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Verfahren und Anordnung zur photogrammetrischen Erfassung von Objekten - Dokument DE4211550A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4211550A1 07.10.1993
Titel Verfahren und Anordnung zur photogrammetrischen Erfassung von Objekten
Anmelder ReFit eV, O-6900 Jena, DE
Erfinder Peiker, Adolf, Dipl.-Ing., O-6908 Jena, DE;
Rozek, Werner, Dr.-Ing., O-6908 Jena, DE
DE-Anmeldedatum 06.04.1992
DE-Aktenzeichen 4211550
Offenlegungstag 07.10.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.10.1993
IPC-Hauptklasse G01C 11/06
IPC-Nebenklasse G01B 11/14   G05D 3/10   
Zusammenfassung Zeitsynchron zur Erfassung der Objektbilddaten für jedes Objektbild wird jeweils mindestens eine ständig zu einem lokalen Fixpunkt ausgerichtete flächenhafte Markierungsinformation als Raumlageinformation registriert und zur objektbildbezogenen Überlagerung mit der Bildinformation vorgesehen. Die Aufnahme der Objektbilddaten folgt der Aufnahmebewegung des Trägersystems, während die synchron registrierte Raumlageinformation jeweils ortsfest ausgerichtet bleibt. Die Raumlageinformation wird durch eine lagestabilisierte und nicht mit der Aufnahmeeinrichtung (2) für die Bildinformation der aufzunehmenden Objekte mechanisch starr gekoppelte an sich bekannte Reseauplatte (4) mit einer Maßverkörperung (6) zur Registrierung eingebracht, wobei die Überlagerung mit der zugeordneten Bildinformation des Objektbildes unmittelbar bei Datenregistrierung oder nach separater Zwischenspeicherung von Bild- und Raumlageinformation erfolgen kann.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur photogrammetrischen Erfassung von Objekten, insbesondere für die zur Umweltdatenerfassung verwendete terrestrische und Aero-Photogrammetrie.

Es ist allgemein bekannt, bildhafte Informationen zu erfassen und diese mittels photogrammetrischer Verfahren semantisch oder metrisch auszuwerten, wobei man Ein- und Mehrbildauswerteverfahren unterscheidet. Die Bedingungen der mit Film- oder Flächensensorkameras erfolgenden Erfassung der Bilddaten sind ausschlaggebend für die Lösbarkeit und für den Aufwand der Auswertung. Die Raumlage der Abbildungsebene zu den abzubildenden Objekten ist ein wesentlicher Einflußfaktor. Tritt ein Raumlageunterschied auf, so entstehen Verzerrungen im Abbild. Deshalb sind bei der stereoskopischen Bildauswertung direkte oder indirekte Kenntnisse der Raumlage der Abbildungsebenen zwecks Lagetransformationen erforderlich.

So wird z. B. beim Luftbildaufnahmesystem von Carl Zeiss Jena durch eine kreiselstabilisierte Aufhängung des Aufnahmesystems der Versuch unternommen, die Bildebenennormale in Lotrichtung zu halten, womit die Kenntnis über die aktuellen Raumlageinformationen durch die gleichbleibende Lage der Bildebenennormale gegeben ist. Wie im Bericht "Zeiss RMKTOP- erweiterte Möglichkeit eines Luftbildaufnahmesystems" (Zeitschrift für Photogrammetrie und Fernerkundung, Heft 1/1992, S. 19-24) festgestellt wird, reicht für viele photogrammetrische Auswerteverfahren die Raumlagenaussage dieser kreiselstabilisierten Aufhängung in der Praxis aber nicht aus, was zur Folge hat, daß Transformationen unter Berücksichtigung der Kenntnis von Raumkoordinateninformationen ortsfester Objekte vorgenommen werden müssen, die aufwandreiche numerische Berechnungen bzw. aufwendige optisch-mechanische Einrichtungen erfordern. Für terrestrische Bildaufnahmen werden zur geometrischen Erfassung von Umweltdaten adaptierte Kleinbild- und Mittelbildkameras verwendet. Zur Definition eines Bildkoordinatensystems sowie zur Verbesserung der Korrektur der Planlage des Filmes sind in der Bildebene dieser Kameras kalibrierte Rahmenmarken oder ein Reseau eingebaut. (Regensburger, K.: "Photogrammetrie- Anwendungen in Wissenschaft und Technik", Verlag für Bauwesen, Berlin 1990).

Beispielhaft sei die Meßkamera von Rolleiflex 6006 genannt, die praktisch eine Filmkamera mit einer hinter der Filmebene angeordneten Reseauplatte darstellt. Bei Belichtung des Filmes wird der auf dem Reseau enthaltene Maßstab zusätzlich zur Bildinformation auf den Film übertragen. Durch die Kenntnis des Abbildungsmaßstabes sowie der Größenverhältnisse der Reseaumarkierung sind Maßbeziehungen von Objekten zueinander ableitbar. Die Raumlage der Bildebenennormale ist allerdings nur durch Kenntnis von Lagebeziehungen bekannter Objekte und lediglich bei extrem geringer Neigung der Bildebenennormale der Meßkamera mit hinreichender Genauigkeit ermittelbar. Meist sind aber die Lagebeziehungen zwischen den Objekten unbekannt. Eine Ermittlung der Lagebeziehungen ist dann nur mit erhöhtem Aufwand betreffs der dazu benötigten Ressourcen möglich. Die Registrierung der ermittelten Daten erfordert zusätzliches Speichermedium und die Art der Registrierung verkompliziert die photogrammetrische Auswertung. Weiterhin wird aufgrund der durch den hohen Aufwand beschränkten Anzahl der Lagebeziehungen bekannter Objekte die Genauigkeit der Entzerrung und der Lagetransformation aller Bildvektoren beschränkt.

Eine Vereinfachung der relativ komplizierten Bestimmung der Raumlage wird durch Zuordnung der Aufnahmen zu den Daten eines Theodoliten erreicht. Damit sind zwar die Raumlagen einzelner Objekte schneller ermittelbar, aber die zusätzlichen Aufwände an Datenspeicherressourcen für die Lagedaten des Theodoliten, an Auswertezuordnungen zwischen den mit einem Theodoliten anvisierten Objektpunkten und den-Punkten der Objekte des Bildes bleiben bestehen. Auch die Beschränkung auf wenige Objektpunkte wird nicht aufgehoben.

Eine Reseauanwendung ist auch in der Patentschrift DE 38 11 837 dargestellt. Die Anmeldung beschreibt ein Verfahren zur Erfassung eines statischen Aufnahmeobjektes mit Hilfe zumindest eines opto-elektrischen Festkörper-Flächensensors, das die Aufgabe hat, bildhafte Abbildungen, die größer als der Flächensensor sind, durch Verschiebung des Flächensensors in der Abbildungsebene vollständig zu erfassen. Zur Unterstützung der Rekonstruktion des Gesamtbildes aus den einzelnen Teilbildern wird eine dem Gesamtbild fest überlagerte Reseaumarkierung verwendet. Die Rekonstruktion erfolgt dann über die Reseaumarkenpaßfähigkeit. Die Anordnung, die dieses Verfahren realisiert, besteht aus einer Reseaukammer mit einem Objektiv, einer auf der gegenüberliegenden Kammerseite angeordneten fixierte Reseauplatte, einer in der oberen Abdeckung vorgesehenden Mattscheibe sowie einer zwischen Objektiv und Reseauplatte angeordneten halbverspiegelten Glasplatte. In der Abbildungsebene der Reseaukammer liegt hinter der fixierten Reseauplatte ein Festkörper-Flächensensor, der in der Abbildungsebene sowie in Richtung der optischen Achse beweglich ist. Bei diesem Verfahren werden mit der Reseaumarkierung lediglich Ebenenlagebeziehungen von Teilbildern eines sich nicht in der Raumlage veränderten Gesamtbildes realisiert, die zur Rekonstruktion des Gesamtbildes dienen. Jedoch läßt sich keine für die photogrammetrische Auswertung erforderliche Raumkoordinatenbeziehung des Gesamtbildes ableiten. Diese Informationen müssen analog den obigen Ausführungen und diesen anhaftenden Nachteilen ermittelt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Raumkoordinatenbeziehung der Objekte mit ihrer Raumlageinformation bildhaft so zu erfassen, daß deren Registrierung vereinfacht wird sowie minimale Ressourcen benötigt und daß die Auswertung der bildhaften Informationen in bezug auf die Entzerrung und die Lagetransformationen ebenfalls vereinfacht und deren Genauigkeit selbst bei größeren Richtungsunterschieden der Bildvektoren erhöht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe im wesentlichen dadurch gelöst, daß zeitsynchron zur Erfassung der Objektbilddaten für jedes Objektbild jeweils mindestens eine ständig zu einem lokalen Fixpunkt ausgerichtete flächenhafte Markierungsinformation als Raumlageinformation registriert und zur Objektbildbezogenen Überlagerung mit der Bildinformation vorgesehen ist. Die Aufnahme der Objektbilddaten folgt der Aufnahmebewegung des Trägersystems, während die synchron registrierte Raumlageinformation jeweils ortsfest ausgerichtet bleibt. Die Raumlageinformation wird durch eine lagestabilisierte und nicht mit der Erfassungseinrichtung für die Bildinformation der aufzunehmenden Objekte mechanisch starr gekoppelte an sich bekannte Reseauplatte mit einer Maßverkörperung zur Registrierung eingebracht, wobei die Überlagerung mit der zugeordneten Bildinformation des Objektbildes unmittelbar bei Datenregistrierung oder nach separater Zwischenspeicherung von Bild- und Raumlageinformation erfolgen kann. Die erfinderischen Merkmale sind in den Patentansprüchen näher spezifiziert. Die Unteransprüche 2-5 und 7-12 enthalten vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Ansprüche 1 und 6.

Die Markierungsinformation des lagestabilisierten und zu mindestens einem erd- bzw. raumbezogenen Fixpunkt lagestabil ausgerichteten Reseaus verkörpert bei der Überlagerung mit der Bildinformation der Objekte eine für die photogrammetrische Auswertung zur Entzerrung und Lagetransformation verwendbare objektbildbezogene Raumlageinformation der zu erfassenden Objekte, die synchron zur Objektbildaufnahme der Bilddaten registriert wird. Damit ist den Bildpunkten jedes Objektbildes bereits bei ihrer Registrierung eine exakte Raumlageinformation für die Auswertung zugeordnet und fixiert, die selbst bei großer Lageverschiebung der Bildvektoren der aufgenommenen Objektbilder eine sehr genaue Entzerrung und Lagetransformation der Bilddaten ermöglicht.

Die Überlagerung der Objektbild- und Markierungsdaten, insbesondere bereits unmittelbar bei der Erfassung der Objektbilddaten, ermöglicht darüberhinaus eine relativ aufwandgeringe Auswertung der Bildinformation mit ihrem Raumlagebezug, da diese Raumlageinformationen nicht erst durch aufwendige und komplizierte photogrammetrische Referenzauswerteverfahren ermittelt werden müssen, deren rechentechnische Durchführung zeit- und speicherplatzintensiv ist oder deren opto-mechanische Realisierung aufwendige Einrichtungen erfordert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von vier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 photogrammetrische Anordnung für terrestrische Objektbildaufnahmen mit gemeinsamer Registrierung von Bild- und Raumlageinformation

Fig. 2 photogrammetrische Anordnung für terrestrische Objektbildaufnahmen mit getrennter Registrierung von Bild- und Raumlageinformation

Fig. 3 photogrammetrische Anordnung für Aero-Objektbildaufnahmen mit gemeinsamer Registrierung von Bild- und Raumlageinformation

Fig. 4 photogrammetrische Anordnung für Aero-Objektbildaufnahmen mit getrennter Registrierung von Bild- und Raumlageinformation.

In Fig. 1 ist ein, auf einem der Übersicht wegen nicht in der Zeichnung abgebildeten Aufnahmeträger, z. B. ein Fahrzeug, angebrachtes Aufnahmegehäuse 1 mit einem an sich bekannten optoelektronischen Sensor 2 vorgesehen, um mindestens eine Bildinformation eines Objektbildes über ein Objektiv 3 zur photogrammetrischen Auswertung aufzunehmen. Für eine Auswertung der Bildinformation in bezug auf Raumkoordinaten wird erfindungsgemäß zu jeder Bildinformation jeweils eine dem Objektbild zugeordnete Raumlageinformation registriert. Diese Raumlageinformation wird mit einem invers geschwärzten Reseau 4 erzeugt, auf dem ein durch eine Lichtquelle 5 beleuchtetes Meßgitter 6 als flächenhafte lichtemittierende Maßverkörperung aufgebracht ist. Zu einer Lageausrichtung des Meßgitters 6 auf einen lokalen Fixpunkt steht das Reseau 4 formschlüssig mit einer an sich bekannten und aus Übersichtsgründen nicht näher spezifizierten Lagestabilisierungseinrichtung 7, z. B. einer kardanische Aufhängung oder ein Kreiselsystem, in Verbindung, so daß das Meßgitter 6 unabhängig von der Lageausrichtung und Bewegung des Aufnahmegehäuses 1 ständig auf den besagten Fixpunkt, der Erdmittelpunkt oder ein beliebig wählbarer definierter Flächenschwerpunkt, nivelliert und lagestabilisiert ist.

Das beleuchtete Meßgitter 6 wird über eine zur Bildebene des opto-elektronischen Sensors 2 geneigte und optisch halbverspiegelte Glasplatte 8 als Raumlageinformation in die Sensorbildebene zur Aufnahme der Bildinformation des Objektbildes projiziert. Auf diese Weise wird mit der der Bewegung und dem örtlichen Ausrichtverhalten des nicht dargestellten Aufnahmeträgers folgenden Registrierung der Bildinformation jedes Objektbildes gleichzeitig eine dieser zugeordnete und permanent fixpunktbezogen ausgerichtete Raumlageinformation registriert, Bild- und zugeordnete Raumlageinformation werden somit für eine photogrammetrische Auswertung optisch überlagert aufgenommen.

Das Aufnahmegehäuse 1 ist in Fig. 1 aus Herstellungsgründen in zwei Kammern 9, 10 unterteilt, die jedoch optisch durch eine Öffnung 11 in einer Trennwand 12 gekoppelt sind.

Im Gegensatz dazu besteht das Gehäuse in Fig. 2 aus zwei optisch getrennten Kammern 9,10, wobei in der Kammer 9, wie in Fig. 1, der opto-elektronische Sensor 2 und das Objektiv 3 zur Aufnahme der Bildinformation des Objektbildes angeordnet ist. In Kammer 10 sind, ebenfalls wie in Fig. 1, das Reseau 4 mit dem Meßgitter 6, die Lichtquelle 5 sowie die Lagestabilisierungseinrichtung 7 untergebracht. Die beiden Kammern 9, 10 sind jedoch durch die geschlossene Trennwand 12 optisch isoliert von einander. Über dem Reseau 4 mit dem beleuchteten Meßgitter 6 ist ein weiterer opto-elektronischer Sensor 13 zur Registrierung der durch die lagestabilisierte Maßverkörperung realisierten Raumlageinformation angeordnet. Durch diese Sensoranordnungen in den Kammern 9, 10 werden die Bildinformation des Objektbildes und die jeweils zugeordnete flächenhafte lagestabilisierte Raumlageinformation zwar zeitsynchron, aber räumlich getrennt registriert. Die beiden opto-elektronischen Sensoren stehen ausgangsseitig mit einer elektronischen Bildüberlagerungseinrichtung 14 zur pixelweisen und pixelsynchronen Überlagerung der getrennt registrierten Bild- und Raumlageinformationen für die photogrammetrische Auswertung in Verbindung.

In Fig. 3 und Fig. 4 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung für eine Aero-Objektbildaufnahme dargestellt, bei denen das Aufnahmegehäuse 1 zwei nebeneinander angeordnete Kammern 15, 16 besitzt. In Kammer 15 sind jeweils der opto-elektronische Sensor 2 und das Objektiv 3 zur Aufname der Bildinformation des Objektbildes, allerdings im Unterschied zu Fig. 1 und Fig. 2 für einen vertikal verlaufenden Strahlengang, untergebracht. Die benachbarte Kammer 16 beinhaltet sowohl bei Fig. 3 als auch bei Fig. 4 in gleicher Weise, wie in Fig. 1 beschrieben, das Reseau 4 mit dem Meßgitter 6, die Lichtquelle 5 sowie die formschlüssig mit dem Reseau 4 verbundene Lagestabilisierungseinrichtung 7. Die durch das beleuchtete Meßgitter 6 realisierte flächenhafte und lageausgerichtete Maßverkörperung wird ähnlich dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 über die optisch halbverspiegelte Glasplatte 8 in der Kammer 15 sowie über einen parallel zu dieser angeordneten Umlenkspiegel 17 in die Aufnahmeebene des opto-elektronischen Sensors 2 projiziert, so daß Bild- und zugeordnete Raumlageinformation für die photogrammetrische Auswertung jeweils gemeinsam registriert werden. Die Kammern 15,16 sind in analoger Weise zu Fig. 1 durch die Öffnung 11 optisch gekoppelt.

In Fig. 4 besteht diese optische Kopplung der Kammern 15, 16 infolge der geschlossenen Trennwand 12 nicht. Über dem Reseau 4 mit dem beleuchtete Meßgitter 6 ist, vergleichbar mit Fig. 2, der separate opto-elektronischer Sensor 13 angeordnet, der die Reseau-Raumlageinformation zwar zeitsynchron, aber räumlich getrennt von der Aufnahme der entsprechenden Bildinformation durch den opto-elektronischen Sensor 2 registriert. Die beiden opto-elektronischen Sensoren 2, 13 stehen wiederum mit der elektronischen Bildüberlagerungseinrichtung 14 zur pixelweisen und pixelsynchronen Überlagerung der getrennt voneinander registrierten Bild- und zugeordneten Raumlageinformation in Verbindung.

Die Ausgangsdaten der opto-elektronischen Sensoren 1 und 13 werden in einem Datenspeicher 18 abgelegt, wobei der Datenspeicher 18 bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 2 und 4 jeweils an den Ausgang der Bildüberlagerungseinrichtung 14 angeschlossen ist und somit ebenfalls die mit der Raumlageinformation überlagerte Bildinformation des Objektbildes speichert. Eine separate Speicherung der getrennt registrierten Bild- und Raumlageinformation ist in diesen beiden Fällen alternativ oder zusätzlich möglich (nicht in der Zeichnung dargestellt).

Aus Gründen der universellen Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Anordnung kann es zweckmäßig sein, die Kammern 9,10 nicht in einem gemeinsamen Aufnahmegehäuse 1 zu realisieren, sondern als einzelne Gehäuse (nicht in der Zeichnung dargestellt) zu gestalten.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur photogrammetrischen Erfassung von Objekten, bei dem die Bildinformation des Objektbildes für eine Auswertung anhand von Raumkoordinatenbeziehungen zur Entzerrung und Lagetransformation registriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zeitsynchron zur Registrierung der Bildinformation des aufzunehmenden Objektes zusätzlich eine auf mindestens einen lokalen Fixpunkt ausgerichtete und zur Überlagerung mit der zugeordneten Bildinformation vorgesehene Raumlageinformation vom Objektbildbereich registriert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck einer gemeinsamen Registrierung die der Bildinformation zugeordnete Raumlageinformation bei der Registrierung der Bildinformation optisch in deren Aufnahmeebene projiziert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der Bildinformation zugeordnete Raumlageinformation getrennt von dieser registriert und optisch oder vorzugsweise elektronisch mit der aufgenommenen Bildinformation pixelsynchron überlagert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die registrierten Bild- und Raumlageinformationen zwischengespeichert werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Raumlageinformation der Objektbilder vorzugsweise auf den Erdmittelpunkt als lokaler Fixpunkt ausgerichtet wird.
  6. 6. Anordnung zur photogrammetrischen Erfassung von Objekten mit einer Aufnahmeeinrichtung für die Registrierung der Bildinformation der auszuwertenden Objektbilder zur Auswertung in bezug auf Raumkoordinaten, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Strahlengang derselben oder einer weiteren Aufnahmeeinrichtung (2, 13) zum Zweck einer zeitsynchron zur Registrierung der Bildinformation erfolgenden Registrierung einer Raumlageinformation ein an sich bekanntes Reseau (4) mit einer dem Objektbild zugeordneten flächenhaften Maßverkörperung (6) angeordnet ist, und daß das Reseau, welches im wesentlichen nicht mechanisch starr mit der Aufnahmeeinrichtung (2) zur Registrierung der Bildinformation gekoppelt ist, formschlüssig mit einer Einrichtung (7) zur Lagestabilisierung bezüglich eines lokalen Fixpunktes in Verbindung steht.
  7. 7. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein an sich bekanntes Kreiselsystem als Einrichtung (7) zur vorzugsweise horizontalen Lagestabilisierung.
  8. 8. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung (6) des Reseaus (4) zum Zweck der gemeinsamen Registrierung von Bild- und zugeordneter Raumlageinformation über eine optisch halbverspiegelte Glasplatte (8) in einem Strahlengang der Aufnahmeeinrichtung (2) für die Registrierung der Bildinformation angeordnet ist.
  9. 9. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperung (6) des Reseaus (4) im Strahlengang der weiteren nur für die Erfassung der Raumlageinformation vorgesehenen Aufnahmeeinrichtung (13) angeordnet ist und daß die Aufnahmeeinrichtungen (2, 13) für die getrennte Registrierung der Bild- und zugeordneten Raumlageinformationen mit einer optischen oder vorzugsweise elektronischen Bildüberlagerungseinrichtung (14) in Verbindung stehen.
  10. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahmeeinrichtungen (2, 13) mit einem oder mehreren Datenspeichern (18) verbunden sind.
  11. 11. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reseau (4) für eine lichtemittierende Maßverkörperung (6) invers geschwärzt und beleuchtet ist.
  12. 12. Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch ein das Objektbild vorzugsweise vollständig überdeckendes Meßgitter als Maßverkörperung (6).






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