PFG 2011 / 1, 0005–0015 ArticleStuttgart, February 2011

© 2011 E. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart, Germany www.schweizerbart.deDOI: 10.1127/1432-8364/2011/0071 1432-8364/11/0071 $ 2.75

Geometrische Kalibrierung von Thermografiekameras

Thomas Luhmann, JuLia ohm, Johannes PiecheL & ThorsTen roeLfs, Oldenburg

Keywords: Thermalkamera, geometrische Kalibrierung, Genauigkeit, Testfeld,Bündelausgleichung

nachlässigt – mit Ausnahme einiger Beiträge,die sich mit dieser Problematik befassen(Buyuksalih & Petrie 1999, luhmann et al.2010). Allerdings werden mit steigender Auf-lösung von Thermografiekameras die geome-trischen Eigenschaften der Bilder zunehmendan Bedeutung gewinnen.

Zur präzisen geometrischen Modellierungeines Bildsensors ist es unerlässlich, die Wir-kungsweise der Bildentstehung nicht nur ingeometrischer Hinsicht, sondern auch in ihrerradiometrischen Weise zu verstehen. Im Fol-genden werden daher die grundlegenden phy-sikalischen Gesetzmäßigkeiten kurz erläutert.

1 Kameratechnologie

1.1 Physikalischer Hintergrund

Thermografiekameras sind in den BereichenMaterialprüfung, Qualitätssicherung und In-spektion von Gebäuden weit verbreitet. In alldiesen Fällen ist die radiometrische Informati-on über Temperaturverteilung von größtemInteresse. Geometrische Anwendungen sinddagegen eher selten, die Entwickler und An-bieter von Kameras zeigen daher noch wenigInteresse an photogrammetrischen Techniken.Dementsprechend wird auch die geometrischeKalibrierung dieser Systeme in der Regel ver-

Summary: Geometric Calibration of ThermalCameras. This paper discusses strategies, tools andmethods for the geometric calibration of close-range thermal cameras as they are widely used forbuilding monitoring and material testing. Two dif-ferent testfields have been developed and testedwhereby each of them provides target points in thethermal spectrum. Four different cameras withsolid-state imaging sensors have been calibrated.In general, all lenses show relatively large distor-tions due to decentering of lenses and non-orthogo-nality of the image coordinate system. Using a 2Dtestfield with burning lamps an accuracy of 0.3 pix-els can be achieved while a 3D testfield with reflec-tive circular targets provides residuals in the orderof 0.05 pixels. This leads to geometrically improvedthermal images that can be used to achieve higherquality for various applications, such as mosaick-ing, 3D-texturing or pan sharpening.

Zusammenfassung: Dieser Beitrag befasst sichmit Strategien, Werkzeugen und Methoden zurgeometrischen Kalibrierung von Thermografieka-meras, wie sie für Bauwerksüberwachung und Ma-terialprüfung eingesetzt werden. Hierfür wurdenzwei verschiedene Testfelder entwickelt und er-probt, mit denen Punktziele im thermalen Spektral-bereich der Kameras bereitgestellt werden können.Vier verschiedene Kameras mit Festkörper-Senso-ren wurden kalibriert. Die Kalibrierergebnisse un-terscheiden sich deutlich von Kamera zu Kamera.Alle Objektive weisen relativ große Verzeichnun-gen auf, hervorgerufen durch Dezentrierung derLinsen und durch Abweichungen von der Orthogo-nalität der Bildkoordinatenachsen. Die durch-schnittlichen Genauigkeiten liegen bei 0,3 Pixel fürein mit Lämpchen versehenes, ebenes Testfeld,während ein reflektierendes 3D-Testfeld mit kreis-förmigen Zielmarken zu Restfehlern von 0,05 Pixelführt. Ziel sind geometrisch verbesserte Thermal-bilder für verschiedene Anwendungen, wie Mosa-ikbildungen, 3D-Texturierungen und Pan Sharpe-ning, um deren Qualität signifikant zu steigern.

6 Photogrammetrie • Fernerkundung • Geoinformation 1/2011

weils der Fläche unter der Kurve. Am Beispielder Sonne mit einer Temperatur von 5800 Kwird deutlich, dass das Maximum der Strah-lungsleistung bei ca. 580 nm liegt, also im gel-ben Bereich des sichtbaren Spektrums. EinKörper mit Raumtemperatur (20 °C) strahltdagegen mit einem Maximum um ca. 10 µmund deutlich geringerer Leistung.Das Maximum der Strahlungsleistung ver-

schiebt sich nach dem Wien'schen Verschie-bungsgesetz mit zunehmender Temperatur zukürzeren Wellenlängen (Gerade in Abb. 1):

λmax,= 2897 8

T(2)

In Gleichung (2) wird der Wert 2897,8 alsWien‘sche Verschiebungskonstante bezeich-net. Es besteht also ein reziproker Zusammen-hang zwischen Temperatur und Wellenlänge(Dereniak & Boreman 1996). Folglich benöti-gen Thermografiekameras Bildsensoren, dieempfindlich sind für Wellenlängen zwischen2,5 und 15 µm. Abhängig von der Detektor-technologie (siehe Abschnitt 1.2) könnendurch übliche Thermografiekameras Tempe-raturen zwischen –30 und +400 °C erfasstwerden.

Die spezifische spektrale EmissionMλ einesObjekts ist definiert durch das Planck'scheStrahlungsgesetz als Funktion der absolutenTemperatur und der Wellenlänge (Wolfe &Zissis 1985, schuster & koloBroDov 2004):

M Wcm µm

cc

T

λ λλ

215

2

1

1⋅

=

⋅

−exp(1)

mitc1: 1. Strahlungskonstante

= 3,7418∙104 W ∙ cm–2 ∙ µm4

c2: 2. Strahlungskonstante= 1,4388 ∙ 104K ∙ µm

T : absolute Temperatur [K]λ : Wellenlänge [µm]

Gleichung (1) besagt, dass die Strahlungs-leistung bei einer bestimmten Wellenlängeausschließlich von der Temperatur der Strah-lungsquelle abhängig ist. Abb. 1 stellt diesenZusammenhang für verschiedene typischeOberflächentemperaturen dar. Sie macht deut-lich, dass nur Objekte mit einer Temperaturvon mehr als etwa 1000 K elektromagnetischeStrahlung emittieren, die sichtbar für dasmenschliche Auge und konventionelle Kame-ras ist. Die Energiemenge entspricht dabei je-

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

0.1 1 10 100Wellenlänge [µm]

SpektralespezifischeEmission[W/cm²µm]

5800 K

3000 K

2000 K

1000 K

500 K

293 K

= 20°C

200 K

UV IR

Abb. 1: Spektrale spezifische Strahlung bei verschiedenen Körpertemperaturen.

Thomas Luhmann et al., Geometrische Kalibrierung von Thermografiekameras 7

Im Prinzip können Thermografiekameras,die auf Festkörper-Sensoren basieren, wiephotogrammetrische Standard-Kameras be-handelt werden. Wegen der größeren Wellen-längen sind die Linsen von Thermografieka-meras aus Germanium oder anderen einkri-stallinen Halbleitermaterialien gefertigt, wassie sehr teuer macht. Diese Objektive sind be-züglich der radiometrischen Auflösung opti-miert, die geometrische Genauigkeit oder mi-nimale Verzerrungen sind bisher von geringe-rem Interesse.

2 Testfelder zur Kalibrierung

2.1 Ebenes Testfeld mit Lampen

Von der FH Dessau wurde ein ebenes Testfeldbereitgestellt, das aus 57 kleinen Lampen mitregelbarer Stromversorgung besteht, die sichbeim Einschalten aufwärmen. Die Dimensionder Grundplatte aus Holz beträgt etwa1000 mm × 1000 mm (Abb. 2a). Die Positionender Lämpchen wurden mit einem Theodolit-messsystem mit einer Genauigkeit von etwa0,2 mm kalibriert.

Die Qualität der aktiven Ziele erwies sichjedoch als nicht zufriedenstellend (Abb. 2b).Es ist offensichtlich, dass es sich nicht umKreise (Ellipsen) handelt, und zentrale Punktemaximaler Temperatur sind nur schwer aus-zumachen. Daher können die Mitten der Lam-pen nicht mit einer Präzision gemessen wer-den, wie sie bei photogrammetrischen Ziel-marken üblich ist. Darüber hinaus ist die Kali-brierung einer Kamera mit ebenem Testfeldim Vergleich zu einem 3D-Testfeld wenigeraussagekräftig und zeigt höhere Korrelationenzwischen den Parametern der inneren und äu-ßeren Orientierung (GoDDinG 1993, luhmann

2010).

2.2 Räumliches Testfeld mitcodierten Zielmarken

Die Grundidee eines neu zu entwickelnden3D-Testfeldes war, Zielmarken zu schaffen,die räumlich verteilt sind, scharf abgebildetePunktmuster erzeugen und genügend Bild-kontrast im thermalen Spektrum bieten. Dar-

1.2 Detektoren

Die geometrische Auflösung von Bildaufnah-megeräten wird durch Beugung begrenzt. DerDurchmesser des Beugungsscheibchens(Airy-Scheibchens) d hängt ab von der Blende(Blendenzahl k) und der Wellenlänge:

d k= ⋅ ⋅2 44, λ (3)

Als Beispiel ist die geometrische Auflösungbei einer Wellenlänge von λ = 10 µm und einerBlendenzahl von k = 2 auf etwa 48 µm be-grenzt. Gleichung (3) macht deutlich, dass diePixelgröße von thermischen Sensoren vielgrößer sein kann als für Standard-RGB-Ka-meras. In der Tat arbeiten die meisten Ther-malkameras mit Pixelgrößen zwischen 30 und50 µm.

Sensoren für Wärmebildkameras sind ent-weder Quantendetektoren oder thermischeDetektoren (noltinG 2007). Quantendetekto-ren basieren auf dem inneren photoelektri-schen Effekt, bei dem Elektronen zwischenzwei Schichten eines Halbleiters freigesetztwerden. Quantendetektoren sind sehr emp-findlich (± 0,01K) und schnell, benötigen abereine externe Kühlung (Peltier-Elemente oderStirling – fouaD & richter 2008).

Thermische Detektoren nutzen den Effekt,dass eine Temperaturänderung des Detektor-Elementes zu einer Veränderung der elektri-schen Eigenschaften führt, z. B. des Wider-standes oder der Ladung (hierl 2008). DieseVeränderungen können gemessen und in In-tensitätswerte gewandelt werden. ThermischeDetektoren sind in verschiedenen Ausführun-gen erhältlich, wie pyroelektrische Detektorenoder Bolometer. Sie sind weniger empfindlich(± 0,1K) und langsamer als Quantendetekto-ren, benötigen aber keine Kühlelemente. Siesind daher preiswerter und werden meist fürAnwendungen wie die Inspektion von Gebäu-den eingesetzt.

Die modernsten thermischen Flächensen-soren haben derzeit 320 × 240 Pixel bis zu640 × 480 Pixel. Die Sensorgrößen liegendann bei etwa 20–30 mm in jeder Richtung.Neueste Kameraentwicklungen erreichendurch die Micro-Scanning-Technik (luhmann

2003, S. 187) Pixelzahlen von bis zu1280 × 960.

8 Photogrammetrie • Fernerkundung • Geoinformation 1/2011

ergibt. Im Bild entsteht dadurch ein starkerKontrast, die Zielmarken erscheinen hell, dieUmgebung dagegen dunkel (Abb. 4).

Basierend auf diesem neuen Zielmarken-Design wurde ein mobiles Testfeld angefer-tigt. Es besteht aus 17 codierten und 35 unco-dierten Marken und zusätzlichen, demontier-baren Höhenpunkten (Abb. 5), ergänzt durchtemperaturstabile Maßstäbe aus CFK (grau)mit gleichartigen Zielmarken.

Wegen des beweglichen Aufbaus und derWärmeausdehnung des Metalls muss dasTestfeld unmittelbar vor und/oder nach jedemEinsatz konventionell photogrammetrischkalibriert werden. Mit hochgenau kalibrier-ten Maßstäben (gelb), einer hochauflösendenKamera und Bündelausgleichung werdenpräzise Koordinaten der Passpunkte abgelei-tet. Bei einer Größe des Testfeldes von etwa

über hinaus sollte das neue Prüffeld mobil undpreiswert sein, einfach zu kalibrieren undohne künstliche Erwärmung der Zielmarkenfunktionieren.Verschiedene Experimente wurden durchge-führt, um eine geeignete Kombination vonMaterial und Beleuchtung zu finden. Schließ-lich wurde der Effekt der kalten Himmels-strahlung genutzt, die zu einer hinreichendenReflexion auf einer polierten Aluminiumplat-te führt. Damit konnte ein Testfeld-Designgeschaffen werden, das die genannten Spezifi-kationen erfüllt.

Abb. 3 zeigt das zugrunde liegende Prinzip.Es geht davon aus, dass die Metallplatte desTestfeldes die kalte Temperatur des Himmelsreflektiert. Die Zielmarken dagegen bestehenaus selbstklebender Folie und emittieren nurStrahlung, die sich aus der Eigentemperatur

Abb. 2: Ebenes Testfeld mit aktiven Lampen.

a) Testfeld b) Abbildungsqualitäte der Zielpunkte

Abb. 3: Strahlung des kalten Himmels, absorbiert durch die Zielmarke.

Thomas Luhmann et al., Geometrische Kalibrierung von Thermografiekameras 9

1 000 mm × 700 mm × 200 mm liegt die Ge-nauigkeit dieser Punkte bei etwa ± 8 μm imObjektraum (1 Sigma).

Das neue Testfeld ist fast ohne Einschrän-kungen – bei allen Außentemperaturen, beibewölktem Himmel wie auch bei Sonnen-schein – einsetzbar, weil die oberen Luft-schichten (und auch die Wolken) immer kältersind als Objekte am Boden. Weiterhin solltefreie Sicht nach oben herrschen, damit sichkeine Häuser, Bäume usw. auf der Metallplat-te spiegeln.

3 Ergebnisse der Kalibrierung

3.1 Kameras

Vier Thermografiekameras stehen derzeit ander Jade-Hochschule zur Verfügung, die inden Test einbezogen wurden (Abb. 6). Sie äh-neln sich mehr oder weniger in ihren techni-schen Daten (Anzahl und Größe der Pixel),unterscheiden sich aber – vor allem wegen derQualität der Objektive und der Detektorele-mente – nicht unerheblich im Preis. Tab. 1 gibt

Abb. 4: Zielmarken im Thermalbild.

Abb. 5: 3D-Testfeld mit codierten Marken.

FLIR Infra Cam FLIR B200 Testo 880-3 InfraTec VarioCam

Abb. 6: Untersuchte Thermografiekameras.

Tab. 1: Technische Daten der untersuchten Kameras.

FLIR InfraCam FLIR B200 Testo 880-3 InfraTec VarioCam

Pixelanzahl 240 × 240 320 × 240 320 × 240 384 × 288

Pixelgröße 0,025 mm 0,04 mm 0,035 mm 0,035 mm

Brennweite 10 mm 30 mm 10 mm 11 mm

ThermaleAuflösung

± 0,2 °C ± 0,08 °C < 0,3 °C 0,08 – 0,05 °C

Preis [€] ca. 4000 ca. 9000 ca. 6500 ca. 19000

10 Photogrammetrie • Fernerkundung • Geoinformation 1/2011

chung in Form einer Gesamtspurminimierungberechnet. Die Ergebnisse der Kalibrierungmit dem räumlichen Testfeld und mit einemParametersatz, wie er für photogrammetrischeMesskameras Anwendung findet (luhmann

2003, S. 120 ff.), sind in der Tab. 2 aufgelistet.Das ebene Testfeld führt zu ähnlichen Ergeb-nissen hinsichtlich der geschätzten Parameter– bei verminderter Genauigkeit der Bildmes-sung und der Parameter, die deswegen hiernicht weiter betrachtet werden.

Die Kameras FLIR InfraCAM, FLIRB200 und Testo 880-3 zeigen relativ schlech-te Ergebnisse in Form von Bildmessgenau-igkeiten (zwischen ± 2,6 und ± 3,8 µm) imVergleich zur InfraTec VarioCam (± 0,6 µm)und entsprechend höhere Standardabwei-chungen von Kamerakonstante und Bild-hauptpunkt.

Von den herstellerseitig angegebenenBrennweiten unterscheiden sich die Kamer-akonstanten nicht unerheblich. Dies kannnicht nur daran liegen, dass die Kameras aufden Nahbereich fokussiert waren, sondern

einen Überblick zu den technischen Daten derverwendeten Kameras.

3.2 Kalibrierung und Resultate

Jede Kamera wurde in den üblichen Aufnah-meanordnungen mit etwa 20 konvergentenBildern kalibriert (luhmann 2003, GoDDinG

1993, luhmann 2010). Beide in Abschnitt 2beschriebenen Testfelder wurden verwendet(Abb. 7). Das ebene Testfeld mit den aktivenLampen kann in einem Labor aufgenommenwerden, während das reflektierende 3D-Test-feld im Freien verwendet werden muss, dabeijedoch keine Stromversorgung benötigt.

Bildmessung und Ausgleichung wurden mitdem Programm AICON 3D Studio (Messungcodierter Marken, Ausgleichung mit Simul-tankalibrierung) und der am IAPG entwickel-ten Software StereoMess (manuelle und auto-matische Messungen per Template Matchingund mit Ellipsenoperator) durchgeführt. DieBündeltriangulation wurde als freie Ausglei-

Tab. 2: Kalibrierte Kameraparameter.

Parameter FLIR InfraCam FLIR B200 Testo 880-3 InfraTec VarioCam

c [mm] -13,8971 ± 0,0104 -36,9443 ± 0,0223 -19,9373 ± 0,0297 -11,8188 ± 0,0014

x‘0 [mm] -0,2940 ± 0,0188 1,4445 ± 0,0574 -0,1571 ± 0,0524 0,0201 ± 0,0013

y‘0 [mm] -0,3430 ± 0,0197 -1,8332 ± 0,0420 0,2110 ± 0,0376 0,1400 ± 0,0012

A1 -2,80∙10-3 ± 1,33∙10-4 -2,69∙10-4 ± 1,94∙10-5 -7,25∙10-4 ± 1,20∙10-4 -2,41∙10-3 ± 4,93∙10-6

A2 6,86∙10-7 ± 2,03∙10-5 -7,47∙10-7 ± 6,94∙10-7 -9,59∙10-6 ± 7,19∙10-6 8,76∙10-6 ± 1,83∙10-7

A3 7,76∙10-7 ± 9,52∙10-7 2,79∙10-9 ± 7,40∙10-9 1,86∙10-7 ± 1,28∙10-7 -2,67∙10-8 ± 2,05∙10-9

B1 1,91∙10-5 ± 2,10∙10-5 -2,78∙10-4 ± 5,21∙10-6 5,12∙10-5 ± 1,22∙10-5 5,23∙10-5 ± 1,11∙10-6

B2 -2,69∙10-5 ± 2,25∙10-5 -1,72∙10-5 ± 6,18∙10-6 -3,51∙10-5 ± 1,72∙10-5 -1,29∙10-5 ± 1,14∙10-6

C1 6,84∙10-4 ± 1,99∙10-4 -6,11∙10-4 ± 2,60∙10-4 7,50∙10-4 ± 3,16∙10-4 -7,79∙10-5 ± 2,47∙10-5

C2 -2,22∙10-4 ± 2,21∙10-4 -8,66∙10-4 ± 2,61∙10-4 8,18∙10-4 ± 2,96∙10-4 1,85∙10-4 ± 1,91∙10-5

Abb. 7: Thermalbilder des ebenen (links) und des räumlichen Testfeldes (rechts).

Thomas Luhmann et al., Geometrische Kalibrierung von Thermografiekameras 11

Standardabweichungen in der Größenord-nung der Parameter selbst liegen. Währendes in dieser Arbeit zunächst darum ging, diegeometrischen Eigenschaften der Kamerasnäher zu untersuchen, sollte sich für An-wendungen in der Praxis die endgültigeAusgleichung auf die relevanten Parameterbeschränken.

Die Kamera InfraTec VarioCam liefert diebesten Ergebnisse in Bezug auf die Genauig-keit der geschätzten Parameter. Die Präzisionder Bildpunktmessung liegt in der Größen-ordnung von 1 µm oder 1/30 Pixel. Bei dieserKamera ist der Hauptpunkt nur geringfügig

es ist naheliegend, dass die publiziertenBrennweiten und/oder die Pixelgrößen nichtder Realität entsprechen. Bemerkenswert istweiterhin, dass bei der FLIR B200 dieHauptpunktverschiebung mehr als 1,4 mmbzw. 1,8mm beträgt, was mehr als 35 Pixelbzw. 45 Pixel entspricht – bei Pixelanzahlenvon 320 × 240.

Alle Kameras zeigen relativ große radialeVerzeichnungswerte (Abb. 8). Der radial-symmetrische Anteil A1 ist vergleichsweisehoch und wird signifikant bestimmt, wäh-rend die restlichen Parameter mehr oder we-niger schlecht bestimmbar sind, da ihre

FLIRInfraCam

Testo 880-3

FLIR B200 InfraTec VarioCam

Abb. 8: Verzeichnungskurven.

Tab. 3: RMS-Werte der Objektkoordinaten.

Kamera X Y ZFLIR InfraCam 0,110 mm 0,118 mm 0,143 mmFLIR B200 0,148 mm 0,185 mm 0,145 mmTesto 880-3 0,137 mm 0,160 mm 0,236 mmInfratec VarioCam 0,038 mm 0,029 mm 0,062 mm

12 Photogrammetrie • Fernerkundung • Geoinformation 1/2011

Orthophotos, als Karten oder Mosaike oderals präzise Texturen für 3D-Stadtmodelle oderGebäudemodelle verwendet werden.

Es muss darauf hingewiesen werden, dassmodifizierte Thermografie-Aufnahmen oftnicht durch die Software-Pakete verarbeitetwerden können, die mit einem bestimmtenKamerasystem mitgeliefert werden. Beispiels-weise erlaubt die FLIR-Software eine Nachbe-arbeitung, z. B. von Temperaturskalen oderFarbtabellen, ausschließlich von originalenFLIR-Bildern.

4.2 3D-Verarbeitung

Dreidimensionale Anwendungen sind eben-falls möglich, so dass Thermografie-Aufnah-men grundsätzlich in der gleichen Weise ver-wendet werden können wie herkömmlichephotogrammetrische Bilder. Voraussetzungist, dass ein entsprechender thermaler Bild-verband aufgenommen wird und in diesemhomologe Punkte bestimmbar sind. So ließensich z. B. prinzipiell 3D-Gebäudemodelle ausThermalaufnahmen ableiten, wenn keine an-deren Bild- oder Messdaten zur Verfügungstehen.

Abb. 11 zeigt ein Beispiel von vier überlap-penden Thermalbildern, die innerhalb weni-ger Minuten aufgenommen wurden, ohne dieKameraeinstellungen zu ändern. Es ist offen-sichtlich, dass die thermische Emission derHauswand sich nicht wie ein diffuser Lam-bert-Strahler verhält. Identische Objektberei-che sind in verschiedenen Farben (Temperatu-ren) dargestellt.

von der Bildmitte verschoben, und die Kame-rakonstante liegt nahe bei der vom Herstellerangegebenen Brennweite.

Die resultierende Genauigkeit im Objekt-raum wird abgeschätzt durch die RMS-Werteder ausgeglichenen Objektkoordinaten. Tab. 3fasst die Ergebnisse zusammen. Entsprechendder oben diskutierten Güte der Kalibrierungergeben sich bei den drei Kameras FLIR In-fraCAM, FLIR B200 und Testo 880-3 RMS-Werte (1 Sigma) von ca. 0,11 bis 0,24 mm.Dies entspricht einer relativen Genauigkeitvon etwa 1 : 6000 in Bezug auf die größte Ob-jektausdehnung. Bei der InfraTec VarioCamliegen die RMS-Werte bei 0,03 bis 0,06 mm,das entspricht etwa 1 : 20000.

4 Anwendungen

Wenn Thermografiekameras in Bezug auf dasgeometrische Bildmodell kalibriert sind, kön-nen sie für eine Vielzahl von praktischen An-wendungen verwendet werden (kaPlan 2007).

4.1 Zweidimensionale Anwendungen

Für zweidimensionale Anwendungen könnenThermalbilder in verzeichnungsfreie Bilderumgerechnet werden. Als ein Beispiel zeigtAbb. 9 das Originalbild, aufgenommen mitder InfraTec VarioCam. Die radiale tonnen-förmige Verzeichnung ist deutlich sichtbar.Abb. 10 zeigt das gleiche Bild nach Korrekturder Verzeichnung. Geometrisch korrigiertethermografische Bilder können als thermale

Abb. 9: Originales Thermalbild. Abb. 10: Verzeichnungsfreies Thermalbild.

Thomas Luhmann et al., Geometrische Kalibrierung von Thermografiekameras 13

trisch identisch sein. Abb. 12 zeigt den prinzi-piellen Datenfluss beim thermalen Pan Shar-pening, wie es in dem unten dargestellten Bei-spiel angewandt wurde.

Beispielhaft zeigt Abb. 13 ein originalesThermalbild einer Gebäudefassade. In Abb. 14ist das Ergebnis des Pan Sharpening mit Hilfeeines hochaufgelösten digitalen Bildes einerNikon D2x-Kamera. Im Gegensatz zu denStandardmethoden der Fernerkundung (z. B.toet et al. 1989, ehlers et al. 2009) erfordertin der Nahbereichsphotogrammetrie die An-wendung des Pan Sharpening auf nicht ebeneObjekte entweder identische Perspektiven für

Zukünftige Untersuchungen am IAPG werdensich u.a. auf die 3D-Modellierung mit Hilfevon Thermalbildern unter Berücksichtigungradiometrischer Objektmodelle konzentrie-ren.

4.3 Pan Sharpening

Wenn zusätzlich zum (niedrig aufgelösten)Thermalbild ein panchromatisches oder RGB-Bild mit hoher Auflösung verfügbar ist, sokönnen beide per Pan Sharpening kombiniertwerden. Dazu müssen beide Bilder geome-

Abb. 11: Mehrbild-Thermografie.

Abb. 12: Datenfluss beim Pan Sharpening von Thermalbildern.

14 Photogrammetrie • Fernerkundung • Geoinformation 1/2011

tet eine Genauigkeit, die vergleichbar mitRGB-Kameras ist.

Einige beispielhafte Anwendungen werdenangesprochen, die von zweidimensionalerBildverarbeitung (Entzerrung, Mosaikbil-dung) und Ansätzen zum Pan Sharpening bishin zu 3D-Modellierungen reichen, bei denenthermale Bilder in der gleichen Weise wie inder klassischen Mehrbildphotogrammetrieverwendet werden können. Es müssen jedochdie radiometrischen Modelle der thermischenEmission von Objekten noch detaillierter un-tersucht werden, um den Prozess der Bildent-stehung in konvergenten Fällen besser zu ver-stehen.

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beide Bilder oder aber 3D-Objektmodelle unddie vollständigen Orientierungsparameter fürjedes Bild. Das obige Beispiel zeigt noch ver-bleibende geometrische Fehler beim hinterenTeil des Daches, da hier nur ein zweidimen-sionaler Korrekturansatz verwendet wurde.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass dieFarben durch diese Verarbeitung verändertwerden und eine Zuordnung von Temperatu-ren in einem folgenden Schritt zu falschenWerten führen kann. Andererseits ist die Me-thode des Pan Sharpening gut geeignet bei derPräsentation von thermografischen Untersu-chungsergebnissen, da sich hiermit Objektde-tails gut hervorheben lassen.

5 Fazit

In diesem Beitrag haben wir das Potential ei-niger Thermografiekameras hinsichtlich ihrergeometrischen Eigenschaften untersucht.Standardverfahren der Kamerakalibrierungkönnen auch auf Thermalbilder im Nahbe-reich angewendet werden, wenn es sich umKameras mit Flächensensoren handelt. Dar-über hinaus muss das beobachtete ObjektZielpunkte besitzen, die im thermalen Spek-tralbereich sichtbar sind. Zu diesem Zweckwurde ein neues Testfeld konzipiert, das diekalte Thermalstrahlung des Himmels verwen-det, um einen ausreichenden Bildkontrast zuschaffen.

Die Ergebnisse der Kamerakalibrierungzeigen, dass gängige Thermografiekamerashohe Verzeichnungswerte und große Haupt-punktverschiebungen haben. Nur eine der un-tersuchten Kameras (InfraTec VarioCam) bie-

Abb. 13: Original-Thermalbild. Abb. 14: Pan-geschärftes Thermalbild.

Thomas Luhmann et al., Geometrische Kalibrierung von Thermografiekameras 15

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Adresse der Autoren:

Prof. Dr.-Ing. habil. thomas luhmann, Dipl.-Ing.Julia ohm, Dr.-Ing. Johannes Piechel und thor-sten roelfs (M.Sc.), Jade Hochschule Oldenburg,Institut für Angewandte Photogrammetrie undGeoinformatik, D-26121 Oldenburg, Tel.: +49-441-7708-3164, Fax: -3170, e-mail: vorname.name@jade-hs.de.

Manuskript eingereicht: September 2010Angenommen: November 2010

verarbeitung. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart,41–46.

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