Analyse zweier Kameras für die UAS-Luftbilderfassung

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit zwei Kamerasystemen, welche in der photogrammetrischen Luftbilderfassung mithilfe von unbemannten Fluggeräten (sog. UAVs -- unmanned aerial vehicles) zum Einsatz kommen. Der Schwerpunkt liegt dabei auf einer vergleichenden Analyse der Bildqualität beider Kameras. Die Luftbilderfassung mit unbemannten Fluggeräten stellt eine kostengünstige Alternative zur bemannten Luftbildphotogrammetrie dar und gewinnt insbesondere bei der Erfassung kleinräumiger Gebiete zunehmend an Bedeutung. Das Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg führte daher 2012 in Zusammenarbeit mit dem Institut für Flugmechanik und Flugregelung (iFR) und dem Institut für Photogrammetrie (ifp) der Universität Stuttgart im Rahmen des Pilotprojekts "UAV@LGL" zwei Befliegungen an den Felsengärten bei Hessigheim mit zwei unterschiedlichen UAV-Trägersystemen und Kameras durch, wobei das Potential der Datenerfassung mittels UAS (unmanned aerial system) am praktischen Beispiel analysiert werden sollte. Die im ersten Flug eingesetzte digitale Kompaktkamera "Canon IXUS 100 IS" wurde im Rahmen dieser Arbeit zunächst unter anderem durch eine Hardware-Modifikation zur Vermeidung von Bewegungsunschärfen optimiert. Nach einer Markterhebung unter Berücksichtigung photogrammetrischer Anforderungen sollte ein alternatives Kamerasystem empfohlen werden. Diese digitale Systemkamera "Ricoh GXR Mount A12" wurde in Kombination mit einem Zeiss-Objektiv beim zweiten Flug eingesetzt. Zuvor galt es, die Kamera in das UAV-Trägersystem zu integrieren, sodass sich die Kamera über den Bordrechner des Fluggeräts auslösen lässt. In mehreren Testreihen wurde dabei auch die Auslöseverzögerung und Bildfolgezeit der Kamera ermittelt. Als Testmuster zur Analyse des geometrischen Auflösungsvermögens der Kameras dienten bei den Befliegungen am Boden ausgelegte Siemenssterne. Diese, aber auch weitere Bilddaten aus terrestrischen Untersuchungen mit Siemenssternen auf dem Campus der Universität Stuttgart, werden in einem MATLAB-Programm ausgewertet, welches bereits am ifp zur Verfügung stand, jedoch insbesondere zum Zweck der Analyse mehrerer Siemenssterne in einem Bild erweitert und um Ausgabegrafiken ergänzt wurde. Auch weitere Tests hinsichtlich der radiometrischen Bildqualität (chromatische Aberration, Vignettierung, Farbtreue, Bildrauschen, Dynamikumfang), welche teilweise im Testlabor der Firma "Image Engineering" in Köln/Frechen stattfanden, sind Gegenstand dieser Arbeit. Darüberhinaus wurden in photogrammetrischen Kamerakalibrierungen weitere Qualitätsaskpekte wie Punkt- und Längenmessgenauigkeit sowie die radialsymmetrische und tangentiale Verzeichnung evaluiert. Neben der detaillierten Gegenüberstellung der Ergebnisse dieser Untersuchungen erfolgt zur abschließenden Einschätzung der Bildqualität der beiden Kameras auch ein Vergleich zu professionellen Luftbildkameras, unter anderem zur digitalen Mittelformatkamera "DigiCAM" der Ingenieurgesellschaft für Interfaces mbH, welche hierzu ebenfalls einigen empirischen Untersuchungen unterzogen wurde. Die vorliegenden Resultate sprechen für eine insgesamt deutlich bessere Bildqualität des Ricoh/Zeiss-Kamerasystems gegenüber der Canon-Kompaktkamera. Bei einigen Bildqualitätsmerkmalen kann sich diese vergleichsweise günstige Systemkamera sogar mit der untersuchten professionellen "DigiCAM" messen.