4. Vorlesung, 03.11.2005

Luftbildanalyse und Fernerkundung
4. Einheit – 3. November 2005
+ Beginn pünktlich 14:00 Uhr
+ Folien zur Vorlesung unter
http://homepage.univie.ac.at/thomas.engleder
+ Rückmeldungen, Anregungen, Kritik,
Verbesserungsvorschläge, ...
* persönlich nach der LV
* per e-mail ([email protected])
* auf der Rückseite der Anwesenheitsliste
Aufgabe:
Suchen Sie ein Luftbild ihres Wohnhauses, des Hauses ihrer
Eltern oder Bekannten im Internet.
 d.h. hochauflösendes Bild ist gefragt!
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Was finden Sie?
Welche Maßstäbe & Ausschnitte sind möglich?
Qualität der gefundenen Daten?
Probleme?
Tipp:
www.geoland.at
www.eama.at (nur mit Zugang, Landwirtschaft)
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text
Geometrische Grundlagen von Luftbildern
 Gegensatz:
 LB =======> Zentralprojektion
 Karte =====> Parallelprojektion (Orthogonalprojektion)
Das Senkrechtluftbild stellt eine zentralperspektivische Abbildung
des Geländes dar:
• Die von den Geländepunkten ausgehende
elektromagnetische Strahlung (Lichtstrahlen) geht durch ein
Projektionszentrum (= Objektiv).
• Das Strahlenbündel wird im Bild so wie es war bei der
Aufnahme wieder erzeugt und kann daher als geometrische
Figur der Bildmessung dienen.
LB werden häufig als Kartenersatz benutzt (vgl. Bildmosaik)
• Aber nur Strecken im ebenen Gelände werden gleich groß
abgebildet und zwar unabhängig von ihrer Lage zum
Nadirpunkt ( bei senkrechter Aufnahmeachse =
Bildmittelpunkt).
• Flächen werden gleich groß dargestellt = Grundrisse sind
unverzerrt.
Aber: verkleinert entsprechend ihrem Bildmaßstab.
Lagefehler im Senkrechtluftbild
• Weist das aufgenommene Gelände eine stärkere Reliefenergie auf, werden, infolge der zentralperspektivischen
Abbildung die einzelnen Geländepunkte über bzw. unter
der Bezugsebene auf dem LB jedoch nicht mehr
lagerichtig sondern verlagert abgebildet.
• Man spricht von Lagefehlern bzw. von einem
reliefbedingten Versatz von Geländepunkten in der
Senkrechtaufnahme
Reliefbedingter Versatz von Geländepunkten im Senkrechtbild
• Punkte auf der Bezugsebene und im Nadir (N) erfahren keine
Verlagerung
• Punkte über der Bezugsebene werden nach außen verlagert
• Punkte unter der Bezugsebene werden nach innen verlagert
• Der Lagefehler (Verlagerung, Versatz) wird um so größer, je
größer die Reliefenergie (= Höhenunterschiede) und die
Nadirdistanz und je kleiner die Brennweite (f)
Wichtig ist die Kenntnis der Parameter und die Lage der
Aufnahmekammer zur Geländeoberfläche zum Zeitpunkt der
Aufnahme:
+++ Um die wirklichen Abstände bzw. Dimensionen der Objekte aus
dem Luftbild berechnen zu können:
 Kenntnis der Kammerdaten (RMK – Reihenmesskamera)
INNERE ORIENTIERUNG
+ Brennweite
+ Lage des Hauptmittelpunktes (M):
= Durchstoßpunkt der Objektachse durch die Bildebene. Er fällt bei gut
justierten Kammern zusammen (M= Nadirpunkt N)
 Kenntnis des Aufnahmeortes der RMK
ÄUSSERE ORIENTIERUNG
+ Flughöhe (h)
+ Abweichung der Aufnahmerichtung vom Lot (Libelle)
Technische Daten auf LB (Codeschlüssel)
Luftbild (Senkrechtaufnahme) mit typischen Indizes
Beispiele für reliefbedingte Lagefehler
• Bei zunehmender Objekthöhe des Objektes über die
Bezugsebene und wachsender Entfernung vom Nadirpunkt
wächst die Bildmittelpunktverschiebung in radialer Richtung:
• Besonders an den Bildrändern und bei Vorhandensein von
hohen Objekten (mehrstöckigen Häusern) entstehen
Lagefehler und sichttote Räume
Maßstabsänderungen bei Geländestufen
• Bei größeren Höhenunterschieden ändert sich mit der
Höhe bzw. Tiefe der Abb.-Maßstab (Mb).
• Der Aufnahmekammer näher gelegene Objekte werden in
größerem Maßstab als tiefer gelegene, d.h. der
Aufnahmekammer weiter entfernte Gegenstände,
abgebildet.
Maßstabsänderungen bei Geländestufen
Gleitender Maßstab
• Gleiche Strecken auf verschieden hohen Ebenen (oberhalb
und unterhalb der Landstufe) werden verschieden groß
abgebildet.
• Ein Rechteck, das eine Geländestufe überlagert, ist bei
zentralperspektivischer Abb. kein Rechteck mehr.
• Die Strecken auf der unteren Landschaftsebene werden
wegen ihres größeren Abstandes von der Aufnahmekammer
kleiner abgebildet als die auf der oberen Landschaftsebene.
Maßstabsänderungen durch verschiedene Objekthöhen
N3
Bild 3
N2
Bild 2
Bild 1
N1
höher
tiefer
Beim Überfliegen einer geraden Straße in einem durch Geländestufen
reliefierten Gelände erscheinen höher gelegene Straßenstrecken vom
jeweiligen Nadirbildpunkt weggeknickt, tiefere Partien zum Zentrum
hingeknickt. Nur bei direktem Überfliegen erscheint die Straße gerade!!
Welche Lagefehler bzw. Höhenunterschiede sind noch zulässig
bzw. wann ist in der Bildmessung ein Gelände noch als „eben“
anzusprechen?
Faustregel:
Das Gelände kann noch als flach (eben) angesehen werden, wenn die Höhenunterschiede nicht größer sind als die Bildmaßstabszahl geteilt durch 500
Bildmaßstab
zulässige Geländeunterschiede in m
1:1000
2
1.000/500
1:5000
10
5.000/500
1:10.000
20
10.000/500
1:25.000
50
25.000/500
1:50.000
100
50.000/500
Geometrie von Luft- und Satellitenbildern
Zentralprojektion des Geländes in
die Bezugsebene eines Luftbildes
senkrechte Parallelprojektion des
Geländes in die Karte
Zentralprojektion
Zentral- und
Parallelprojektion
am Beispiel
Luftbild und Karte
Wirkung der Zentralprojektion in Senkrechtbildern
Wiedergabe von Gebäuden nahe der Bildmitte (rechtes Bild) und
nahe dem Bildrand (linkes Bild)
text
Geometrische Eigenschaften von
Fotos, Scanner- und Radar-Daten
In der Geofernerkundung treten erfahrungsgemäß drei
Gruppen von Sensoren mit ihren spezifischen geometrischen
Abbildungsgesetzen in den Vordergrund:
+ Fotographische Systeme,
+ Scanner-Systeme und
+ Radar-Systeme.
Bei all diesen Systemen können sich Höhenunterschiede und
Projektionsart ganz unterschiedlich auf die Bildgeometrie
auswirken
Fotographische Systeme …
bilden die Erdoberfläche in Zentralperspektive ab! Höher gelegene
Geländepunkte, d.h. Punkte oberhalb einer zu wählenden
Bezugshöhe, werden dabei in Senkrechtbildern von der Bildmitte
radial nach außen versetzt wiedergegeben.
Scanner-Systeme …
ergeben - ideale Flugbahnen vorrausgesetzt - eine Mischprojektion
aus paralleler (in Flugrichtung) und zentraler Projektion (senkrecht
zur Ebene). Demnach werden höher gelegene Punkte (im Gegensatz
zur Photographie) senkrecht zur Flugrichtung nach Außen versetzt.
Radar-Systeme …
weisen ebenfalls eine gemischte Projektion auf: In der Flugrichtung
liegt eine Parallelprojektion vor; senkrecht zur Bildebene eine
Schrägentfernungsprojektion in der höher gelegene Geländepunkte,
die ja von der ausgesandten Wellenfront zuerst getroffen werden,
zum Flugweg hin versetzt erscheinen.
Fotografische Aufnahmen
Nach Art der Aufnahmen unterscheidet man bei fotografisch
gewonnenen Bilddaten (z.T. auch bei Satelliten!) zwei Typen,
nämlich
+ die Schrägaufnahme und
+ die Senkrechtaufnahme.
Die Schrägaufnahme weist einen deutlichen Winkel zwischen
Erdoberfläche und Projektionsebene auf. Sie dient meist
allgemeinen Übersichtszwecken.
Die Senkrechtaufnahme ist hingegen von großer Bedeutung
für die Geofernerkundung, da mit ihr systematisch große
Areale photographisch zu Kartierzwecken aufgenommen
werden. Hier ist besonders die Auswertung von StereoLuftbildpaaren zu erwähnen.
Schrägluftbild von Rust
Senkrechtluftbild von Rust
ad Senkrechtaufnahme: Die im Bild wiedergegebene Fläche ist etwa
quadratisch begrenzt und der Bildmaßstab für alle Bilder gleicher
Flughöhe und Kamerabrennweite identisch.
Die Aufnahme erfolgt in festgelegten Flugmustern
(Befliegungsplänen) mit seitlicher Überlappung (ca. 60%), damit
kontinuierliche Flugbahnen mit Stereoaufnahmen abgedeckt werden
können.
Die ideale lotrechte Aufnahme ist im Normalfall nicht möglich,
da das Flugzeug turbulenten Schwankungen während des
Fluges ausgesetzt ist.
Dennoch sind die Abweichungen vom Lot sehr gering, so daß
man von Senkrechtaufnahmen im weiteren Sinne sprechen
kann.
Bildmaßstab
Bildmaßstab ist das Verhältnis von Bildstrecke zu
Geländestrecke.
Die Aufnahmeneigungen und die Geländehöhenunterschiede
führen dazu, dass der Maßstab innerhalb eines Bildes
uneinheitlich ist. Er wird daher stets nur in abgerundeten
Zahlenwerten angegeben.
Ist der Bildmaßstab nicht bekannt, kann er errechnet werden
aus dem Verhältnis einer Bildstrecke s’ zur Kartenstrecke s
oder von Kamerakonstante ck (Brennweite) zu Flughöhe hg.
Mb = 1/mb = s’/s = ck/hg
Zur topographischen Kartierung gilt als Faustregel:
mb = 250 √mk
(mb = Bildmaßstabszahl, mk = Kartenmaßstabszahl)
Demnach ist bspw. zur Kartierung im Maßstab 1:25.000
ein Bildmaßstab von ca. 1:40.000 zweckmäßig.
Für folgende Fragestellungen werden beispielsweise gerne
folgende Bildmaßstäbe gewählt:
+ Geologie, Geowissenschaften: 1:20.000 – 1:30.000, 1:50.000
+ Straßenbau:
Grobplanung: 1:12.000 – 1:13.000
Detailplanung: 1:4.000
+ Forstwirtschaft: 1:12.000
für Großrauminventuren  kleiner Maßstäbe
für Baumschädenkartierung  größere Maßstäbe
Allgemein ist festzustellen, dass in größeren Bildmaßstäben
die Interpretation von Einzelobjekten leichter ist. Es wird aber
schwieriger Zusammenhänge zu überschauen bzw. zu
erkennen.
Außerdem ist zu bedenken, dass die Anzahl der
aufzunehmenden und zu handhabenden Bilder mit dem
Maßstab wächst.
In einer Karte ist das Gelände senkrecht auf eine horizontale
Bezugsfläche projiziert. Das Luftbild ist im Gegensatz dazu
eine Zentralprojektion.
Dies hat zur Folge, daß Objektpunkte, welche über der
Bezugsfläche liegen, vom Bildnadirpunkt (Mittelpunkt) radial
nach außen versetzt werden; darunter liegende nach innen!
Dieser Effekt ist umso stärker, je größer der Achsenwinkel vom
Nadirpunkt ist; in der Bildmitte verschwindet er ganz.
Die Kenntnis dieser Zusammenhänge kann dazu dienen, die
Höhe der Objekte zu bestimmen. Wenn der Objekthochpunkt
und der darunter befindliche Fußpunkt eines Objektes zu
sehen ist, kann man aus der radialen Versetzung der Punkte
(∆r') die Objekthöhe (∆h) ableiten
Schematisierte radiale Versetzung durch Höhenunterschiede
Bei genauen Kartierungen müssen auch die internen
Verzerrungen korrigiert werden, die aus der Abweichung von
der Lotlinie der Senkrechtaufnahme abzuleiten sind.
In einem idealen Nadirbild ist der Bildmaßstab überall gleich;
bei Abweichungen resultiert eine Verzerrung des Maßstabes
innerhalb derselben Aufnahme.
Diese ungünstigen geometrischen Verzerrungen werden durch
Vergleiche mit topographischen Paßpunkten behoben.
Streng genommen bleibt jedoch immer ein Restfehler zurück,
da die Topographie des Geländes zu weiteren
Projektionsverzerrungen führt. Bei Überschreiten einer
Fehlertoleranzgrenze sollten dann die aufwendigeren
Methoden der Photogrammetrie Anwendung finden.
Verzerrung
Geometrie von Scanner- und Radarbildern
... folgt später
Entzerrung
Entzerrung
Entzerrung
Entzerrung
Luftbild
 Orthofoto
Orthofotos
Die negativen Auswirkungen der Zentralprojektion,
geometrische Verzerrungen bei der Abbildung der
Landschaftsobjekte, werden durch Umbildung des
Originalluftbildes in eine genäherte Parallelprojektion unter
Berücksichtigung der genauen Reliefform, erfasst in einem
Digitalen Geländehöhenmodell (DEM), beseitigt.
Das Verfahren wird als Luftbildentzerrung bezeichnet und das
dabei entstehende Produkt als Orthofoto (griech.: orthós - richtig,
gerade, aufrecht).
Das Orthofoto hat über die gesamte Bildfläche einen
einheitlichen Maßstab und Raumbezug und weist daher die
gleichen Eigenschaften wie eine Topographische Karte auf.
Orthofotos gibt es flächendeckend für ganz Österreich.
Hauptvorteile eines Orthofotos sind …
+ dass man Distanzen auf ihm messen
+ und daraus Flächen berechnen kann …
+ außerdem können mehrere Fotos zu einer Gesamtübersicht
zusammengesetzt werden.
Bsp.:
Blattschnitt und Verfügbarkeit von
Orthofotos
im Norden Vorarlbergs;
Vbg. Landesregierung
Stereoskopisches Sehen
Dass wir räumlich sehen können, verdanken wir im
wesentlichen zwei Dingen:
+ Wir besitzen zwei Sehorgane (Augen) mit koordinierter
Muskelsteuerung
+ Das Sehzentrum unseres Gehirns verarbeitet die
gewonnenen Bilder und modelliert sie räumlich
Um das Konzept des stereoskopischen Sehens zu verstehen, muss
man sich nur die Tatsache bewusst machen, dass jedes Auge beim
Betrachten eines Objektes einen geringfügig anderen Winkel zum
Objekt einnimmt:
Je weiter entfernt wir schauen, desto eher sind unsere Augäpfel
parallel ausgerichtet. Betrachten wir dagegen sehr nahe Objekte,
müssen wir unsere Augäpfel nach innen, zur Nase hin, drehen.
Stereoskopisches Sehen
Diese naturgegebene Bewegung der Augen nehmen wir
normalerweise nicht bewusst wahr. Durch frühkindliche Lernprozesse
und Erfahrung haben wir uns daran gewöhnt, dass unsere Augen
automatisch den Punkt fokussieren, den wir gerade anschauen.
Viele optische Täuschungen leben davon, dass unser Gehirn
erfahrungsbasiert arbeitet und wir dadurch verwirrt werden, dass
etwas nicht so erscheint, wie wir es gewohnt sind.
Den Automatismus des Gehirns können wir willkürlich außer Kraft
setzen. Den meisten Menschen dürfte das bewusste Schielen
bekannt sein, ebenso das entspannte Hindurchschauen durch
Objekte oder Personen, um die Augen in der imaginären
Unendlichkeit ausruhen zu lassen.
Genau diese beiden Methoden der bewußten Augensteuerung
können wir uns zunutze machen, um Stereobilder ohne jedes
Hilfsmittel zu betrachten
+ Parallelblick
+ Kreuzblick
Stereoskopisches Sehen
PD ... Pupillendistanz
d ... Tiefenwahrnehmung
x1, x2 ... Konvergenzwinkel
* ... Stereoskopische Paralaxe
Hilfsmittel zum künstl. stereoskopischen Sehen
Stereoskopisches Sehen
Anaglyphen
Bei den Anaglyphenbildern (= ist ein spezielles Stereogramm = eine
Abbildung, bei der bei entsprechender Betrachtung eine räumliche
Tiefenwirkung sichtbar wird) werden die beiden stereoskopischen
Halbbilder übereinander gedruckt, wobei beide Halbbilder in
Komplementärfarben eingefärbt werden.
Mit einer entsprechend gefärbten Brille, wird für jedes Auge
das richtige Halbbild herausgefiltert.
Meist werden die Farben Rot und Blau bzw. Rot und Grün
verwendet.
Anaglyphenbild, Großglockner-Hochalpenstraße
Echtfarbenbild, Großglockner-Hochalpenstraße
Anaglypenbild und Echtfarbenbild im Vergleich
Aufgabe:
 Zusammengefasste Information zu digitalen Farb-Orthofotos
von OÖ
 download unter http://www.univie.ac.at/thomas.engleder
 LESEN