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HS BO – Lab. für Photogrammetrie: Digitale Luftbildkameras 1
Inhalte
Photogram. Aufnahmesysteme
– Metrische Kameras (Definition der Inneren Orientierung)
– Analoge Messkameras – Fotografische Aspekte – Digitalisierung analoger Bilder – Digitale Aufnahmesysteme (Messkameras)
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Photogrammetrische Aufnahmesysteme
Digitale Luftbildkameras
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Digitale Luftbildkameras
Digitale Luftbildkameras haben zwischenzeitlich analoge Luftbildaufnahmesysteme auf dem Markt verdrängt.
Mit Einführung der digitalen Systeme ist der Datenfluss in der photogrammetrischen Datenerfassung und Auswertung vollständig digital.
Dies gewährleistet ein hohes Automationspotential in der digitalen photogrammetrischen Prozesskette.
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Digitale Prozesskette
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Digitale Luftbildkameras Weitere Vorteile der digitalen Systeme sind: Erweiterte spektrale Empfindlichkeit Neben dem panchromatischen Bild werden auch
multispektrale Bilddaten geliefert Arbeiten im Fotolabor entfallen A/D-Wandlung mittels Scannern ist nicht mehr
notwendig
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Digitale Luftbildkameras
Die Entwicklung der neuen digitalen Luftbildkameras wurde und wird auch heute noch maßgeblich in Deutschland durch die DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt) und durch Z/I Imaging (Zeiss Oberkochen und Intergraph) bestimmt.
Bei der Entwicklung der digitalen Kamerasysteme wurden zwei verschiedene Aufnahmeprinzipien verfolgt, die zum einen auf Zeilensensoren, zum anderen auf Flächensensoren basieren.
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Digitale Luftbildkameras
Das Prinzip des Zeilensensors wurde in der High Resolution Stereo Camera (HRSC-AX), einer Entwicklung
der DLR in Berlin-Adlershof, und in dem Airborne Digital Sensor (ADS40), die gemeinsam von der
DLR und Leica Geosystems entwickelt wurde, eingesetzt. Dagegen beruht die Aufnahmetechnik der Digital Modular Camera (DMC) von Z/I Imaging auf einem
Flächensensor.
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Digitale Luftbildkameras
(1. Generation)
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Digitale Luftbildkameras
Spezifikationen
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
Die drei CCD-Zeilensensoren mit jeweils 12000 Pixel sind so angeordnet, dass die Bildaufnahme gleichzeitig rückwärts, im Nadir und vorwärts erfolgt.
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
Die ADS40 besitzt insgesamt 7 lineare parallel angeordnete CCD-Sensoren; davon sind drei panchromatische lineare CCD´s (vorwärts, Nadir,
rückwärts) mit je zwei gestaffelten CCD-Reihen, drei linearen Farb-CCD-Reihen (rot, grün, blau) mit
dichroitischem Spiegel zur Einspiegelung des getrennten Lichtes und
einer linearen infrarot CCD-Sensorreihe.
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
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3-Zeilen-Sensor ADS 40 Durch die um 3.25 μm gestaffelte Anordnung der
jeweils zwei panchromatischen Sensorreihen wird die Anzahl der Pixel rechnerisch auf 24000 erhöht.
Die digitale Bilddaten werden auf einen Massenspeicher mit einer Aufnahmerate von 100GB pro Stunde gespeichert.
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
Das Kamerasystem ADS40 wird für den Einsatz im Flugzeug in der kreisel-stabilisierenden Aufhängung PAV30 befestigt.
Für die Orientierung der jeweils aufgenommenen 7 Sensorzeilen ist eine direkte Georeferenzierung durch Kombination von GPS/INS zwingend erforderlich.
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
http://www.dlr.de/os/forschung/projekte/ads
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
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3-Zeilen-Sensor ADS 40
Houston Capitol aufgenommen mit ADS40
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Leica ADS 80 - Airborne Digital Sensor
Folien zur ADS 80: WPB Photogrammetrie 2009/10 Andreas Erlenbruch & Matthias Richters
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SH 81/82
PAV 80
MM 80 CU 80
OI 40
Mechanisches Interface
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Sensorkopf SH 81/82 8/12 CCD Zeilen mit 12000 Pixel Pixelgröße 6.5 Mikrometer 2 Panchromatische Zeilen 1 Paar Panchromatische Zeilen um ½
Pixel versetzt 8 Spektrale Zeilen 2x Rot 2x Grün 2x Blau 2x Naher Infrarotbereich
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Datenerfassung Via Pushbroom
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Digitale Optik DO64
Hergestellt bei SwissOptic, Heerbrugg 64° Weitwinkel Brennweite 62.77mm, Blendenzahl 4 Spektralbereich 420 - 900 nm Auflösung 130 lp/mm, optimiert für CCD‘s Aufnahmegenauigkeit 1 µm Wärme- und Druckkompensation Telezentrisches Linsendesign
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Telezentrisches Linsendesign
Telezentrische Objektive zeichnen sich dadurch aus, dass die Eintritts-oder Austrittspupille im Unendlichen liegt.
Ein beidseitig telezentrisches Objektiv weist theoretisch keine geometrischen Abbildungsfehler, wie z.B. Verzeichnung, auf.
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Tetrachroider Strahlteiler
Simultanes Aufnehmen von RGB und NIR
Gleiche Bodenauflösung in allen Spektralbereichen
Positioniert zwischen Linse und CCD‘s
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Weitere Spezifikationen Bodenauflösung Bei 140 km/h max. 3 cm Bei 480 km/h max. 15 cm
Speicherkapazität Bei 768 Gb können insgesamt 11,4h Daten gespeichert
werden Die Flashspeichereinheiten sind im Flug austauschbar
Flughöhe bis 7.620m ohne Druckkabine
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System-Eigenschaften Co-Registrierung von RGB und RGN Bildern Panchromatische, farbige und infrarote Stereobilder Echte und hochauflösende Farbbilder (Kein Pan
Sharpening notwendig) Co-Registrierung aller Multispektraler Bänder mittels des
Tetrachroid Strahlsplitters Keine Farbverzerrung durch gleichen Aufnahmewinkel Direkte Georeferenzierung
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Vorteil des Zeilensensors
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PAN Sharpening
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RGB, NIR und PAN
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Einbau im Bildflugzeug
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HRSC-A
Große internationale Bedeutung für die Photogrammetrie hat die im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelte High Resolution Stereo Camera-Airborne (HRSC-A ) erlangt.
Das Konzept stammt von Otto Hofmann (1986).
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HRSC-A Das Kamerasystem wurde in der Erforschung der Mars
Oberfläche eingesetzt. http://solarsystem.dlr.de/Missions/express/kamera/ka
mera.shtml
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HRSC – Mars Expedition
Candor Chasma, Ophir Chasma
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DMC – Digital Mapping Camera System
Das technische Konzept der digitalen Kamera von Z/I Imaging beruht auf einen bzw. mehreren CCD-Flächensensoren von Philips.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Die Pixelgröße ist mit 12 μm fast doppelt so groß wie die der Kameras mit Zeilensensoren.
Der einzelne CCD-Chip hat eine Größe von 7000 x 4000 Pixel, so dass sich aus einer Anordnung von vier panchromatischen Kameraköpfen ein virtuelles Bild von ca. 13500 quer und ca. 8000 Pixel in Flugrichtung ergibt.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Die vier panchromatischen Bilder werden durch Messung von Verknüpfungspunkten in den sich überlappenden Bildregionen und durch geometrisches und radiometrisches Mosaiking zu einem virtuellen Bild zusammengesetzt.
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DMC – Digital Mapping Camera System
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DMC – Digital Mapping Camera System
Für die gleichzeitige Aufnahme von Bildern in Echt- und Falschfarben werden weitere vier Kameraköpfe mit einer jeweiligen Aufnahmefläche von 3000 x 2000 Pixel an den äusseren Rand des Kamerasystems angebracht.
Für die panchromatischen Sensoren wird eine Kamerakonstante von 120mm ein-gesetzt, während die multispektralen Sensoren Objektive mit einer Kamera-konstante von 25mm verwenden.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Grundkörper (li.) und Blick auf die Optik (oben)
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DMC – Digital Mapping Camera System
Die durch die Bewegung des Flugzeuges erzeugte Bildwanderung wird elektronisch durch eine TDI (Time Delayed Integration) ausgeglichen, in dem während der Belichtung die von den Sensorpixeln aufgenommene Lichtinformation auf dem Chip weitergeschoben wird.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Die radiometrische Qualität der digitalen Bilder ist wie bei den Kameras mit Zeilensensoren durch die hohe Anzahl von 12 Bits/Pixel (4096 Graustufen) sehr gut.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Im „full-color“ Modus (12 bit/pixel) werden pro Bild 260 MB Rohdaten erzeugt.
Bei einem verfügbaren Plattenspeicherplatz von 840 GB können mehr als 2000 Fotos erstellt werden.
Dies entspricht einer Menge von drei 500m Filmrollen.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Nach Abschluss des Bildflugs werden die Bilddaten in einem post-processing weiterverarbeitet.
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DMC – Digital Mapping Camera System
Das post-processing erfolgt in zwei Schritten, die radiometrische und geometrische Korrekturen beinhalten.
Die resultierenden Bilder mit voller Auflösung (7680 x 13824) liegen vor als Panchromatisches Bild Color-(RGB)-Bild Color-Infrarot-Bild
Sowie in Farbauflösung (2048 x 3072) als Color-(RGB-)Bild Color-Infrarot-Bild 4-Band-Bild Nahes-Infrarot-Bild
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DMC – Digital Mapping Camera System
Bodenauflösung
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Folien zur UltraCamXp: WPB Photogrammetrie 2009/10 Anjis Zimmerschied & Sebastian Räder
UltraCamXp
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Aufbau DXp/CXp Einheit
(Speicher und CPU)
SXp Einheit (Sensor)
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Spezifikationen der Sensoreinheit SXp
Pixelgröße am Boden – 1,8cm bei 300m Flughöhe – 2,9 cm bei 500m Flughöhe
Verhältnis Panchromatisch zu RGB/NIR 1:3 Verschlusszeiten: 1/500 bis 1/32 sec Forward-Motion-Compensation: TDI bis max 50pixel Strombedarf: 150 W bei voller Leistung Speicherbedarf pro Bild: 624 MB Speichertiefe: 12 – 13 bit
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Größenvergleich
Maße: 45cm*45cm*60
cm
Gewicht: ~55kg
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Sensoren: Multispektrale Kanäle
Rot, Grün, Blau, NIR Bildgröße: 5770*3770 px Pixelgröße: 6 µm Brennweite: 33mm Blickwinkel: 55° gegen die
Flugrichtung 37° in Flugrichtung
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Sensoren: Panchromatische Kanäle
Multi Cone Multi Sensor: 4 einzelne Kameras
Bildgröße: 17310*11310px
Pixelgröße:6 µm Bildformat: 104*68,4mm Brennweite: 100mm Blickwinkel: 55° gegen die
Flugrichtung 37° in Flugrichtung
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“Footprint”
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Spezifikationen: Datenspeicher DXp und Datenprozessierung CXp
Speicherplatz: unbegrenzt durch austauschbare DXp Einheiten
– ~4,2 TB je DXp Einheit
– ~6600 Bilder je DXp Einheit
wechselbar in < 3Minuten
speichert Bilder in 2 DXp-Einheiten gleichzeitig
Maße: 50cm*36cm*65cm
Gewicht
– CXp + 2 DXp <92kg
– DXp ~16kg
Verbindung über 2 Infiniband Kabel (2,5 GBit/s )
Stromverbrauch: 700W bei voller Leistung
CXp
DXp
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Software
Camera operating software (COS V3.2 )
Flugüberwachungsmonitor
Office processing center (OPC V3.2 )
Bildzusammensetzung aus den 13 Einzelbildern
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Zusammensetzung der R,G,B,NIR und des Pan-Bildes
R G
B NIR
PAN
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Beispielbilder: RGB-Kanäle
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Beispielbilder: IR-Kanal
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Z/I DMC II
DMC II 140 / 230 / 250
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Z/I DMC II - Eigenschaften Aufnahme in Nadir-Richtung sowie ein-linsiges
Projektionssystem Kein CCD stitching oder Bildmosaiking im Post-processing
erforderlich Monolithischer panchromatischer 250 MP CCD (17216 x
14656 pixels) mit 5.6µ pixel Größe und 112 mm Brennweite Vier Multispectral-Kameras, (RGB) and nahes-infrarot (NIR)
mit 42 MPixel CCD (6846 x 6096 pixel) und 7.2µ pixel Größe und a angepasstem Farbfilter
Jeder Kamerakopf verfügt über einen piezo-betriebenen Verschluss mit Selbst-Kalibrierung und maximaler Synchronization
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Z/I DMC II - Eigenschaften
2,3 Sekunden Bildfolgezeit ermöglicht hohe Flug-geschwindigkeiten und hohe Bildüberlappung und Bodenauflösung (bei 80 % Längsüberlappung und 6 cm ground sample distance [GSD], max. Geschwindigkeit über Grund: 198 knots)
PAN/color Verhältnis 1:3.2 Basis-zu-Flughöhen Verhältnis 0.28 Bilddaten post-processing der DMC II 250 basiert auf der
DMC post-processing software Finales Bildformat nach dem post-processing beträgt 16768
x 14016 pixel
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Z/I DMC II - Eigenschaften
Kompatibel zu allen existierenden Peripheriegeräten der RMK TOP, DMC undRMK D, ebenso wie zu Z/I Mission planning software, Z/I Inflight sensor management system, solid state disks (SSD), storage cartridges, Readout Station, T-AS mount und Z/I Mount
Viele Variationsmöglichkeiten für IMU Sensoren, einschließlich Leica IPAS 20
Einfaches Upgrade der RMK D, DMC II 140 sowie DMC II 230 auf eine DMC II 250
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Z/I DMC II
DMC II Inflight
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Z/I DMC II
DMC II Komplettsystem
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Z/I DMC II – Anwendungen
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Z/I DMC II – Auflösung
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Z/I DMC II – Auflösung
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Z/I DMC II – Technische Daten im Vergleich (140 – 230 – 250)
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Z/I DMC II
Quelle: Karsten Jacobsen - Geometric Analysis of DMC II140
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Z/I DMC II
Quelle: Karsten Jacobsen - Geometric Analysis of DMC II140
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Evaluierung digitaler Luftbildkamerasysteme
Untersuchung digitaler Luftbildkameras, initiiert und durchgeführt durch die Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation (DGPF)
http://www.dgpf.de/neu/projekt/DKEP-Allg.html
http://www.ziimaging.com
http://digital-imaging.leica-geosystems.com/en/Airborne-Sensors_57608.htm
http://www.microsoft.com/ultracam/en-us/UltraCamXp.aspx
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Quellen
http://www.ziimaging.com
http://digital-imaging.leica-geosystems.com/en/Airborne-Sensors_57608.htm
http://www.microsoft.com/ultracam/en-us/UltraCamXp.aspx