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Lexikon der Geowissenschaften: Photogrammetrie

Photogrammetrie, Bildmessung, umfaßt die Gesamtheit der Verfahren und Geräte zur Gewinnung, Verarbeitung und Speicherung von primär geometrischen Informationen (Form, Größe, Lage u.a.) über Objekte und Prozesse aus Bildern (Meßbilder). Die Hauptanwendungen der Photogrammetrie sind zum einen die Gewinnung von Basisdaten für die Herstellung und Laufendhaltung topographischer Karten und thematischer Karten sowie für Dateien von Geoinformationssystemen ( Abb.), zum anderen die Bestimmung von Objektkoordinaten und daraus abgeleiteter Größen (Weg, Geschwindigkeit u.a.) für diskrete Punkte des aufgenommenen Objektes. Aufgrund der verwendeten Plattform sind Satellitenphotogrammetrie, Aerophotogrammetrie und terrestrische Photogrammetrie ( Tab.) zu unterscheiden. Die dabei aufgenommenen Bilder weisen infolge der spezifischen Aufnahmeentfernungen typische Bereiche für die Größe des Bildmaßstabs und damit ein unterschiedliches Genauigkeitspotential im Objektraum auf. Hinsichtlich der Aufnahmedisposition dominieren in der Satelliten- und Aerophotogrammetrie streifenweise aufgenommene Steilbilder mit genähert lotrechter Aufnahmeachse der Kamera. In der terrestrischen Photogrammetrie werden überwiegend Waagerechtbilder mit horizontaler Aufnahmeachse, aber auch Steil- und Schrägbilder aufgenommen, um Objekte optimal zu erfassen.

Der photogrammetrische Meßprozeß besteht bei der Verwendung analoger, photographischer Bilder aus den Teilprozessen Bildaufnahme, Bildspeicherung und Bildauswertung. In der Digitalphotogrammetrie, bei Einsatz digitaler Bilder, wird die zeitliche Trennung zwischen den Teilprozessen zunehmend reduziert und damit in der terrestrischen Photogrammetrie die Möglichkeit eines Quasi-Echtzeit-Betriebes von der Aufnahme bis zur Auswertung der Bilder eröffnet. Die Bildaufnahme setzt für den photogrammetrischen Meßprozeß geeignete photogrammetrische Aufnahmesysteme voraus. Generell sind dabei photographische und digitale Meßkameras zu unterscheiden. Photographische Meßkameras werden sowohl in der Satelliten- als auch in der Aero- und terrestrischen Photogrammetrie eingesetzt. Sie gestatten die gezielte Aufnahme von Einzelbildern und Bildreihen mit einer vorgegebenen Bildüberdeckung zur flächenhaften Erfassung von Teilen der Erdoberfläche oder anderer Planeten. Typische Unterschiede der Meßkameras in der Satelliten- und Aerophotogrammetrie einerseits sowie der terrestrischen Photogrammetrie andererseits liegen in erster Linie im kleineren Bildformat, der begrenzten Automatisierung des Aufnahmevorganges und den besseren Möglichkeiten zur Realisierung einer vorgegebenen äußeren Orientierung der Kamera. Neben Meßkameras kommen in der terrestrischen Photogrammetrie auch Amateurkameras zum Einsatz. Digitale Kameras auf der Basis einer optoelektronischen Bildaufzeichnung, CCD-Kameras mit einem CCD-Array, gestatten eine flächenhafte Bilderfassung nur für relativ kleine Bildformate. Optoelektronische Scanner zeichnen demgegenüber die Bilder nur in ein oder drei CCD-Zeilen in der Bildebene der Kamera auf. Die flächenhafte Objekterfassung wird bei festinstallierten Zeilen durch die Relativbewegung der Kamera gegenüber dem Objekt nach dem Push-Broom-Prinzip oder durch sequentielle Verschiebung einer beweglichen CCD-Zeile in der Bildebene während der Aufnahme erreicht. In der Satellitenphotogrammetrie dominiert der Einsatz digitaler Kameras aufgrund der Vorteile bei der Bildspeicherung und funktechnischen Datenübertragung zur Erde. Nahezu ausschließlich werden in der Aerophotogrammetrie photographische Meßkameras aufgrund ihrer hohen geometrischen Auflösung zur Luftbildaufnahme verwendet. In der terrestrischen Photogrammetrie vollzieht sich der Übergang zum Einsatz digitaler Kameras.

Die Speicherung der aufgenommenen Bilder ist im Prinzip an die physikalische Form der Bildaufzeichnung in der Kamera gebunden. Die Speicherung auf photographischem Aufnahmematerial besitzt den Vorteil einer hohen Auflösung und einer ständigen Verfügbarkeit für eine visuelle photogrammetrische Auswertung. Nachteilig ist der erforderliche photographische Prozeß, die begrenzte Haltbarkeit und die große Masse der zu lagernden Bilder. Digitale Bilder werden extern auf elektronischen Speichermedien Band, CD-ROM, Magneto-Optical-Disk u.a. abgelegt. Sie besitzen nur eine begrenzte geometrische Auflösung, umfassen Datenmengen bis zu 1 GByte pro Bild und müssen zur Visualisierung in einen Rechner eingelesen werden. Ihre Vorzüge liegen in den Möglichkeiten einer einfach zu realisierenden numerischen Bildverbesserung sowie der weitgehenden Automatisierung des photogrammetrischen Auswerteprozesses. Die für die Auswertung photographischer Bilder und die Luftbildaufnahme mit CCD-Kameras vorhandenen Einschränkungen können durch die Digitalisierung der photographischen Luftbilder mit Hilfe eines hochauflösenden Präzisionsscanners überwunden werden. Die photogrammetrische Bildauswertung der photographischen oder der direkt bzw. durch Scannen gewonnenen digitalen Meßbilder erfolgt aufgabenbezogen entsprechend der Anzahl der in die Auswertung einbezogenen Bilder mit den Verfahren der photogrammetrischen Einbildauswertung, Zweibildauswertung oder Mehrbildauswertung. Während durch Einbildauswertung ein Objekt nur zweidimensional erfaßt werden kann (z.B. Grundriß eines Geländeabschnitts), gestattet die gemeinsame Auswertung von zwei oder mehr Bildern eine dreidimensionale Messung der aufgenommenen Objekte. Mit Hilfe der Einbildauswertung werden Einzelbilder optisch oder numerisch unter Einbeziehung von Höheninformationen über den erfaßten Geländeausschnitt so transformiert, daß die projektiven und perspektiven Verzerrungen der Steilbilder mit guter Annäherung beseitigt werden (Entzerrung). Das Ergebnis sind lagerichtige Bilder in einem einheitlichen runden Maßstab. Technisch sind im wesentlichen folgende Verfahren der Entzerrung mit unterschiedlicher Korrektur der durch Geländehöhenunterschiede bedingten perspektiven Verzerrungen möglich: a) Durch Entzerrung mittels optischer Projektion von photographischen Bildern unter Verwendung eines Entzerrungsgerätes entstehen photographische, entzerrte Einzelbilder mit begrenzter Berücksichtigung des Einflusses der Geländehöhenunterschiede. Das Verfahren ist damit in der Aerophotogrammetrie nur für nahezu ebenes Gelände einsetzbar. b) Die Differentialentzerrung nutzt detaillierte Informationen über die Höhen der Geländeoberfläche in Form eines vereinfachten digitalen Höhenmodells zur Korrektur des Einflusses der Geländehöhenunterschiede bei der Entzerrung. Das Ergebnis ist ein lagerichtiges photographisches Orthophoto. c) Bei der digitalen Entzerrung werden digitale Bilder in einer photogrammetrischen Arbeitsstation numerisch transformiert. Unter Einbeziehung eines digitalen Höhenmodells des Geländeabschnittes entsteht ein lagerichtiges digitales Orthophoto.

Durch den geometrischen Zusammenschluß mehrerer Orthophotos zu einem Bildmosaik im Blattschnitt einer Karte und die Ergänzung und Überlagerung des Mosaiks mit topographisch-kartographischen Elementen sowie einer entsprechenden Kartenrandgestaltung werden photographische oder digitale Orthophotokarten als photogrammetrische Produkte erzeugt. Blattschnittfreie, gekachelt abgespeicherte digitale Orthophoto-Mosaiks sind gleichzeitig Basisdaten im Rasterformat für GIS als Grundlage der Prozesse der aufgabenbezogenen Bildanalyse, Bildauswertung und Kombination mit Geodaten aus anderen Ebenen des Informationssystems.

Die Zweibildauswertung gestattet die Gewinnung dreidimensionaler geometrischer Informationen aus Bildpaaren mit einer entsprechenden Bildüberdeckung. In der Regel wird hierzu das Verfahren der Stereophotogrammetrie zur räumlichen Auswertung dreidimensional wahrnehmbarer photogrammetrischer Modelle durch einen Operateur genutzt. Die Grundschritte zur Erzeugung der Modelle sind die Rekonstruktion der Aufnahmestrahlenbündel auf Basis der Daten der inneren Orientierung der beiden Bilder, die gegenseitige relative Orientierung der beiden Strahlenbündel und die absolute Orientierung des Modells im System der Objektkoordinaten. Werden digitale Bilder genutzt, so erfolgt die Orientierung der Bilder auf der Basis von Methoden der digitalen Bildzuordnung weitgehend automatisch.

Für die photogrammetrische Auswertung photographischer Stereobildpaare stehen geeignete Stereoauswertegeräte zur Verfügung. Die Ausmessung erfolgt visuell durch stereoskopisches Messen, indem aufgabenbezogen interessierende Punkte oder Linien mit einer Raummarke vom Operateur eingestellt bzw. abgefahren werden. Die Messung der geometrischen Größen aus Luftbildern setzt dabei das richtige Identifizieren der Objekte im Bild anhand seiner Merkmale durch die Luftbildinterpretation voraus. Zur stereoskopischen Messung digitaler Bilder werden photogrammetrische Arbeitsstationen genutzt, die hard- und softwareseitig für die Stereobetrachtung und -auswertung sowie die digitale Bildverarbeitung ausgerüstet sind. Die Implementierung photogrammetrisch-kartographischer CAD-Systeme ermöglicht im Zuge der digitalen Kartierung die objektorientierte strukturierte Auswertung, Speicherung und graphische Anzeige der durch Abfahren interessierender Punkte und Linien gewonnenen Vektordaten. Nach Editierung, Ergänzung und topographisch-kartographischer Überarbeitung werden die Daten über Plotter als Karten ausgegeben oder als Basisdaten in einem Geoinformationssystem gespeichert. Das Ergebnis einer manuellen oder automatischen punktweisen Höhenauswertung analoger oder digitaler Bildpaare ist ein digitales Höhenmodell des aufgenommenen Geländeabschnittes. Die Mehrbildauswertung mit genähert reihenweise aufgenommenen Luftbildern gestattet bei Vorliegen einer entsprechenden Bildüberdeckung durch eine numerische Aerotriangulation den mathematischen Zusammenschluß aller in die Rechnung einbezogenen photographischen oder digitalen Meßbilder eines Bildblockes. Die geometrischen Grundelemente können dabei aus benachbarten Bildern abgeleitete Modelle (Modelltriangulation) oder die Aufnahmestrahlenbündel der Bilder (Bündeltriangulation) sein. Als Ergebnis der Aerotriangulation erhält man die Objektkoordinaten aller in die Triangulation einbezogenen Bildpunkte sowie die Daten der äußeren Orientierung der Meßbilder. Die mittels Aerotriangulation koordinatenmäßig bestimmten Punkte dienen in der Ein- und Zweibildauswertung als Paßpunkte zur Bestimmung der Orientierungselemente der zu entzerrenden Bilder bzw. auszuwertenden Modelle. Die Mehrbildauswertung wird in der terrestrischen Photogrammetrie direkt zur Bestimmung der dreidimensionalen Objektkoordinaten diskreter Punkte des zu erfassenden Objektes genutzt. Durch die gegenüber der Zweibildauswertung wesentlich größere Anzahl von Beobachtungen pro Objektpunkt ergibt sich eine höhere Genauigkeit der Punktbestimmung. Dieser Aspekt ist gleichzeitig die Grundlage für die Nutzung direkt mit einer CCD-Kamera aufgenommener digitaler Bilder geringerer Auflösung. In das Auswertesystem implementierte CAD-Systeme ermöglichen die Ableitung von Vektordaten aus den Raumkoordinaten der diskreten Punkte, deren Visualisierung und Weiterverarbeitung bis zu virtuellen photorealistischen Modellen der Objekte (Virtual Reality Modeling).

Nach Erfindung der Photographie durch N. Niepce und L.J.M. Daguerre erfolgten erste praktische Anwendungen der Photogrammetrie 1858 in Deutschland auf dem Gebiet der Bauwerksaufnahme durch A. Meydenbauer und unabhängig davon in Frankreich 1859 durch A. Laussedat für topographische Aufnahmen. Die Auswertung der photographischen Meßbilder basierte bis zum Beginn des 20. Jh. in erster Linie auf graphischen Konstruktionen. Die weitere Entwicklung der Photogrammetrie wurde entscheidend durch die Einführung des stereoskopischen Meßprinzips durch C. Pulfrich 1901 und die Konstruktion der ersten optischen und mechanischen Auswertegeräte beeinflußt. Damit wurde der Übergang von den aufwendigen graphischen zu effektiveren analogen Auswerteverfahren ermöglicht. Die Entwicklung des Flugwesens in dieser Zeit erweiterte und verbesserte die Applikationsmöglichkeiten und die Effizienz der Photogrammetrie durch die Nutzung von Luftbildern entscheidend. So spielte der Einsatz des Luftbildes im 1. Weltkrieg eine wichtige Rolle bei der Aufklärung und der Vermessung des Geländes. Im Zeitraum zwischen den beiden Weltkriegen entstanden die Grundtypen der auch gegenwärtig noch z.T. eingesetzten Aufnahme- und analogen Auswertesysteme. Damit verbunden war eine breite Anwendung der Photogrammetrie primär für die Herstellung topographischer Karten, im Bereich der terrestrischen Photogrammetrie sowie auf dem Gebiet der Luftbildinterpretation für unterschiedliche Fachgebiete. Mit der raschen Entwicklung der elektronischen Datenverarbeitung und den Methoden der Digitalgraphik entstand die Grundlage für den Einsatz effizienter numerischer Verfahren auch in der Photogrammetrie. Erste analytische Stereoauswertegeräte mit einer numerischen Realisierung der Projektionsbeziehungen kamen etwa ab 1960 in der Praxis zum Einsatz. Die neuen Möglichkeiten einer flexibleren, effektiveren und genaueren Bildauswertung sowie der digitalen Kartierung führten zur Entwicklung rationell nutzbarer Auswertegeräte, die bis zum Ende des 20. Jh. Standard in der photogrammetrischen Praxis sind. Auf der gleichen Grundlage wurde die analytische Bildtriangulation zur Bearbeitung großer Bildblöcke theoretisch verfeinert und zu einem effizienten Verfahren mit breiter Anwendung entwickelt. Die moderne Entwicklung der Photogrammetrie ist gekennzeichnet durch den Übergang zur Aufnahme und Auswertung digitaler Bilder seit etwa 1970. Die Digitalphotogrammetrie wird geprägt durch die Entwicklung photogrammetrischer Arbeitsstationen und die zunehmende Automatisierung von Teilprozessen der Bildauswertung auf der Grundlage von Verfahren der digitalen Bildverarbeitung und Bildanalyse. Die Digitalphotogrammetrie ist aber auch die Grundlage für eine weitgehende Integration in den Gesamtprozeß der Erfassung, Speicherung und Analyse von Geodaten in Verbindung mit Geoinformationssystemen. Darüber hinaus ist die gegenwärtige Entwicklung der Photogrammetrie durch die aufgabenbezogene Kombination mit anderen Meßverfahren charakterisiert. Hierzu zählen die Integration von satellitengestützten Global Positioning Systems und Inertialsystemen zur Bestimmung der Daten der äußeren Orientierung bei der Luftbildaufnahme und der Navigation sowie bei der Paßpunktbestimung. Für die Erfassung der Höhen der Erdoberfläche kommt zunehmend das flugzeuggestützte Laserscanning zum direkten Abtasten der Erdoberfläche als Ergänzung zu photogrammetrischen Verfahren zum Einsatz. [KR]


Photogrammetrie: Verfahren der photogrammetrischen Herstellung von Karten und der Gewinnung von Basisdaten für Geoinformationssysteme. Photogrammetrie:

Photogrammetrie (Tab.): Sensoren, Aufnahmebereiche und Genauigkeitspotential der Satelliten-, Aero- und terrestrischen Photogrammetrie. Photogrammetrie (Tab.):

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