Wie entstehen Orthofotos und 3D-Modelle per Photogrammetrie? Überlappung, Bodenauflösung und Passpunkte
Ein Foto ist keine Messung; viele Fotos, die denselben Punkt sehen, können eine werden.
Das Wichtigste fürs Feld
- Photogrammetrie berechnet Positionen aus Fotos, die denselben Punkt aus verschiedenen Blickwinkeln sehen; deshalb ist Überlappung unverzichtbar.
- Die Bodenauflösung (GSD) ist die Größe eines Pixels am Boden; sie ist keine Genauigkeit, nur ein Hinweis auf deren Untergrenze.
- Passpunkte binden das Modell an Koordinaten; Kontrollpunkte zeigen, wie gut es hält.
- Ein Orthofoto wird mit einem Geländemodell entzerrt, ein True Orthophoto mit einem Oberflächenmodell; Gebäude zeigen den Unterschied.
- Wasser, Schnee, ebene Felder und Boden unter Laub lassen sich schwer zuordnen; geplant wird vor dem Flug.
Vom Foto zur Koordinate: so funktioniert es
Photogrammetrie-Software sucht zuerst dasselbe Detail (einen Stein, die Ecke einer Linie) in mehreren Fotos und ordnet es einander zu. Sehen mindestens zwei, besser mehr Fotos denselben Punkt, lassen sich Aufnahmeorte und Blickrichtungen der Kamera zusammen mit der dreidimensionalen Lage des Punkts berechnen. Dieser Schritt heißt Bündelblockausgleichung; Brennweite und Objektivverzeichnung der Kamera werden meist in derselben Rechnung mitgeschätzt. Die dichte Bildzuordnung erzeugt anschließend eine Punktwolke aus Millionen Punkten und daraus ein Oberflächenmodell, ein Orthofoto und ein texturiertes 3D-Modell. Jedes Glied der Kette baut auf dem vorherigen auf: Ist die Zuordnung schwach, wird keines der späteren Produkte gut.
Bodenauflösung: Wie viele Zentimeter misst ein Pixel?
Die Bodenauflösung (GSD, englisch ground sample distance; türkisch YÖA) ist die Größe eines Pixels am Boden. Für ein Senkrechtbild gilt näherungsweise: GSD = Sensorbreite × Flughöhe ÷ (Brennweite × Bildbreite). Mit einem 13,2 mm breiten Sensor, 8,8 mm Brennweite und einer Bildbreite von 5472 Pixeln hat ein aus 100 m aufgenommenes Foto zum Beispiel eine GSD von etwa 2,7 cm; bei 50 m halbiert sie sich. In der Türkiye legt die Verordnung über die Herstellung großmaßstäbiger Karten und Karteninformationen eine Obergrenze für die GSD von Luftbildern fest: 10 cm für Karten und Orthofotos im Maßstab 1:1000 und 5 cm für 1:500. Eine kleinere GSD zeigt mehr Details, ist für sich genommen aber keine Genauigkeit.
Überlappung: Wie viele Fotos sollten jeden Punkt sehen?
Die Längsüberlappung ist die gemeinsame Fläche zweier aufeinanderfolgender Fotos auf demselben Flugstreifen, die Querüberlappung die gemeinsame Fläche zweier benachbarter Streifen. Dieselbe Verordnung verlangt, Luftbildflüge mit Messkameras mit mindestens 70 % Längs- und 30 % Querüberlappung zu planen, und schreibt für True Orthophotos 80 % Längs- und 60 % Querüberlappung vor. Bei Drohnenbefliegungen sind die Kameras kleiner und die Flüge niedriger, deshalb planen die meisten Projekte mit höheren Werten; über Wald sowie ebenen, gleichförmigen Flächen rettet eine höhere Überlappung die Bildzuordnung. Wer am Ende jedes Streifens etwas über das Gebiet hinausfliegt, sorgt dafür, dass auch die Ränder von genügend Fotos gesehen werden.
Passpunkte und Kontrollpunkte
Passpunkte (GCPs) sind Zielmarken, deren Koordinaten im Feld mit GNSS oder Tachymeter gemessen werden und die sich in den Fotos erkennen lassen; sie binden das Modell an das richtige Koordinatensystem. Sie werden auf die Ecken und Ränder des Blocks und in sein Inneres verteilt; Punkte, die auf einer einzigen Linie liegen, lassen das Modell um diese Achse drehbar. Kontrollpunkte gehen nicht in die Ausgleichung ein und prüfen nur das Ergebnis. Die Verordnung verlangt, dass der mittlere quadratische Fehler an den Kontrollpunkten nach der Blockausgleichung in der Lage 0,75 × GSD und in der Höhe 1 × GSD nicht überschreitet. Bei 5 cm GSD heißt das in der Lage höchstens etwa 3,75 cm, aber nur, wenn das Kriterium tatsächlich erfüllt ist. Auch mit RTK oder PPK an Bord braucht es weiterhin unabhängige Kontrollpunkte.
Orthofoto, True Orthophoto und 3D-Modell
Ein Orthofoto beseitigt die Versätze durch das Gelände, die Objektivverzeichnung und die Kameraneigung, sodass sich das Foto wie eine Karte ausmessen lässt. Weil dies mit einem Geländemodell (dem nackten Boden) geschieht, wirken hohe Gebäude und Brücken gekippt, und Dachkanten liegen neben ihrer wahren Position am Boden. Ein True Orthophoto nutzt stattdessen ein Oberflächenmodell und zeigt Objekte in ihrer wahren Lage; deshalb braucht es mehr Überlappung. Ein texturiertes 3D-Modell ist das Oberflächenmodell mit darübergelegten Fotos: ideal, um Fassaden, Böschungen und Haufwerke visuell zu prüfen, für Messungen stützt es sich aber weiterhin auf die Passpunkte.
Vor dem Flug: Licht, Oberflächen und Aufzeichnungen
Am meisten verdirbt die Bildzuordnung das Foto selbst. Die Verordnung verlangt für Luftbildaufnahmen einen Sonnenstand von mehr als 30 Grad über dem Horizont; lange Schatten und Spiegelungen bereiten Probleme. Auf Flächen ohne Textur wie Wasser, Schnee, frisch gepflügten ebenen Feldern und gleichförmigen Dächern findet die Software nichts zum Zuordnen. Achten Sie auf die Verschlusszeit, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden. In der Türkiye unterliegen Drohnenflüge den Registrierungs- und Genehmigungsregeln der Generaldirektion für Zivilluftfahrt (SHGM). Bewahren Sie die Fotos, die Passpunktliste sowie das Koordinatensystem und die Höhenart (ellipsoidisch oder orthometrisch), in der die Punkte gemessen wurden, zusammen auf; werden Höhenarten vermischt, kann sich das Modell um Dutzende Meter nach oben oder unten verschieben.
Aus Fotos Orthofotos und 3D-Modelle machen.
MapLab Survey 3D erzeugt aus Fotos Punktwolken, Orthofotos und texturierte 3D-Modelle; es öffnet LAS- und LAZ-Punktwolken und erzeugt Geländeoberfläche, Auf- und Abtragsvolumen sowie Höhenlinien als DXF. Windows, auf Anfrage.
Häufige Fragen
Ist die Bodenauflösung dasselbe wie die Genauigkeit?
Nein. Die GSD ist die Größe eines Pixels am Boden. Die Genauigkeit hängt von Passpunkten, Überlappung, Kamerakalibrierung und Auswertung ab und wird mit Kontrollpunkten gemessen.
Wie viele Passpunkte braucht man?
Eine feste Zahl gibt es nicht; sie hängt von Größe und Form des Gebiets und vom Flugverfahren ab. Ecken, Ränder und Inneres sollten abgedeckt sein, und Kontrollpunkte, die nicht in die Ausgleichung eingehen, sollten zurückgehalten werden. Bei öffentlichen Aufträgen gilt die technische Spezifikation des Auftraggebers.
Braucht man noch Passpunkte, wenn die Drohne RTK hat?
Es werden womöglich weniger Passpunkte benötigt, aber unabhängige Kontrollpunkte sind weiterhin nötig, um das Ergebnis zu prüfen.
Was leistet MapLab Survey 3D in der Photogrammetrie?
Es erzeugt aus Fotos Punktwolken, Orthofotos und texturierte 3D-Modelle; außerdem öffnet es LAS- und LAZ-Punktwolken und erzeugt Geländeoberfläche, Auf- und Abtragsvolumen sowie Höhenlinien als DXF. Es läuft unter Windows und ist auf Anfrage erhältlich.
Technische Quellen
Die Feldempfehlungen in diesem Artikel stützen sich auf die unten genannten technischen Standards und offiziellen Quellen.
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