Die Photogrammetrie

Photogrammetrie (seltener auch Fotogrammetrie oder Bildmessung) ist eine Gruppe von Messmethoden und Auswerteverfahren der Fernerkundung, um aus Fotografien und genauen Messbildern eines Objektes seine räumliche Lage oder dreidimensionale Form zu bestimmen. Im Regelfall werden die Bilder mit speziellen Messkameras aufgenommen.

Das Fachgebiet ist um 1900 aus der Geodäsie hervorgegangen und wird seit etwa zwei Jahrzehnten auch der Fernerkundung (FE, englisch Remote Sensing oder RS) zugeordnet. Wie die Mehrzahl der fernerkundlichen Verfahren ist auch die Photogrammetrie ein passives Fernerkundungs- und Vermessungsverfahren, da sie die berührungslose Rekonstruktion von räumlichen Objekten aus deren fotografisch festgehaltener Strahlung ermöglicht. Die Objekte werden meist im natürlichen Licht und von mehreren Standpunkten der Kamera (oder gleichzeitig von mehreren Kameras) aufgenommen. Das vom Objekt in die Messkamera kommende Licht kann reflektierte oder emittierte Strahlung sein, künstliche Beleuchtung wird aber meist nur bei kleinen Objekten verwendet.

Überblick
Name und Schreibweise


Eine Aufnahme des Wetzlarer Doms um das Jahr 1900 von Albrecht Meydenbauer. Auf der Aufnahme hat er mit einem Pfeil und der Beschriftung „September '58“ die Stelle markiert, an der er 1858 verunglückte. Der Unfall motivierte ihn zur Entwicklung der Photogrammetrie. Auf der Rückseite des Fotos steht „Wetzlar 1858 – Die Gefahr des Absturzes mit (Pfeil) bezeichnet. Veranlassung zur Erfindung der Meßbildkunst.“

Der Name wurde erstmals 1867 als Titel des anonym veröffentlichten Beitrages Die Photogrammetrie im Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin, später Deutsche Bauzeitung, verwendet. Die Redaktion des Wochenblatts bemerkt hierzu: „Der Name Photogrammetrie ist entschieden besser gewählt als Photometrographie, obgleich auch noch nicht ganz bezeichnend und zufriedenstellend.“[1]

Da Wilhelm Jordan für sich in Anspruch nahm, den Namen Photogrammetrie zuerst veröffentlicht zu haben, teilte die Redaktion der Deutschen Bauzeitung in einer Notiz mit {26(1892)50:300}, dass der 1867 veröffentlichte Beitrag von Albrecht Meydenbauer stammte.
Aufgaben der Photogrammetrie

Aufgaben und Methoden des Faches – das meist an Technischen Universitäten im Rahmen der Geodäsie gelehrt wird – sind nach Meyers Lexikon[2] wie folgt:

Aufnahme und Auswertung ursprünglich nur fotografischer Messbilder zur Bestimmung von Beschaffenheit, Form und Lage beliebiger Objekte. Die Photogrammetrie erfährt heute eine bedeutende Ausweitung dank neuartiger Bildaufnahmegeräte und der digitalen Bildverarbeitung als Folge der Möglichkeiten von Optoelektronik, Computertechnik und digitalen Massenspeichern. Hauptanwendungsgebiet der Photogrammetrie ist die →Geodäsie.

Dazu kommen heute unter anderem die Herstellung von Landkarten, von digitalen GIS-Landschaftsmodellen und Spezialaufgaben wie etwa die Architektur- und Unfallphotogrammetrie sowie in medizinischen Anwendungen (z. B. Virtopsy).

Die terrestrische Photogrammetrie (Erdbildmessung), bei der die Messbilder von erdfesten Standpunkten aus aufgenommen werden (Fototheodolit), wird im geodätischen Bereich zum Beispiel bei topografischen Aufnahmen im Hochgebirge und bei Ingenieurvermessungen genutzt. Bei der Aerophotogrammetrie (Luftbildmessung) werden die Messbilder vorwiegend zur Herstellung topografischer Karten, für Katastermessungen und Aerotriangulationen mit einer →Messkammer vom Flugzeug aus aufgenommen (→Luftbildfotografie). Nach der Anzahl der verwendeten Bilder werden die Verfahren der Einbild-, Zweibildphotogrammetrie (Stereophotogrammetrie) und Mehrbildmessung unterschieden. Die Messbilder werden in Einzelbildauswertegeräten entzerrt oder an stereoskopischen Doppelbild-Auswertegeräten in drei Dimensionen ausgemessen.

Zu den nicht-geodätischen Anwendungen zählt die Vermessung von Architektur und Kunstwerken, die Ballistik (siehe auch Satellitenkamera), die Land- und Forstwirtschaft, die Röntgenologie sowie Ingenieurbau und technisches Versuchswesen.[3]

Methodischer Überblick der Fachausdrücke


Datenmodell der Photogrammetrie nach Wiora

Die nebenstehende Abbildung gibt einen Überblick über die Methoden der Photogrammetrie aus der Sicht der Eingangs- und Ausgangsgrößen.

Die 3D-Koordinaten sind die Ortskoordinaten von Objektpunkten im dreidimensionalen Raum. Die Bildkoordinaten geben den Ort der Abbildung der Objektpunkte auf die fotografische Platte, den Film oder einen elektronischen Bildwandler an. Die äußere Orientierung einer Kamera bezeichnet ihren Standort im Raum sowie ihre Blickrichtung. Die innere Orientierung definiert die abbildungsrelevanten Parameter der Kamera.
Der wichtigste dieser Parameter ist die Brennweite des Objektivs, es gehört aber auch die Beschreibung der Linsenverzerrungen dazu. Des Weiteren spielen die zusätzlichen Beobachtungen eine wichtige Rolle: Durch Maßstäbe, also den bekannten räumlichen Abstand zweier Punkte, oder Passpunkte, also die bekannten 3D-Koordinaten von Punkten in der Örtlichkeit (Objektpunkten), erfolgt die Anbindung an definierte Längeneinheiten und Koordinatensysteme.

Jede der vier Hauptgrößen kann als Voraussetzung oder als Ergebnis einer photogrammetrischen Methode betrachtet werden. Die einzelnen Methoden werden in den folgenden Abschnitten erläutert.
Grundlagen

Das Ziel einer photogrammetrischen Auswertung ist die Wiederherstellung der räumlichen Lage von Bildern zueinander, in der sie sich zum Zeitpunkt der Aufnahme befunden haben. Diese Wiederherstellung erfolgt nach den Gesetzen der Zentralprojektion unter Einhaltung der Komplanaritätsbedingung. Grundsätzlich kann man diese Berechnung in einem Guss im Zuge einer gemeinsamen Ausgleichung durchführen, verfahrenstechnisch zerfällt dieser Rechenvorgang jedoch in mehrere getrennte Schritte, die je nach der gegebenen Messungssituation untereinander kombiniert werden:

Absolute Orientierung: Der Modellverbund aus der relativen Orientierung entspricht bereits der Geometrie der Punkte in der Örtlichkeit, allerdings stimmt die räumliche Orientierung des Modellverbundes noch nicht mit der Örtlichkeit überein und der Maßstab ist noch unbekannt. Im Zuge einer dreidimensionalen Helmert-Transformation werden die Modellkoordinaten des Modellverbundes auf die bekannten Passpunkte in der Örtlichkeit transformiert. Die Helmerttransformation passt die Punkte so in das bestehende Punktfeld ein, dass die Restklaffungen in den Koordinaten minimal werden. Bei Verwendung einer Restfehlerinterpolation lassen sich auch diese Klaffungen beseitigen.
Äußere Orientierung: Im Gegensatz zur relativen Orientierung, bei der nur eine gegenseitige Wiederherstellung der Raumlage zweier Bilder erfolgt, erlaubt die äußere Orientierung die räumlich eindeutige Rekonstruktion der Bildlage bei der Aufnahme. Voraussetzung dazu ist allerdings, dass man über im Bild sichtbare Passpunkte in der Örtlichkeit verfügt, auf die man die Bildkoordinaten im Zuge eines räumlichen Rückwärtsschnittes iterativ einrechnet.
Innere Orientierung: Um innerhalb eines Bildes messen zu können muss bekannt sein, wo sich der Bildhauptpunkt (entspricht idealerweise dem Bildmittelpunkt) befindet. Dieser Punkt wird durch den Strahl gebildet, der senkrecht auf der Objektivebene stehend durch den Brennpunkt in das Bild verläuft. Dieser Punkt, und hinzukommend auch noch die Kammerkonstante (i.A. die Brennweite) und die Objektivverzeichnung, wird messtechnisch ermittelt und erlaubt die Transformation eines gemessenen Punktes (x',y') in das Bildkoordinatensystem (x,y,c).
Relative Orientierung: Wiederherstellung der relativen Lage zweier Bilder im Raum zueinander und Berechnung eines sogenannten Modells. Aus den Koordinaten der beiden Bilder P_1(x,y,c) und P_2(x,y,c) werden die Modellkoordinaten P_{12}(u,v,w) berechnet. In der Praxis lassen sich so zahlreiche Bilder, zum Beispiel aus Luftaufnahmen, zu einem Modellverbund zusammenrechnen

Früher erfolgte die Auswertung zweier Luftbilder in Luftbildauswertegeräten, die die relative und absolute Orientierung durch physische Wiederherstellung der Strahlenbündel erreichte. Heute erfolgt die Auswertung in der Regel in Komparatoren, in denen Bildkoordinaten direkt gemessen werden. Die weiteren Arbeitsschritte sind dann Verfahrensgänge der numerischen Photogrammetrie, wobei Modellblock- und Bündelblockausgleichungsverfahren zum Einsatz kommen.

Weiteres dazu im Link:

https://de.wikipedia.org/wiki/Photogrammetrie