meiste der Aktionen), ist jedesmal
das vorletzte Übersichtsbild verfügbar.
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Weiterhin ist auf dem Bildschirm zwei 33 das Bild der Photographie 2 in dem
Moment vorhanden, in dem die Photographie 1 für die Photographie 3
ausgewechselt wird (auf dem Photographiehalter). Das wird benötigt, weil in diesem
Bild die so genannten Triangulationspunkte bezeichnet sind. Diese Punkte, die
zumindest in drei Photographien sichtbar sein müssen, werden im Prinzip durch
ein Berechnungsprogramm ausgewählt, aber der Bediener muß überprüfen, ob
sie wirklich auf aufeinanderfolgenden Photographien vorhanden sind. Weiterhin
können andere relevante Daten in diesem Übergangsbild gezeigt sein.
Schließlich weist der zweite Bildschirm 33 eine dritte Funktion für die Messung auf.
Für die Messung muß auch ein Code angegeben werden und dies wird über den
Bildschirm in Kombination mit der Maus 35 und einem Cursor und in einem
Menüprogramm durchgeführt.
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In der Praxis beginnt die Meßprozedur mit Starten der Teile des Gerätes 30,
z.B. am Morgen. Dann wird eine Zurücksetzprozedur durchgeführt. Diese
besteht aus Legen der Photographien immer in der gleichen Art. Auf der
Photographie sind sogenannte Justiermarken sichtbar, die in der gleichen Art in die
Photographiehalter gelegt sind. Diese Photographiehalter selbst sind jedesmal
in der gleichen Position auf den Meßtischen 41. Wenn alles so positioniert ist,
werden die elektrischen Zähler in die Nullposition zurückgesetzt. Dies muß
natürlich zum Start eines Meßtages durchgeführt werden oder sobald ein
Stromausfall eingetreten ist.
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Wenn die Zurücksetzprozedur fertig ist, werden Verwaltungsinformationen,
unter denen die Daten der Floppy-Disk in dem Schlitz 47 in dem Computer 36
von dem Aufnahmewagen sind, eingegeben. Diese Daten sind der Anfang der
Aufnahmen mit Beobachtungen, wobei die Aufnahmen pro Unterblock
registriert sind.
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Die Messungen können beginnen, während denen versucht wird, in einer
kontinuierlichen Bewegung zu messen, so daß wenig Zeit verloren wird. Das
Arbeitsverfahren ist hier wie vorher beschrieben, siehe auch Fig. 8. Nachdem in
dieser Art ein Paar von Photographien gemessen wurden, folgt nach der
Anwendung von Eichungskorrekturen und einer Umwandlung für räumliche
Richtungen eine Überprüfung nach gravierenden Fehlern in den Messungen, wenn
nötig gefolgt durch eine Anweisung einen oder mehrere Punkte noch mal zu
messen. Diese on-line Korrekturen, Berechnungen und Überprüfungen sind
erste Berechnungen durch die groben Beobachtungsmaterialien. Sobald alles
die Aufnahme betreffend in der Datei des betreffenden Unterblockes
gespeichert wurde, werden auch vorläufige Koordinaten bekannt und die
Photographie 3 kann den Platz der Photographie 1 usw., usw. einnehmen.
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Somit kann ein gesamter Unterblock gemessen werden. Diese Art von Messung
kann sehr schnell ausgeführt werden, es dauert nur ungefähr 30 - 45 Sekunden,
um einen Punkt zu definieren. Wenn ein Unterblock behandelt wurde, wird die
in Frage stehende Datei mit relevanten Verwaltungsinformationen geschlossen.
Somit werden die Photographien und Informationen der Flopy-Disk von dem
Wagen zu einer Datei von Beobachtungen von zwei Gruppen von räumlichen
Richtungen (r) und ( ) und den Objektcodes pro Punkt pro Unterblock von 40
bis 50 Aufnahmen verarbeitet, siehe auch Fig. 9, vervollständigt durch eine
Datei von vorläufigen Koordinaten und der möglichen Neigung während den
Aufnahmen. Dies ist alles über einen Floppyschlitz 48 des Computers 36
zugänglich.
Die Berechnungen
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Mit den Beobachtungen, die gesammelt wurden, werden eine Reihe von
Berechnungen durchgeführt, die von sehr komplexer Natur sind. Der Grund liegt
neben anderen Dingen in der Tatsache, daß die Beobachtungen nicht nur einen
Wert, sondern auch eine so genannte Standardabweichung und vielleicht
gegenseitige Relevanz oder Korrelation aufweisen, all dies wird durch das so
genannte Wahrscheinlichkeitsmodell gezeigt. Um das alles vermeßbar und
praktikabel
zu halten, wird der Berechnungsprozeß in eine Anzahl von Phasen
aufgeteilt. Für dies siehe Fig. 10.
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Wie vorher erwähnt wurde, findet ein Teil des Berechnungsprozesses während
des Meßprozesses statt. Es ist aktuell ein Teil davon. Andere Messungen und
Berechnungen finden sogar, bevor der Meßprozeß durchgeführt wird, statt, sie
sind diese Messungen und Berechnungen, die ein Teil der Eichungen von
jeweils der Kamera und der Meßtische sind. Für diese beiden Prozesse wurde ein
Software entwickelt, die eng mit dem aktuellen Meßsystem 31 verbunden ist,
und so ein Teil davon ist.
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Die Ergebnisse der Meßtischeichungen werden pro Photo, wenn notwendig,
angewandt. Dies wird in der Form von Korrekturen der Beobachtungswerte (r)
und (φ) durchgeführt. In dieser Art werden diese Beobachtungen nach
Gerätefehlern korrigiert. Nachfolgend werden die korrigierten Beobachtungen (r')
und (φ') in das Kameraachsensystem übertragen, daß entsprechend einer Anzahl
von so genannten Justiermarken und/oder Gitternetzmarken definiert ist. Auch
wird eine Anzahl von Korrekturen für die Linsenverzerrung durchgeführt. Die
für diesen Zweck benötigten Daten werden über die Kameraeichungsprozeduren
gesammelt. Nach diesem findet Umwandlung der in dieser Art korrigierten
Beobachtungen nach räumlichen Richtungen, d.h. pro beobachteten Punkt zwei
Werte (Σ) und (φ) plus Objektcode usw., statt. Alles dies pro Photographie als
ein Teil des Meßprozesses sowie des Prüfprozesses nach gravierenden Fehlern,
der nach diesen stattfindet.
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Der letztere Prozeß ist aktuell ein on-line-Einstellungsprozeß, der die gerade
berechneten räumlichen Richtungen benutzt. Dies resultiert in Korrekturen der
Richtungen und in der Berechnung der Koordinaten durch Näherung nach
Einführen einer Skala. Somit sind die Koordinaten durch Näherung der
Triangulationspunkte und der Aufbaupunkte (Zentrum der Kamera), von denen die
Photographien aufgenommen wurden, neben den Richtungen von allen
beobachteten Punkten und somit auch von den sogenannten Detailpunkte bekannt. Als
nächstes wird eine Einstellung für den gesamten Unterblock durchgeführt,
während der die Koordinaten der Triangulationspunkte und der
Stationspositionen als Unbekannte gelöst werden. Nach dem alle Richtungen korrigiert
wurden, können die Koordinaten der Detailpunkte auch bestimmt werden. Dann
wird mit diesem Vorgang, nach Einpassen von diesen in ein nationales System
von Koordinaten, so wie sie waren, eine "Wolke von Punkten" in dem System
mit einem zu ihr hinzugefügten Punktcode pro Punkt erhalten.
4. Nutzung
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Die vorher erwähnte Wolke von Punkten (in (X, Y, Z)) wird über einen
Bearbeitungsprozeß zu einer Anzahl von digitalen Produkten umgewandelt. Zum
Beispiel auf einem Band als Basis einer so genannten Druckdatei in einem
gewissen Format, durch die von einem gewissen Gebiet eine sehr detaillierte
Karte mittels eines computergeleiteten Plotters gedruckt werden kann. Eine
solche Datei wird dann zu einem vereinbarten Preis pro Punkt auf der Karte
verkauft.
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Wir können auch von anderen Produkten denken, d.h. solche in denen die 3D-
Natur benutzt wird, z.B. für eine 3D-Darstellung. Dynamische Simulationen
sind auch möglich sowie als Unterstützung von Firmen, die
luftphotogrammetrische Produkte herstellt.
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Die Erfindung besteht aus einem System, das als eine Anwendung international
ist und als solche verkauft werden kann.
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Neben der Verwendung der Erfindung über die vorher erwähnten Produkte
kann das System selbst angeboten werden. Hier ist eine Anzahl von Variationen
für Mieten oder Leasing möglich. All dies z.B. pro Land oder pro eine Gruppe
von Ländern.