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ZUSAMMENFASSUNG
DIPLOMARBEIT
Nina Boldt
Thema
Entwicklung objektbezogener Auswertungen
aus der Bilddatenbank CityServer® der Tele-Info AG
© Nina Boldt
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Einführung in die Thematik
Die CityServer®-Technologie ist eine Eigenentwicklung der Firma Tele-Info AG in
Garbsen und wurde nach mehrjähriger Vorbereitung erstmals im Jahr 1998
vorgestellt. Aus bescheidenen Anfängen hat sich mittlerweile ein breites
Anwendungsspektrum mit vielfältigen Fachanwendungen im Bereich räumlicher
flächendeckender Visualisierungen entwickelt, in denen die CityServer®-Technologie
besonders interdisziplinäre Aufgaben löst. Ziel dieser Arbeit war in diesem
Zusammenhang die Untersuchung und Entwicklung von Verfahren im Bereich
Bildauswertung.
Die Bilddatenbank CityServer® enthält positionsbezogene Bilddatensätze, die
kontinuierlich vom öffentlich befahrbaren Straßennetz aufgenommen worden sind.
Jedem Bilddatensatz (bis zu 15 Blickwinkel zu einer Fahrzeugposition) ist die
geographische Koordinate der Fahrzeugposition zugeordnet. Alle Bilder zusammen
ergeben einen lückenlosen Bilddatensatz. Dabei ist jedem Bild eine Koordinate im
WGS84 zugeordnet. Das Programm kann als Standalone-Version genutzt oder in ein
beliebiges GIS wie zum Beispiel ESRI, MAPINFO, SMALLWORLD oder SICAD
integriert werden. Für browserbasierte Offline-Anwendungen steht der
WebCityServer® zur Verfügung.
Die Komplexität des Themas verlangte eine eingehende Betrachtung der Gewinnung
von Orientierungsparametern, die unerläßlich für die Bildauswertung sind. Es wurden
verschiedene Auswertungsverfahren vorgestellt, die eine Programmimplementierung
und schließlich die Anwendung durch den Nutzer nach sich zogen.
Aufgaben und Ziele der CityServer®-Technologie
Wie Studien ergaben, haben schätzungsweise 80 % aller Entscheidungen im
kommunalen Bereich einen Raumbezug und setzen die Kenntnis raum- und
infrastrukturbezogener Informationen voraus. Von Interesse sind Antworten auf die
Fragen: Wo passiert was? Wo ist was geplant? Wie sieht es vorort aus?
Ziel des CityServer® ist es daher, beliebige Städte oder Regionen systematisch und
flächenhaft in einer digitalen Bilddatenbank zu erfassen. Die heutige CityServer®Technologie bietet eine lückenlose Sammlung geokodierter, farbiger Bilder von
Städten und Regionen.
Desweiteren läßt sich das georeferenzierte Bildmaterial wie oben erwähnt auch mit
anderen Geoinformationssystemen verknüpfen. Durch den Ortsbezug ist ein
Abgleich mit Karten, Luft- und Satellitenbildern wie auch mit Datenbanken,
Planungen und Konzepten (Flurstückspläne, Flächennutzungspläne) oder beliebigen
anderen geokodierten Informationen möglich. Man erhält wirklichkeitsgetreue
Rundumansichten und kann sozusagen eine virtuelle Ortsbegehung am Computer
vornehmen. So ist es möglich, Gegebenheiten einer Region sichten, bewerten,
einordnen, planen und dokumentieren zu können, ohne direkt am Ort sein zu
müssen. Diese Tatsache bringt Einsparungen von Kosten und Zeit mit sich, da
Ortsbesichtigungen häufig entfallen und fördert ein effizientes und effektives
Arbeiten.
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Das Softwarepaket CityServer® bietet folgende Vorteile:
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reale flächendeckende Veranschaulichung des öffentlichen Raumes
hohe Informationsdichte
nutzerfreundliche Bedienung
vielfältige Einsatzgebiete und ein weites Anwenderfeld
Möglichkeit der Einbindung in andere GIS-Systeme
geringer Kostenaufwand im Vergleich zu sonstigen Datenerfassungskosten
Zeiteinsparungen
Die Fähigkeit, abstrakte Geoinformationen von Objekten, Straßen und Regionen so
realitätsnah wie durch die CityServer®-Technologie vom Rechner aus betrachten zu
können, begründet die vielfältigen Einsatzbereiche, die in der folgenden Übersicht
exemplarisch dargestellt werden.
Einsatzbereiche der CityServer®-Technologie:
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Archiv
Bauordnung
Bürgerbüro bzw. Webseite einer Stadt
Denkmalpflege und Bodendenkmalpflege
Energieversorger
Entsorgung
Feuerwehr/ Polizei und THW sowie Notdienste
Hochbau
Kirchenbau
Kultur; Freizeit und Sport
Liegenschaften
Öffentlichkeitsarbeit und Marketing
Ordnung
Sanierungsträger
Sozialdienste und medizinische Einrichtungen
Stadtplanung / Stadtentwicklung und -erneuerung
Straßen- und Tiefbau
Tourismus
Umwelt und Naturschutz
Verkehrsbetriebe, Bahn, Flughäfen
Wirtschaft
Die Software CityServer® und PictureServer
Das Softwarepaket CityServer® setzt sich zusammen aus den Komponenten Karte
und PictureServer. Beim Aufruf des Programms CityServer® erscheint automatisch
zum einen das Kartenfenster, in dem der Kartenausschnitt geöffnet wird, der den
Koordinatenbereich der dazugehörigen Bilddatenbank enthält und zum anderen der
so genannte PictureServer, der zur Darstellung der Bilddatensätze dient.
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Aufnahmeprozeß und Datenverarbeitung
Die Bilddatenbank des CityServer® entsteht, indem mit bis zu fünfzehn Kameras
bestückte Fahrzeuge das öffentlich befahrbare Straßennetz abfahren und dabei in
den verschiedenen Blickrichtungen fortlaufend Aufnahmen machen. Dies geschieht
in so kurzen zeitlichen Abständen, daß die Fotos eines Bilddatensatzes
zusammengenommen quasi einen lückenlosen 360° Rundumblick bilden. Zudem
wird zu jedem einzelnen Bilddatensatz automatisch die jeweilige Koordinate im
WGS84 gespeichert.
Für die Arbeit an bzw. mit einem Aufnahmefahrzeug war es unerläßlich, möglichst
genaue Informationen über dessen Konfiguration zu besitzen. Die genaue Definition
der Einstellungen, zu denen eine genaue Positionsbestimmung der Kameras (X-, Y-,
Z-Koordinate) und deren Ausrichtungswinkel zählen, spielten eine wesentliche Rolle
für diese Arbeit und mußten den Anforderungen entsprechend neu ermittelt werden.
Desweiteren mußten die Werte für den Zoomfaktor -also die Brennweite- im Rahmen
einer Kalibrierung bestimmt werden.
Konzeption objektbezogener Bildauswertungen
Die im Rahmen dieser Diplomarbeit betrachteten objektbezogenen Bildauswertungen
zielten auf die Frage ab, welche Informationen wie aus Bildern gewonnen werden
können und gleichzeitig, welchen Nutzen für welche Zielgruppe von Anwendern
diese haben könnten. Unterteilen kann man die Bildaufnahmen grob in drei Gruppen:
Bilder der Straßenoberfläche, Bilder des Verkehrsgeschehens und von Kreuzungen
sowie Seitenkamera- und Fassadenbilder. Aufgabe dieser Diplomarbeit war somit, zu
untersuchen wie man anwendungsspezifische Informationen aus Bildern gewinnen
und als neue Features in die CityServer®-Technologie integrieren kann.
Im Allgemeinen ließen sich aus den oben genannten Ideen für objektbezogene
Bildauswertungen folgende Fragen formulieren:
1. Welche weiteren Anwendungen sind vorstellbar, welche Funktionen
wünschenswert?
2. Wer könnte den Anwenderkreis erweitern?
3. Welche Probleme treten beim bestehenden System auf, welche Änderungen machen Sinn?
4. Gibt es eine bessere Konfiguration der Kameras?
5. Wie kann man in Bildern messen?
6. Wie kann man Entfernungen vom Standort zu bestimmten Positionen im
Bild berechnen?
7. Wie genau kann eine Koordinatenposition bestimmt werden?
8. Kann man Bilder entzerren und zu einem Panorama zusammenfügen?
9. Sind Einstellungen und Berechnungen soweit verallgemeinerbar, daß sie
ohne großen Aufwand auf jedes beliebige Kamerasystem übertragen werden
können?
10. Wie kann eine programmiertechnische Umsetzung und eine nutzerfreundliche Bedienung aussehen?
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Theoretische Grundlagen
Zunächst wurde theoretisches Grundlagenwissen zusammengetragen, das für die
Bildauswertung einen wichtigen Grundstein bei der Problembetrachtung und
Entwicklung von Lösungen bildet. Es wurden spezielle Arbeitsgebiete der
Photogrammetrie vorgestellt und die Trennung in zwei grundsätzliche Arten der
Bildauswertung aufgezeigt. Desweiteren wurden die Eigenschaften und
Besonderheiten von digitalen Kameras, insbesondere von CCD-Sensoren und
Objektiven erläutert. Nachfolgend wurden relevante Begriffe zum Verständnis von
Aufnahme- und Abbildungsprinzipien definiert, die durch Darstellung einfacher
Kameramodelle ergänzt worden sind. Abschließend wurde die umfangreiche
Thematik der Transformationen behandelt, die in späteren Versuchen Anwendung
fand.
Bildauswertung ohne Kalibrierung
Inhalt ist die Anwendung der ausführlich diskutierten Transformationen (Helmert,
Affin). Unter dem Aspekt keine bekannten Parameter vorauszusetzen werden erste
Erkenntnisse über die Positionsbestimmung in Bildern gewonnen.
Ermittlung der Orientierungsparameter
Die Ermittlung der inneren und äußeren Orientierungsparameter stellt einen
wesentlichen Teil der Diplomarbeit dar. Wie im theoretischen Teil bereits
abgehandelt war die Kenntnis der Orientierungsparameter unerläßlich, um andere als
die bereits untersuchten Auswerteverfahren anzuwenden. Es blieb zu überprüfen,
welche Ergebnisse bezüglich der Meßgenauigkeit in Bildern erreichbar sein würden.
Eine große Hilfe war dabei das Entwicklungsfahrzeug der Tele-Info AG.
Kalibrierung des Entwicklungsfahrzeuges
Um die späteren Bilddaten auswerten zu können, mußten die individuellen
Parameter wie Brennweite, Radialverzerrung und Hauptpunktverschiebung bestimmt
werden. Außerdem mußte die Beziehung der Kameras untereinander festgehalten
werden. Durch die gewonnenen Parameter erhält man die Abbildungseigenschaften,
Positionierungen und Orientierungen der Kameras bezogen auf das gemeinsame
Koordinatensystem. Es wurden unterschiedliche Kalibriermuster zur Kalibrierung
eingesetzt.
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Implementierung der neuen Anwendung in die CityServer®-Software
Die Realisierung des vorgestellten Abbildungsverfahrens in die CityServer®-Software
wurde mittels der objektorientierten Programmiersprache MS Visual C++ 5.0
(Microsoft) vorgenommen.
Durchführung der neuen Funktion an Testfahrten
Letztendlich waren drei verschiedene Komponenten zusammenzuführen, um
aussagekräftige Ergebnisse zu gewinnen. Erstens standen die Aufnahmedaten der
Testfahrt bereit, zweitens wurden die Straßenbebauungspläne mit der Karte
verknüpft und drittens wurde das neue Berechnungsverfahren programmtechnisch
realisiert und in die CityServer®-Software implementiert.
Die neue Funktion sieht für den Nutzer folgendermaßen aus:
Der Nutzer klickt einen Bodenpunkt eines beliebigen Bildes mit der rechten
Maustaste an und wählt aus dem rechten Mausmenü die neue Funktion ‘BodenPunkt ermitteln’ aus. Es erscheint daraufhin ein Fenster mit ausführlichen
Informationen über den angeklickten Punkt inklusive des Ergebnisses, nämlich der
errechneten Entfernung des Punktes zum Fahrzeug (bezogen auf die entsprechende
Kamera) und der Winkel des Punktes zur Fahrtrichtung sowie die Lage zum GPSSender. Alle einzeln errechneten Entfernungspunkte können abgespeichert und
zusammen im Kartenfenster dargestellt werden.
Gesamtergebnis
Zusammenfassend läßt sich die Aussage treffen, daß ohne Berücksichtigung aller
Orientierungsparameter eine Genauigkeit von 1 bis 10 Metern erreichbar ist. Fließt
der Verzerrungskoeffizient K1 mit in die Berechnung ein, wird die Genauigkeit auf
einen Bereich zwischen 1 und 6,25 Meter erhöht. Diese Aussagen beziehen sich auf
alle Kameras insgesamt. Betrachtet man die Kameras einzeln, können
Genauigkeiten von 1 bis 2,5 Meter erzielt werden. Viele Tests bestätigen diese
Aussage. Gründe für Schwankungen bei der Positionsbestimmung sind zum einen
sicherlich in der Ungenauigkeit beim Anklicken des entsprechenden
Objektfußpunktes zu sehen, kommen aber auch durch die verschiedene Lage der
Punkte im Bild zustande. Nicht zu vernachlässigen ist an dieser Stelle weiterhin die
Bewegung des Fahrzeuges, die natürlicherweise gewissen unregelmäßigen
Schwankungen unterlegen ist, die sich auf die Bilder übertragen bzw. sich auf sie
auswirken.
Die Resultate zeigen insgesamt gute Ergebnisse, die eine Einsatzfähigkeit auf jeden
Fall ermöglichen. Für Straßenverkehrsämter kann diese Anwendung eine Hilfe beim
Erstellen eines Schilderkatasters oder ähnlichem sein. Ein nächster Schritt in der
Weiterentwicklung könnte die Attributierung angeklickter Punkte sein, um Objekte mit
weiteren Informationen versehen zu können. Insgesamt gesehen stellt diese neue
Funktion bereits in der heutigen Form eine Erweiterung des Anwendungsfeldes des
CityServer®-Systems dar und ist für vielfältige Nutzungen vorstellbar .
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Schlußbetrachtung
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung neuer Bildauswerteverfahren für die
CityServer®-Technologie. Insgesamt bestand die Arbeit nicht ausschließlich aus
einem Theorieanteil, sondern erforderte auch einen recht großen Anteil an
praktischer Arbeit. Zunächst bestand die Aufgabe darin, sich in die CityServer®Technologie einzuarbeiten, um Möglichkeiten zu erkennen und neue Ideen zu
entwickeln. Dazu gehörte auch, den Prozeß der Aufnahme zu begreifen. Eine
Auseinandersetzung mit der Technik und dem Aufbau der Fahrzeuge war ebenso
erforderlich wie die Verfolgung der Datenströme -von der Aufnahme über die
Aufbereitung bis hin zur Fertigstellung für die Software.
Nach erfolgter Konzeption galt es, speziell auf die CityServer®-Technologie
zugeschnittene Lösungen zu entwickeln. Eine theoretische Betrachtung der Thematik
Bildauswertung brachte das nötige Hintergrundwissen. Durch die eigene Entwicklung
eines Testfeldes mit Durchführung von Versuchen konnten vorher theoretisch
abgehandelte Verfahren erfolgreich angewendet und ausgewertet werden. Die
Auswertung brachte gute Versuchsergebnisse und ermöglichte Vergleiche zwischen
verschiedenen Bildaufnahmen und Transformationen. Im weiteren Verlauf der Arbeit
wurden umfangreiche Kalibrierungen aller Kameras erforderlich. Die damit
einhergehende praxisbezogene Arbeit machte deutlich, daß das Thema
Bildauswertung in Bezug auf das CityServer®-System sehr differenziert betrachtet
werden muß. Eine Arbeit speziell für die CityServer®-Technologie war eine große
Herausforderung, da dieses System in dieser Form einzigartig ist und sich
theoretische Verfahren nur bedingt anwenden lassen. Die Realisierung und
Umsetzung neuer Bildauswertungsmöglichkeiten direkt am CityServer®-System
erforderte somit viele innovative Ideen. Nach Entwicklung eines neuen Weges für die
Positionsbestimmung in Bildern bestand das Ziel darin, diesen in die CityServer®Software zu integrieren (Visual C++) und vor allem die Orientierungsparameter zu
nutzen. Insgesamt gesehen können die eingangs aufgestellten Fragen beantwortet
werden. Erweiterungsmöglichkeiten betreffen die Meßbarkeit in Bildern der
Straßenbelagskamera und Positionsbestimmung von Objekten.
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