Beuth Hochschule für Technik Berlin

Prof. Dipl.-Ing. Michael Breuer
 
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Was sind Photogrammetrie und Fernerkundung?

Die Photogrammetrie umfasst verschiedene Methoden und Verfahren zum Messen mit Bildern. Bei der Fernerkundung ist die Analyse der Bildinhalte der wichtigste Anwendungszweck. Das Bild dient als primärer Informationsspeicher sämtlicher Information der Objekte, die im Bild zu sehen sind. In den meisten Fällen werden zusätzlich sekundäre Informationen (Metadaten) benötigt und mit ausgewertet (z.B. Orbitdaten, Kameradaten oder Passpunktkoordinaten im Objektraum).

Photogrammetrie und Fernerkundung sind physikalische Messverfahren, weil elektromagnetische Strahlung als "Informationsübermittler" dient, ohne die eine Bildaufnahme nicht möglich wäre. Die Strahlung wird durch ihre Wellenlängen im elektromagnetischen Spektrum charakterisiert. Bei natürlicher Beleuchtung dient die Sonne als Strahlungsquelle. Aber auch künstlich beleuchtete Objekte lassen sich abbilden. Die Photogrammetrie nutzt in der Regel den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (ca. 380-780nm) und das nahe Infrarot (ca. 780-1000nm) für die Bildaufnahme (optische Kamerasysteme). Die (multispektrale) Fernerkundung nutzt einen weitaus größeren Wellenlängenbereich. Er erstreckt sich vom sichtbaren Licht (VIS=visible), nahen Infrarot (NIR=near infrared), mittleren Infrarot (SWIR=short wave infrared, 1000-7000nm), thermalen Infrarot (TIR=thermal infrared, 8000-15000nm) bis hin zu den Mikrowellen der fernerkundlichen Radarsysteme (ab ca. 3cm).

In Photogrammetrie und Fernerkundung wird zwischen aktiven und passiven Aufnahmesystemen unterschieden. Passive Aufnahmesysteme nutzen die Strahlung einer externen Strahlungsquelle (Sonne, Blitzlicht, Scheinwerfer). In diese Kategorie fallen alle optischen (Mess-)Kameras. Aktive Aufnahmesysteme erzeugen die für die Messung notwendige Strahlung selbst. Dazu gehören Laserscanner und Radarsysteme.

Oft werden viele Bilder in den Auswerteprozess mit einbezogen (Mehrbildphotogrammetrie). Bestimmte Auswertungen sind mit Einzelbildern möglich (Einbildphotogrammetrie, z.B. Bild-Entzerrung). Werden zwei Bilder ausgewertet, deren Aufnahmerichtungen näherungsweise parallel sind und die senkrecht auf einer gemeinsamen Basis stehen, so wird dieser Spezialfall stereoskopische Auswertung genannt (Stereophotogrammetrie).

Berührungslose (Mess-)verfahren

Mit Photogrammetrie und Fernerkundung können alle Objekte analysiert und vermessen werden, die in den aufgenommenen Bildern zu sehen sind. Es ist nicht erforderlich, die Objekte zu berühren. Deshalb ist sind Photogrammetrie und Fernerkundung berührungslose Verfahren. Sie werden auch als indirekte Verfahren bezeichnet, weil die Objekte nicht direkt abgetastet werden. Umgekehrt muss darauf hingewiesen werden, dass nur das analysiert, vermessen und ausgewertet werden kann, was in den Bildern zu sehen ist. So genannte sichttote Bereiche sind für eine photogrammetrische oder fernerkundliche Auswertung nicht zugänglich.

Begriffliche Einteilung

Je nach Entfernung zwischen Objekt und Kamera existieren für die Photogrammetrie verschiedene Fachbegriffe, die auf den Anwendungsbereich oder eine bestimmte Aufnahmeplattform hinweisen: Architekturphoto­grammetrie, Luftbildphotogrammetrie, Nahbereichsphotogrammetrie, Terrestrische Photogrammetrie, UAV-Photogrammetrie, u.a. (UAV = unmanned aerial vehicle, Drohne).

Bei der Fernerkundung erfolgt die begriffliche Einteilung häufig nach den genutzten Wellenlängenbereichen (z.B. Optische Fernerkundung, Multispektrale Fernerkundung, Hyperspektrale Fernerkundung, Radar-Fernerkundung).

Informationsarten

Photogrammetrie und Fernerkundung können Informationen über die Geometrie (geometrische Information), die Gestalt (morphologische Information) und die Bedeutung (semantische Information) der abgebildeten Objekte liefern.

In der Photogrammetrie steht die Gewinnung geometrischer Informationen im Vordergrund. Die Oberfläche von Objekten lässt sich durch eine Vielzahl von Punkten modellieren, indem für jeden Punkt die Koordinaten in einem eindeutig definierten (Objekt-)Koordinatensystem bestimmt werden. Eine solche Vielzahl von Punkten wird als Punktwolke bezeichnet. Sie bildet die Grundlage einer meist als Dreiecksvermaschung ausgeführten räumlichen Modellierung der Objektoberfläche.

In der Fernerkundung steht die Gewinnung morphologischer und semantischer Informationen im Vordergrund. Diese kann in Form thematischer Raster- oder Vektordaten und damit verknüpften Attributen repräsentiert werden.

Genauigkeit

Die Genauigkeit photogrammetrischer Messverfahren ist vorranging abhängig vom verwendeten Aufnahmesystem und der Entfernung zwischen Aufnahmesystem und Objekt. Photogrammetrische Auswertungen sind mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich (Rasterelektronen­mikroskop­photo­grammetrie) ebenso möglich, wie mit Genauigkeiten im Dezimeterbereich (Luftbild­photo­gramme­trie). Mit der Photogrammetrie lassen sich sehr hohe Genauigkeitsanforderungen erfüllen. Sie wird daher zur Qualitätsssicherung von Produktionsprozessen eingesetzt (z.B. Automobilindustrie, Maschinenbau). In diesem Zusammenhang wird die Photogrammetrie als Verfahren der optischen 3D-Messtechnik aufgefasst.

Die Genauigkeit von Klassifikationsergebnissen, die mit fernerkundlichen Verfahren gewonnen werden, liegen (je nach Anwendungsfall und Verfahren) zwischen 80% und 95%. Sie wird in der Regel als Konfusionmatrix angegeben.

Mit Radar-Fernerkundung wird ein globales digitales Geländemodell erzeugt, das eine absolute Höhengenauigkeit von weniger als 10 Metern hat (TanDEM-X DEM). Die relative Höhengenauigkeit beträgt weniger als 2 Meter.

Mit speziellen Verfahren der Radar-Interferometrie können unter idealen Bedingungen großflächig kleinste zeitliche Veränderungen der Bodenoberfläche (Deformation durch Hebung und/oder Senkung) mit sehr hohen Genauigkeiten über lange Zeiträume beobachtet werden. Veränderungen von wenigen Millimetern pro Jahr sind so detektierbar (land subsidence monitoring).

Computer Vision - Photogrammetrie - Fernerkundung

Es besteht eine enge Beziehung zwischen Computer Vision, Photogrammetrie und Fernerkundung. Letztere legt den Schwerpunkt auf die Gewinnung morphologischer und semantischer Informationen aus Luft- und Satellitenbildern (Anwendungen der Terrestrischen oder Nahbereichsphotogrammetrie werden üblicherweise nicht zur Fernerkundung gezählt). Die Fernerkundung beschäftigt sich vor allem mit weltraumgestützten Aufnahmeplattformen und Aufnahmesystemen. Da die semantische Analyse im Vordergrund steht, haben Machine-Learning-Verfahren für die Segmentierung und Klassifikation von Bildinhalten eine große Bedeutung. Je nach genutztem Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums wird zwischen Optischer- und Radar-Fernerkundung unterschieden.

Photogrammetrie ist traditionell ein Fachgebiet der Geodäsie, weil sie seit mehr als einem Jahrhundert die Standardmethode für die Auswertung von Luftbildern zur Kartographie der Erdoberfläche ist. Heute ist die Photogrammetrie eng mit der Computer Vision verbunden, die sich seit den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts als Fachgebiet der Informatik herausgebildet hat. Die Computer Vision ist vor allem Impulsgeber für die Auswertealgorithmen.

Anfang und Entwicklung

Als Erfinder der Photogrammetrie gelten Aimée Laussedat (1819-1907) und Albrecht Meydenbauer (1834-1921). Die Photogrammetrie hat seit den Anfängen im 19. Jahrhundert mehrere Entwicklungsphasen durchlaufen. Die wichtigsten sind die Analoge Photogrammetrie (ca. 1920-1980), die Analytische Photogrammetrie (ca. 1970-2000) und die Digitale Photogrammetrie (seit ca. 1980). Letztere markiert die heute vollständig digitale und hochautomatisierte Prozesskette von der Bildaufnahme bis zu den Datenprodukten. Bei der Zuordnung wird unterschieden, ob die Bilder analog (photochemisch) oder digital (photoelektrisch) aufgenommen werden und wie die Bildpunktmessung erfolgt (manuell im analogen Bild, manuell im digitalen Bild oder automatisch im digitalen Bild). Bei der Analogen Photogrammetrie ist die gesamte Prozesskette analog in einem mechanischen Auswertegerät realisiert. Die Analytische Photogrammetrie stellt eine Zwischenphase dar, in der die Bildpunktmessung manuell auf analogen Bildern erfolgt, jedoch die Messdatenverarbeitung bereits rechnergesteuert ist. In der Anfangsphase der Digitalen Photogrammetrie (ca. 1980-2000) werden die analogen Bildvorlagen mit Spezialscannern digitalisiert, sodass die Bildpunktmessung manuell in digitalen Bildern erfolgen kann. Ab dem Jahr 2000 kommen die ersten digitalen Luftbildkameras auf den Markt (ADS 40, DMC, UltraCam). Parallel dazu entwickeln sich Auswertealgorithmen, mit denen heute mit Hilfe von "Template-Matching" vollautomatische Bildpunktmessungen möglich sind.

Die Fernerkundung etabliert sich als eigenständige Fachdisziplin seit den 1970er Jahren. Wichtiger Meilenstein ist der Start des ersten zivilen Fernerkundungssatelliten im Jahr 1972 (LANDSAT-Mission der NASA). Heute wird die Erde von hunderten Satelliten umrundet, die eine Fülle unterschiedlichster Daten liefern.

Auswertemethoden

Die Auswertemethoden der Photogrammetrie sind interdisziplinär. Geodätisch sind Aerotriangulation und Bündelblockausgleichung. Die Computer Vision liefert wichtige Impulse für moderne Bildverarbeitungstechniken (Digitale Bildverarbeitung). Das Photo Tourism Projekt von Microsoft Research (2006) ist ein wichtiger Meilenstein. Heute sind "Structure From Motion"-Techniken der Computer Vision integraler Bestandteil photogramemtrischer Auswertesoftware (SFM-Photogrammetrie). Aus geometrischen Informationen können morphologische und sematische Informationen abgeleitet werden. Dafür notwendige Methoden liefern die Fachdisziplinen Mustererkennung und Maschinelles Lernen. Hiervon profitiert insbesondere die Fernerkundung.

Datenprodukte

Typische Datenprodukte der Photogrammetrie und Fernerkundung sind auf ein geodätisches Referenzsystem entzerrte Luft- oder Satellitenbilder (Orthophotos und Orthophotomosaike), digitale Höhen-, Gelände- oder Oberflächenmodelle (DHM, DGM, DOM), digitale Landschafts-, Gelände-, Stadt- oder Objektmodelle, die unter Verwendung der Bildinformation texturiert sein können, Landnutzungsklassifizierungen sowie Veränderungsanalysen (Change Detection). Photogrammetrie und Fernerkundung liefern die Datenbasis für virtuelle Globen (z.B. Bing 3D, GoogleEarth, NASA World Wind) und Navigationssysteme. Moderne Entwicklungen zielen auf die Automatisierung und Beschleunigung der photogramme­trischen Auswerteprozesse (z.B. Tango Projekt von Google). Photogrammetrie und Fernerkundung sind (oft unsichtbare) Bestandteile hochkomplexer Prozessketten, die Roboter steuern, Fahrzeuge autonom navigieren oder die als Cloud-basierte Internetdienste (Web-Services) aktuelle Informationen für bestimmte Nutzergruppen bereitstellen (z.B. Copernicus Marine Services der ESA).

Stand: 14.02.16Seite ausdrucken Zum Seitenanfang