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Lexikon der Kartographie und Geomatik: Photogrammetrie

Photogrammetrie
K. Regensburger, Dresden
Die Photogrammetrie, Bildmessung, E photogrammetry, umfasst die Gesamtheit der Theorien, Verfahren und Geräte zur Gewinnung, Verarbeitung und Speicherung von primär geometrischen Informationen (Form, Größe, Lage u. a.) über Objekte und Prozesse aus Bildern (Messbildern).
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 zum anderen die Bestimmung von Objektkoordinaten und daraus abgeleiteter Größen (Weg, Geschwindigkeit u. a.) für diskrete Punkte des aufgenommenen Objektes (Abb.).
Aufgrund der verwendeten Plattform sind Satellitenphotogrammetrie, Aerophotogrammetrie und terrestrische Photogrammetrie 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 (Tab.).
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 aus den Teilprozessen Bildaufnahme, Bildspeicherung und Bildauswertung. Bei der Nutzung digitaler Bilder wird die zeitliche Trennung zwischen den Teilprozessen zunehmend reduziert und damit 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. Photographische Messkameras werden sowohl in der Satelliten- als auch in der Aero- und terrestrischen Photogrammetrie eingesetzt. Sie gestatten die gezielte Aufnahme von Einzelbildern, Bildpaaren und Bildreihen mit einer vorgegebenen Bildüberdeckung zur flächenhaften Erfassung von Teilen der Oberfläche der Erde oder anderer Planeten.
Digitalkameras auf der Basis einer optoelektronischen Bildaufzeichnung mit einem CCD-Array gestatten eine flächenhafte Bilderfassung nur für relativ kleine Bildformate. Ihr Einsatz ist deshalb gegenwärtig noch auf die terrestrische Photogrammetrie beschränkt. Digitale Kameras mit ein oder mehreren CCD-Zeilen besitzen demgegenüber den Vorteil eines etwa dreifach größeren Bildformates in Richtung der Zeilen.
In der Satellitenphotogrammetrie dominiert der Einsatz von digitalen Kameras mit Zeilensensoren aufgrund der Vorteile bei der Bildspeicherung und funktechnischen Datenübertragung zur Erde. Nahezu ausschließlich werden demgegenüber in der Aerophotogrammetrie zur Zeit noch Luftbildmesskameras aufgrund ihrer hohen geometrischen Auflösung zur Luftbildaufnahme verwendet. Der operative Einsatz digitaler Luftbildkameras wird etwa seit 2000 erprobt. In der terrestrischen Photogrammetrie ist demgegenüber der Übergang zur Nutzung digitaler Kameras nahezu vollzogen. Die Speicherung der aufgenommenen Bilder ist im Prinzip an die physikalische Form der Bildaufzeichnung in der Kamera gebunden (photographisches oder digitales Bild). Digitale Bilder werden extern auf Speichermedien wie CD-ROM, Magneto-Optical-Disk u. a. abgelegt. Bei der direkten Aufnahme mit einer digitalen Kamera bzw. bei der Analog-Digital-Wandlung photographischer Bilder sind große Datenmengen abzuspeichern und zur Visualisierung in einen Rechner einzulesen. Die Vorzüge digitaler Bilder liegen in den Möglichkeiten einer einfach zu realisierenden numerischen Bildverbesserung sowie der weitgehenden Automatisierung des photogrammetrischen Auswerteprozesses.
Die photogrammetrische Bildauswertung erfolgt aufgabenbezogen entsprechend der Anzahl der in die Auswertung einbezogenen Bilder mit den Verfahren der Einbild-, Zweibild- oder Mehrbildauswertung. Während durch Einbildauswertung ein Objekt nur zweidimensional erfasst werden kann (z. B. Grundriss eines Geländeabschnitts), gestattet die gemeinsame Auswertung mehrerer Bilder eine dreidimensionale Messung der aufgenommenen Objekte.
Mithilfe der Einbildauswertung werden Einzelbilder optisch oder numerisch, unter Einbeziehung von Höheninformationen über den erfassten Geländeausschnitt, so transformiert, dass die Verzerrungen der Steilbilder mit guter Annäherung beseitigt und ein einheitlicher runder Bildmaßstab erreicht wird. Technisch sind im Prinzip folgende Verfahren der Entzerrung mit unterschiedlicher Korrekturmöglichkeit der durch Geländehöhenunterschiede bedingten perspektiven Verzerrungen möglich: 1. Die Entzerrung mittels optischer Projektion von photographischen Bildern unter Verwendung eines Entzerrungsgerätes. 2. Die Erzeugung eines photographischen Orthophotos durch Differentialentzerrung mittels optischer Projektion unter Nutzung detaillierter Informationen über die Höhen der Geländeoberfläche (digitales Höhenmodell). 3. Die Gewinnung digitaler Orthophotos erfolgt durch digitale Entzerrung digitaler Bilder in einer photogrammetrischen Arbeitsstation. Die Bilder werden unter Einbeziehung eines digitalen Höhenmodells des Geländes numerisch transformiert.
Die Zweibildauswertung gestattet die Gewinnung dreidimensionaler geometrischer Informationen aus Bildpaaren mit einer entsprechenden Bildüberdeckung. Hierzu wird i. d. R. 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 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, (Stereokartierung) stehen geeignete meist analytische Auswertegeräte zur Verfügung. Die Ausmessung erfolgt visuell durch stereoskopisches Messen.
Zur stereoskopischen Ausmessung digitaler Bilder werden photogrammetrische Arbeitsstationen genutzt, die hard- und softwareseitig für die Stereobetrachtung und -auswertung sowie die digitale Bildverarbeitung ausgerüstet sind. 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 einer entsprechenden Bildüberdeckung, durch eine numerische Aerotriangulation den mathematischen Zusammenschluss aller in die Rechnung einbezogenen photographischen oder digitalen Messbilder eines Bildblockes. Als Ergebnis der Aerotriangulation erhält man die Objektkoordinaten aller in die Triangulation einbezogenen Bildpunkte sowie die Daten der äußeren Orientierung der Messbilder. Die Mehrbildauswertung wird in der terrestrischen Photogrammetrie direkt zur Bestimmung der dreidimensionalen Objektkoordinaten diskreter Punkte des zu erfassenden Objektes genutzt. 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. Geschichte: 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 photographischer Messbilder basierte bis zum Beginn des 20. Jhs. 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 aufwändigen graphischen zu effektiveren analogen Auswerteverfahren ermöglicht. 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 der Methoden der Digitalgraphik entstand die Grundlage für den Einsatz effizienter numerischer Verfahren auch in der Photogrammetrie. Erste analytische Stereoauswertegeräte kamen etwa ab 1970 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. Jhs. Standard in der photogrammetrischen Praxis waren.
Die moderne Photogrammetrie ist seit etwa 1990 gekennzeichnet durch den Übergang zur Aufnahme und Auswertung digitaler Bilder. Die Digitalphotogrammetrie wird dabei geprägt durch die Entwicklung digitaler Aufnahmesysteme, 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. Für die direkte digitale Bildaufnahme stehen etwa seit 1990 leistungsfähige digitale Kameras für die terrestrische Photogrammetrie und etwa seit 2000 erste digitale Luftbildkameras für die Luftbildaufnahme zur Verfügung. Die Verbesserung der geometrischen und radiometrischen Auflösung digitaler Aufnahmesysteme in der Fernerkundung bewirkte eine Genauigkeitssteigerung der Informationsgewinnung und damit eine Erweiterung der effizient zu bearbeitenden Bild- und Kartenmaßstäbe. Da außerdem zunehmend gleiche Verfahren der digitalen Bildverarbeitung genutzt werden, werden die Grenzen zwischen Photogrammetrie und Fernerkundung immer stärker durch die technische Entwicklung aufgehoben.


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

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

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