Die 10 Grundbegriffe der Photogrammetrie

Unter Photogrammetrie versteht man das Messen mit Bildern. Dabei kann es sich um Bilder handeln, die mit einer Vielzahl von Geräten aufgenommen wurden, darunter Drohnen, Flugzeuge und Handkameras, um nur einige zu nennen. Diese Bilder werden verwendet, um genaue und präzise 2D- und 3D-Modelle zu erstellen. Zahlreiche Branchen können von diesen Rekonstruktionen profitieren, von der öffentlichen Sicherheit über Industrieinspektionen bis hin zur Landwirtschaft.

Die Theorien und Konzepte, die hinter der Photogrammetrie stehen, können auf den ersten Blick komplex erscheinen. Deshalb haben wir eine Liste mit den 10 wichtigsten Dingen erstellt, die Sie wissen sollten, wenn Sie Photogrammetrie einsetzen. Sie sind:

1. Geometrie
2. Radiometrie
3. Triangulation
4. Interne und externe Parameter
5. Ursprüngliche und berechnete Parameter
6. RTK & PPK
7. Koordinatensystem
8. Verknüpfungspunkte
9. Bodenprobenentnahme Abstand
10. Volumenmessung

Mit dieser Liste können Sie die grundlegenden Ideen hinter der Photogrammetrie begreifen, verstehen, wie die Technologie funktioniert, und sind bereit, sie in Ihrem eigenen Bereich anzuwenden!

Geometrie

Geometrie ist eine Reihe von Merkmalen, die wir verwenden, um die Größe, Form, Ausrichtung und Position von etwas zu definieren. Diese Informationen können mit Photogrammetrie-Software rekonstruiert und analysiert werden. Und wie funktioniert das? Ein Foto erfasst die "Kolinearität". Kolinearität bedeutet im Grunde, dass mindestens drei Punkte auf derselben Linie erscheinen. Bei der Photogrammetrie betrachten wir diese Linie als einen Lichtstrahl. Auf diesem Lichtstrahl oder dieser Linie befinden sich also drei grundlegende Punkte: ein Objekt, der Punkt, auf den die Kamera fokussiert, und das Bild dieses Objekts auf dem Sensor der Kamera.

Dies ist die Kollinearitätsbedingung oder -formel. Sie brauchen sie nicht zu kennen, aber so wandelt die Photogrammetriesoftware Bilder in 3D-Modelle um.

Mit der richtigen Software können Sie nun interpretieren, wie die Punkte, die einen Lichtstrahl schneiden, Teil einer größeren Szene sind, die von der Kamera erfasst wurde. Die Länge und der Winkel der "Linie" hängen von der genauen Position der Kamera ab, als die Fotos aufgenommen wurden. Die Photogrammetrie-Software analysiert das Verhalten des Lichts und der kolinearen Elemente, um die Geometrie der Szene wiederherzustellen. Vereinfacht gesagt: Unsere Photogrammetrie-Software (PIX4Dmapper, PIX4Dfields, PIX4Dmatic, PIX4Dcloud, PIX4Dinspect) werden die Kameradaten und die Fotos selbst verwenden, um eine geometrisch genaue Rekonstruktion eines Projektgebiets zu erzeugen.

Radiometrie

Radiometrie ist eine Methode zur Analyse elektromagnetischer Strahlung. Dabei wird gemessen, wie Licht mit verschiedenen Objekten interagiert, auch mit Wellenlängen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind. Was hat das nun mit Photogrammetrie zu tun?

Wenn Sie ein Objekt betrachten, sehen Sie Licht in bestimmten Farben, das von ihm zurückgeworfen wird. Es gibt mehr Farben, als man sehen kann - wir nehmen nur das wahr, was unsere Augen erkennen können. Wenn Sie zum Beispiel Pflanzen betrachten, sehen Sie in der Regel überwiegend grünes Licht. Grünes Licht wird von Pflanzen reflektiert, weil sie es nicht verwenden, wenn sie Energie von der Sonne aufnehmen. Mit der Radiometrie kann man messen, wie Pflanzen dieses Licht reflektieren - und auch die Mengen und Variationen des Lichts, die wir mit dem bloßen Auge nicht sehen können.

Radiometrie bedeutet, dass multispektrale Drohnenbilder für die Fernerkundung von Pflanzen genutzt werden können.

Um die Radiometrie in der Photogrammetrie zu nutzen, können Sie spezielle Sensoren und Kameras verwenden, die Nahinfrarotlicht aufnehmen, auch bekannt als multispektrale Sensoren. Diese Kameras analysieren das Licht anders als eine Standard-RGB-Kamera (rot-grün-blau). Die Daten dieser Spezialkameras können für die landwirtschaftliche Photogrammetrie verwendet werden. Wenn Sie diese Daten durch spezielle Formeln laufen lassen, können Sie einen Vegetationsindex erstellen. Dabei handelt es sich um eine 2D-Karte einer Kultur oder eines Feldes, in der analysiert wird, wie die Pflanzen das Licht reflektieren. Die Art und Weise, wie eine Pflanze das Licht reflektiert, gibt Aufschluss über ihren Gesundheitszustand, ihr Wachstumsstadium und darüber, ob sie unter Stress steht, bevor man sie mit eigenen Augen sehen kann. Dank dieser Methode, bei der Drohnen und Fernerkundung zum Einsatz kommen, können Landwirte mithilfe der Photogrammetrie mehr über ihre Pflanzen erfahren, als für das menschliche Auge sichtbar ist.

Triangulation

Die für die Photogrammetrie gesammelten Fotos sind 2D, und für viele Ergebnisse - wie digitale Oberflächenmodelle oder Punktwolken - müssen wir diese Daten umwandeln, damit sie in 3D verwendet werden können. Die Triangulation ist die Technik zur Erstellung von 3D-Punktmessungen.

Die Triangulation ist die Grundlage der Photogrammetrie, bei der überlappende Bilder verwendet werden, um ein breiteres Bild oder einen größeren Raum zu erzeugen.

Triangulation wird auch von unseren Augen verwendet. Die Idee ist, dass Bilder, die von verschiedenen Orten aufgenommen wurden, zur Erstellung eines 3D-Modells verwendet werden können, indem die Unterschiede zwischen ihnen verglichen werden. Jedes Foto stellt eine andere Sichtlinie dar, und diese können mit anderen Fotos abgeglichen werden, um Schnittpunkte zwischen Punkten zu finden. Wie wir bei der Kolinearität und der Geometrie gesehen haben, können Sie diese Daten nutzen, um Entfernungen zu messen, und indem Sie Überschneidungen zwischen mehreren Fotos hinzufügen, können Sie mithilfe der Triangulation ein 3D-Modell erstellen. Das Pix4D Support-Team empfiehlt daher, Fotos mit einer angemessenen Überlappung zu sammeln, um sicherzustellen, dass Sie genügend Daten haben, um ein genaues und lückenloses 3D-Modell zu erstellen.

Interne und externe Parameter

Wir haben Ihnen die Grundlagen der Umwandlung von Fotos in 2D- und 3D-Modelle erläutert. Um die Vorteile dieser Technologie nutzen zu können, benötigen Sie ein geeignetes Instrument zur Erfassung von Photogrammetriedaten, z. B. eine Drohne oder eine Kamera.

Jede Kamera verfügt über bestimmte Fähigkeiten, die sie auszeichnen. Diese Spezifikationen wirken sich darauf aus, wie die Kamera funktioniert - zum Beispiel, ob sie einen Rolling Shutter hat oder nicht. Zu den Parametern gehören:

• Internes Kameraobjektiv
• Position des Projektionszentrums der Kamera
• Die Rotationsmatrix, die die Ausrichtung der Kamera bestimmt

Einige dieser Parameter sind kameraintern (z. B. das Objektiv der Kamera), während andere extern sind, wie die Position der Kamera bei der Aufnahme. Bei der Verarbeitung von Fotos mit Photogrammetrie-Software müssen diese Parameter definiert werden, um sicherzustellen, dass sie bei der Verarbeitung berücksichtigt werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Ergebnisse gewährleistet, da die Software ihre Verarbeitungseinstellungen an die verwendete Kamera anpasst.

Wenn sich eine Drohne mit einer Kamera um ein Objekt bewegt, werden die gesammelten Bilder entsprechend den Spezifikationen dieser Kamera verarbeitet

Ursprüngliche und berechnete Parameter

Um sicherzustellen, dass wir genaue Rekonstruktionen erstellen können, benötigen wir einige grundlegende Informationen über die zur Rekonstruktion der Szene verwendete Ausrüstung: die Kamera (und gegebenenfalls die Drohne). Die Kamera kann durch zwei Gruppen von Parametern definiert werden. Erstens, die internen Parameter, die mit der Geometrie der Kamera selbst zu tun haben. Die Art und Weise, wie die Kamera das Licht interpretiert, ist kameraspezifisch und wirkt sich auf die Verarbeitung der Bilder für eine 3D-Rekonstruktion aus. Die externen Parameter hingegen definieren die Position und Ausrichtung der Kamera bei der Aufnahme der Fotos.

In einer idealen Welt würden uns diese Informationen in Form von Metadaten bereits bei der Aufnahme eines Bildes zur Verfügung stehen, aber das ist nicht immer der Fall. Aus diesem Grund erfasst eine spezielle Photogrammetrie-Software vor der Verarbeitung alle Anfangsparameter eines Projekts.

Die Parameter werden in Schritt 1, der Erstverarbeitung, berechnet, um die Genauigkeit der Punktwolke und des Netzes in Schritt 2 sicherzustellen.

Die Software optimiert dann diese Parameter oder berechnet einen Satz von Parametern, die die Geometrie, Position und Ausrichtung der Kamera genauer darstellen. Sie werden von den ursprünglichen Parametern auf die berechneten Parameter umgestellt. Durch diese Änderungen wird die Genauigkeit eines Projekts gewährleistet. Je genauer ein Projekt ist, desto mehr Anwendungen können mit ihm realisiert werden. Wenn ein 3D-Modell bis auf wenige Zentimeter genau ist, kann es die von Zertifizierungsstellen wie Bureau Veritas definierten Industriestandards erreichen und für große Bau- oder Vermessungsprojekte oder sogar bei juristischen Untersuchungen von Unfällen und der Rekonstruktion von Tatorten verwendet werden.

RTK & PPK

Wir haben das Thema "Genauigkeit" schon ein paar Mal erwähnt. Die Genauigkeit ist eines der Hauptanliegen der Photogrammetrie: Wie können Sie sicherstellen, dass das von Ihnen erstellte 3D-Modell der Realität entspricht? Hierfür gibt es verschiedene Methoden, die sich auf eine genaue Geolokalisierung stützen, d. h. auf die Möglichkeit, genau zu bestimmen, wo auf der Erde man sich befindet.

RTK (Real-Time Kinematic) und PPK (Post-Processing Kinematic) sind Methoden zur Messung und Aufzeichnung von Geolokalisierungsdaten. Bei beiden handelt es sich um GPS-Korrekturtechnologien, die Standortdaten erfassen, Fehler erkennen und Korrekturen entweder während oder nach der Vermessung vornehmen.

RTK-Daten können mit bestimmten Drohnenmodellen oder einem Handheld-Gerät wie viDoc erfasst werden, hier auf einem Gerät mit PIX4Dcatch für die terrestrische Photogrammetrie-Datenerfassung

RTK findet während einer Vermessung oder eines Drohnenflugs statt. Eine Drohne oder ein Datenerfassungsgerät wie der viDoc RTK Rover verfügt über einen GNSS-RTK-Empfänger, der Daten von Satelliten sammelt und eine Verbindung zu einer lokalen Basisstation oder einem Netzwerk herstellt, um während der Bilderfassung Geolokalisierungsdaten zu sammeln. Diese Daten werden mit den Fotos verknüpft. Die Kamerapositionen werden in Echtzeit mit Bezug auf eine lokale Basisstation berechnet. Die Berechnungen werden verwendet, um die Kameraposition zu korrigieren, wenn sie nicht genau aufgezeichnet wurde, was dazu beiträgt, die Genauigkeit auf zwei oder drei Zentimeter in horizontaler und vertikaler Richtung zu erhöhen.

PPK wird nach der Datenerfassung abgeschlossen und kann verwendet werden, wenn keine Hardware mit RTK-Fähigkeiten vorhanden ist. Die Drohne schreibt Geokoordinaten auf jedes Bild, die auf dem eingebauten GNSS-Empfänger der Drohne basieren. Gleichzeitig zeichnet eine Basiseinheit (z. B. ein CORS-Netzwerk oder eine GNSS-Basisstation) ebenfalls Positionsdaten auf. Diese Daten werden zur Bestimmung von Geolokalisierungspunkten und Referenzen verwendet. PPK kann verwendet werden, wenn RTK keine Option ist oder keine Bezugspunkte zur Verfügung stehen, wie z. B. bei Fast-Mapping-Einsätzen oder Drohneneinsätzen im Katastrophenfall.

PPK kann anstelle von RTK verwendet werden, wie es bei der Drohnenkartierung von Beirut nach der Explosion im Jahr 2020 der Fall war.

Beide Techniken dienen dem gemeinsamen Zweck, die Genauigkeit eines Projekts zu gewährleisten, indem sie es (bei korrekter Ausführung) bis auf wenige Zentimeter genau halten. Die Frage, ob PPK oder RTK besser ist, wird kontrovers diskutiert und ist in der Regel projektabhängig. Unabhängig davon, welches System Sie verwenden, können Sie damit professionelle Ergebnisse erzielen, die für reale Anwendungen wie die Vermessung oder die Überwachung des Geländes verwendet werden können.

Koordinatensysteme

Ein Koordinatensystem ist eine Methode zur Organisation von Referenzlinien oder Kurven, um Orte im Raum zu definieren. Auf der ganzen Welt werden unterschiedliche Koordinatensysteme verwendet, da einige Länder ihre eigenen haben.

Eine Person, die eine Software zur Verarbeitung von Photogrammetriedaten verwendet, muss vor der Verarbeitung ihrer Daten festlegen, welches Koordinatensystem sie verwendet. Andernfalls könnte die Software die Geolokalisierungsdaten falsch interpretieren und ungenaue Messungen liefern oder sogar die endgültigen Ergebnisse verfälschen.

Da die Länder unterschiedliche Koordinatensysteme verwenden, muss das System vor der Verarbeitung festgelegt werden.

Unterschiedliche Koordinatensysteme führen nach der Verarbeitung zu leicht abweichenden Ergebnissen, da es Unterschiede zwischen den Systemen gibt. Deshalb ist es wichtig zu wissen, welches Koordinatensystem Sie bei der Datenerfassung verwenden, damit es während der Verarbeitung in der Software definiert werden kann und Sie Ergebnisse erhalten, die korrekt anzeigen, wo Sie sich befinden - anstatt Ihren Projektstandort mit einem völlig anderen Ort zu verwechseln!

Verknüpfungspunkte

Ein Verknüpfungspunkt ist ein Punkt, der mehreren Bildern gemeinsam ist und dazu verwendet werden kann, sie zu verbinden. Sie sind Ankerpunkte - ein Ort, an dem die geografische Position absolut ist. Es gibt verschiedene Bezeichnungen für Verknüpfungspunkte (z. B. Bodenkontrollpunkte oder Kontrollpunkte).

Bodenkontrollpunkte (Ground Control Points, GCPs) sind Punkte mit bekannten Koordinaten. Sie werden mit einem RTK- oder PPK-GNSS-Empfänger - oder einem ähnlichen Gerät, einer Totalstation - genau vermessen. GCPs werden zur genauen Lokalisierung eines Projekts verwendet, damit Sie eine realitätsgetreue Rekonstruktion erhalten.

GCPs sind eindeutige Punkte, die mit der Photogrammetriesoftware während der Verarbeitung leicht identifiziert werden können, wie in diesem Beispiel (Bild von Sundance Media Group)

Kontrollpunkte sind wie GCPs, aber sie dienen nicht der Georeferenzierung eines Projekts. Stattdessen werden sie verwendet, um die geometrische Genauigkeit des Projekts zu bewerten.

Mit GCPs und Kontrollpunkten kann ein Vermessungsingenieur sicher sein, dass seine Photogrammetrieergebnisse korrekt geolokalisiert sind und die Messungen anhand des 2D- oder 3D-Modells genau sind.

Abstand der Bodenprobenahme

Ein weiterer Aspekt der Genauigkeit ist der Bodenabtastabstand (GSD). Der GSD ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Pixelzentren, gemessen auf dem Boden. Auf diese Weise werden Entfernungen auf dem Bildschirm mit Entfernungen in der Realität in Beziehung gesetzt.

Je größer der GSD-Wert ist, desto geringer ist die räumliche Auflösung des Bildes. Das bedeutet, dass Sie weniger Details sehen.

Das ist in Ordnung, wenn Sie eine riesige Landschaft vermessen und sich einen allgemeinen Überblick über ein Gebiet verschaffen wollen. Wenn Sie jedoch feinere Elemente für eine Unfalluntersuchung oder eine detaillierte Topografie suchen, benötigen Sie möglicherweise einen kleineren GSD-Wert, um das Modell umfassender durchsuchen zu können.

Die GSD wird auf der Grundlage dessen berechnet, was die Sensoren der Kamera in der oberen Bildhälfte von der Realität erfassen

Die GSD wird durch die Flughöhe und die Spezifikationen der Kamera bestimmt, einschließlich der Bildbreite, der Sensorbreite und der Brennweite. Ein GSD von 5 cm bedeutet, dass ein Pixel auf dem Bild linear 5 cm auf dem Boden abbildet (d. h. es zeigt 25 Quadratzentimeter). Ein GSD von 30 cm bedeutet, dass ein Pixel 900 Quadratzentimetern entspricht (oder 30 x 30 cm). Der Unterschied ist gewaltig. Ein kleinerer GSD kann erreicht werden, indem man näher am Boden fliegt - dies führt jedoch zu einem größeren Datensatz und längeren Verarbeitungszeiten. Professionelle Photogrammetriker werden ihre Datenerfassung entsprechend der gewünschten GSD anpassen.

Volumenmessungen

Im Gegensatz zu den anderen aufgeführten Konzepten ist dies vielleicht ein vertrautes Konzept! Es ist vielleicht auch eines der einfachsten. Volumina können anhand der Basis eines Objekts im Vergleich zu seiner Höhe oder Tiefe gemessen werden. Sie können mit PIX4Dsurvey, PIX4Dcloud und PIX4Dmapper gemessen werden. Daten zur Volumenmessung können mit dem viDoc RTK-Rover oder einer Drohne erfasst werden.

Die Messung von Volumina mit Photogrammetrie wird von Fachleuten im Bauwesen, die an Projekten zur Verwaltung von Halden arbeiten, sowie von Vermessungsingenieuren oder Mitarbeitern der öffentlichen Sicherheit, die das Gelände analysieren müssen, verwendet. Der Einsatz der Photogrammetrie zur Messung von Halden oder Volumina spart Zeit und erhöht die Sicherheit, da der Vermesser nicht mehr auf die Halde gehen muss, um das Profil des Materials zu messen. Sie macht manuelle, schwerfällige Geräte überflüssig und kann sogar mit automatisierten Drohnenflügen und automatischen Datenuploads auf PIX4Dcloud durchgeführt werden. Der gesamte Prozess führt zu Zeit- und Geldersparnissen, so dass sich die Investition in die Photogrammetrie direkt auszahlt.

Erfahren Sie mehr über die Wissenschaft hinter der Photogrammetrie

Herzlichen Glückwunsch, dass Sie bis hierher gelesen haben! Einige der Themen, die in diesem Blog behandelt werden, sind sehr technisch und könnten für Sie als Branchenneuling ungewohnt sein. Die Photogrammetrie ist eine der spannendsten Methoden zur Messung und Analyse von Daten. Die gute Nachricht ist, dass es Hilfe gibt, wenn Sie sie brauchen - unsere Pix4D Wissensdatenbank auf unserer Support-Seite ist voll von Informationen, die diesem Artikel zugrunde liegen, und unsere Experten-Trainer können auch Lektionen für Leute geben, die neu in der Photogrammetrie und der Arbeit mit Pix4D sind.

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