Dipl. -Ing. Nikolaos Tsoukalas: Vollautomatische Näherungswertbestimmung zur Bündelblockausgleichung
in der Nahbereichsphotogrammetrie

Betreuer:Dipl.-Inform. Claus Brenner (ifp), Dr. Dipl. -Ing. Dieter Ströbel (Technet GmbH), Dipl. -Ing. Heinrich Schewe (Technet GmbH)
Ó2000 By Dipl.-Ing. Nikolaos Tsoukalas


Problemstellung und Zielsetzung dieser Arbeit
Zusammenfassung

Problemstellung und Zielsetzung dieser Arbeit

Die Photogrammetrie ist ein Verfahren zur dreidimensionalen Vermessung von Objekten mit Hilfe 
von Bildern. Die Ingenieurphotogrammetrie beschäftigt sich insbesondere mit Anwendungen aus 
dem Nahbereich. Dabei handelt es sich um Objekte, die in der Regel vom Erdboden aus 
aufgenommen werden, im Gegensatz zur Luftbildphotogrammetrie bei der die Objekte aus der 
Luft von Flugzeugen, Satelliten oder ähnlichen Plattformen aufgenommen werden. Ein weiterer 
Unterschied ist, dass bei der Luftbildphotogrammetrie Messkammern zum Einsatz kommen. Bei 
der Nahbereichsphotogrammetrie werden auch kostengünstigere und flexibler anwendbare 
Teilmesskammern oder sogar nur handelsübliche Fotoapparate eingesetzt. Ein wesentliches 
Merkmal der terrestrischen Photogrammetrie ist eine frei wählbare, d.h. den Erfordernissen einer 
günstigen Strahlenschnittgeometrie genügende räumliche Aufnahmeanordnung. Dies bedeutet, 
dass der auszuwertende Bildverband aus Bildern mit mehr oder weniger stark konvergenten
Aufnahmeachsen bis hin zu Rundumaufnahmen bestehen kann. Den Möglichkeiten der 
Nahbereichsphotogrammetrie gut angepasst ist die Methode der Bündelblockausgleichung, da
dort direkte Beziehungen zwischen Bild- und Objektraum hergestellt werden. 

Die Bündelblockausgleichung ist das genaueste Verfahren (direkter Zusammenhang 
zwischen Bild- und Objektkoordinaten ohne Zwischenschritt einer Modellbildung ) 
der photogrammetrischen Punktbestimmung. In einem simultanen Ausgleichungsprozess gelingt die räumliche Orientierung (relative und absolute) aller Bilder. Bei geeigneter Parametrisierung der notwendigen Drehmatrix existiert auch keine Einschränkung bezüglich der Wahl der Aufnahmerichtung. Erweitert man noch die Bündelmethode um die Parameter der inneren Orientierung und um einen Verzeichnungs- und Filmdeformationsansatz, entfällt zudem die in der Aerotriangulation notwendige Beschränkung auf Messkammern als Aufnahmegeräte. Ziel der Bündelblockausgleichung ist die rechnerische Bestimmung der äußeren Orientierung der Bilder und der Koordinaten der unbekannten Objektpunkte. Das größte Problem in der Nahbereichsphotogrammetrie ist die Beschaffung der Näherungswerte für die Ausgleichung, da die Auflösung der nichtlinearen Gleichungen bezüglich der Unbekannten ein nichtlineares Problem darstellt.

Die Motivation dieser Arbeit ist ein System zu untersuchen und zu beschreiben, das 
Ergebnisse liefert ohne vorab Näherungswerte haben zu müssen. Die Daten, die das 
System nach der Bündelblockausgleichung liefert, sollen ohne weitere Bearbeitung durch 
den Benutzer gleich weiterverarbeitet werden können. 
Das bisher existierende System PICTRAN der Firma Technet benötigt zur Berechnung 
Näherungskoordinaten. Es ist auch empfindlich gegen inkonsistente oder unplausible 
Datensätze. Aus diesem Grund ist der Bearbeiter oft gezwungen einzugreifen und 
interaktiv fehlerhafte Größen, wie beispielsweise falsche Einheiten zu korrigieren 
der fehlerhafte Passpunkte zu eliminieren. Es lag demzufolge nahe, ein System zu 
schaffen, das Fehlmessungen und Inkonsistenzen in den Datensätzen weitgehend 
automatisch erkennen und eliminieren kann. In der vorliegenden Arbeit soll das neue 
System vorgestellt werden und dabei die Frage untersucht werden, unter welchen 
Bedingungen ein möglichst autonomes und automatisches Berechnen erfolgen kann. 

Im theoretischen Teil dieser Arbeit werden die in dieser Arbeit verwendeten Begriffe und mathematische Beziehungen dargestellt. Es folgen die mathematischen Bezugssysteme, eine kurze Einführung der Ausgleichungsansätze, sowie der räumliche Rückwärtsschnitt und die Problematik seiner Mehrdeutigkeit. Weiterhin wird das bisherige und neue Verfahren kurz dargestellt. Es folgt ein Abriss der jeweiligen Berechnungsstrategien, wobei detaillierter in das Vorgehen des Modellblockverfahrens eingegangen wird. Die Realisierung der Lösungsstrategie, wie sie im Programmsystem PICTRAN B Anwendung findet wird beschrieben, insbesondere wird auf die voraussetzungslose relative Orientierung und auf den räumlichen Rückwärtsschnitt eingegangen.

Desweiteren wird das System PICTRAN B und seine Komponenten vorgestellt. Anschließend folgt  die Beschreibung eines aus der Praxis entlehnten Anwendungsbeispiels aus der Automobilindustrie, welches das Vorgehen des Systems verdeutlichen soll. Schließlich wird anhand eines künstlich erschaffenen Torus, der ein Lenkrad symbolisieren soll, die Möglichkeiten des Systems bei der Berechnung der Koordinaten dargestellt.

Um die Möglichkeiten des untersuchten Systems konkret aufzuzeigen wurden zwei Berechnungsbeispiele dargestellt. Ein maßstabgetreues Modell einer Fahrzeugseite wurde fotografiert und mittels PICTRAN B  ausgewertet. Ein weiteres Kapitel beschreibt, wie ein synthetischer Datensatz, in Form eines Torus, der idealisiert und beliebig verfälscht werden kann, ausgewertet wird.

In der Schlussbetrachtung werden die Ergebnisse dieser Arbeit zusammengefasst und beurteilt. 
 

Zusammenfassung

Ein Ziel der Nahbereichsphotogrammetrie ist ein Verfahren für die vollautomatische Bildauswertung zu bieten. In der industriellen Photogrammetrie beispielsweise, werden einfache, 
schnelle und anwenderfreundliche Möglichkeiten gesucht, um bestimmte Fahrzeugteile zu vermessen. Hierbei braucht der Operateur keine Punkte mehr anzumessen, sondern das System soll über digitale Mustererkennungsverfahren autonom Punkte erkennen und sich selbständig Näherungskoordinaten für die Bündelblockausgleichung beschaffen. 

Im Hinblick auf eine zukünftige vollautomatische Auswertungsmethode in der Nahbereichsphotogrammetrie, war ein wichtiger Punkt dieser Untersuchung, das System
PICTRAN B auf seine Verlässlichkeit, seinen Stärken und Schwächen hin zu untersuchen.

In dieser Arbeit konnte die konsistente Vorgehensweise des Systems PICTRAN B ,bei der Analyse der getesteten Fälle, bestätigt werden. Bei einer ausreichend hohen Zahl von Verknüpfungspunkten konvergiert das in diesem System benutzte Verfahren im allgemeinen immer. Vom System werden für die Bündelblockausgleichung, ohne vorherige Näherungswerte, sehr gute Startwerte zur Verfügung gestellt. 
Die untersuchten Fälle deuten darauf hin, dass das Programm stabil läuft, zuverlässig Fehler erkennt, diese ausschreibt und je nach Systemeinstellungen, auch eliminiert. 

Die Aufarbeitung der Dateien und die konsequente Bereitstellung der Daten für die einzelnen Berechnungsmodule ist in PICTRAN B automatisiert. 

Als weitere wichtige Neuerung kam die programmtechnische Unterscheidung in Bild- und Objektraum hinzu. Dadurch ist es möglich, die Fehlereinflüsse besser zu trennen und keine Zwänge auf die Bildmessungen durch die Objektinformationen auszuüben. 

Es muss jedoch der Vollständigkeit zuliebe betont werden, dass der Programmanwender die Resultate nicht ohne weitere Prüfung akzeptieren darf. Die Untersuchungen ergaben auch, dass trotz verbliebener großer, grober Fehler in bestimmten Messanordnungen, das Programmsystem konvergieren kann. Es darf nicht der Eindruck entstehen, dass jede Konvergenz des Programms ein plausibles Endergebnis liefert. Wichtige Faktoren für die Beurteilung der jeweiligen Ergebnisse sind u.a.: Der mittlere Fehler und die Standardabweichung nach der Ausgleichung. Diese Größen müssen immer kritisch mitbetrachtet werden. 

Haben Sie noch Fragen? Wollen Sie weitere Anregungen zu diesem Thema machen oder einfach nur fachbezogene Kommentare loswerden? Dann zögern Sie nicht sich an den Autor: Nikolaos Tsoukalas zu wenden.