Bildverarbeitung

Neue Perspektive für die 3D-Flächenkartierung

Kamerasystem für die Vermessung der Erde

13.07.2021 -
Großflächige Luftaufnahmen der Erdoberfläche sind eine besondere Herausforderung. Entscheidend für die Qualität der Aufnahmen sind die Kamerasysteme, die in Flugzeuge integriert werden, die in festgelegten Bahnen über die Erdoberfläche fliegen. In der Ultracam Osprey 4.1 sind acht CMOS Sensoren verbaut, deren gewonnene Daten über ein besonderes Schnittstellenkonzept zusammengefasst werden. Durch dieses Schnittstellenkonzeptes wurde der Datentransfer im Vergleich zu früheren Konzepten um das Zehnfache erhöht. Dies ist das Resultat aus der Zusammenarbeit des Kameraherstellers Ximea und Vexcel Imaging.

Vexcel Imaging ist einer der führenden Anbieter von digitalen großformatigen Luftbildkameras. Die jüngste Ergänzung des Portfolios, die Großformat-Luftbildkamera Ultracam Osprey 4.1, erhöht die Effizienz der Bildsammlung während eines Überflugs bei hoher radiometrischer und geometrischer Qualität auf neue Ebenen.

Als äußerst vielseitiges System erfasst sie gleichzeitig hoch aufgelöste, photogrammetrische Nadirbilder (PAN, RGB und NIR) und zusätzlich Schrägluftbildaufnahmen (RGB) in vier Richtungen. Somit kann sie photogrammetrische Anwendungen und Stadtkartierungen mit einem Satz von Sensoren bedienen, die alle 0,7 Sekunden ein Bild (1,2 Gigapixel) erfassen. Dabei sorgte ein neuer CMOS-basierter Sensor für eine höhere Qualität. Um allerdings das volle Potenzial des Sensors nutzen zu können, musste das Unternehmen das Datenübertragungskonzept der Sensoren zum Computer komplett überarbeiten. Hier trugen Ximeas Expertise mit Hochge­schwindigkeitsschnittstellen in Verbindung mit kundenspezifischen Anpassungen dazu bei, den Datentransfer im Vergleich zu früheren Systemen um das Zehnfache zu er-
höhen.

„Mit der UltraCam Osprey 4.1 erhalten Anwender zwei Kameras in einem Gehäuse. Das System erfüllt Anwendungsanforderungen, die von der Stadtkartierung bis hin zu traditionellen Kartierungsanwendungen aus denselben Flugmissionen reichen“, sagte Alexander Wiechert, CEO von Vexcel Imaging. „Gleichzeitig haben wir den Nadir-Fußabdruck deutlich auf über 20.000 Pixel über den Flugstreifen vergrößert, um eine Effizienz der Flugsammlung zu erreichen, die normalerweise nur von großformatigen Kamerasystemen erreicht wird.“

Spezialobjektive verbreitern das Anwendungsspektrum

Die UCO 4.1 wird durch eine neue Generation von Spezialobjektiven erweitert, die mit kleineren Pixelabständen umgehen können und eine verbesserte Bildauflösung liefern. Um die beste Bildqualität zu erzielen, kam zudem ein neuer BSI (Backside illuminated) CMOS-Bildsensor zum Einsatz: der IMX411 von Sony mit 151 Mpix, der von Ximea mit einer PCIe-Schnittstelle integriert wurde.

Die beengten Platzverhältnisse des kompakten UCO 4.1-Systems erforderten allerdings einen individuellen Designansatz. Glücklicherweise hat sich Ximea genau auf diese Art von Aufgaben spezialisiert: kompakte und energieeffiziente Designs. Das Ximea-Team erkannte das Konzept der Multi-Sensor-Anordnung mit hoher Bandbreite und schlug den PCIe-Schnittstellenansatz vor, der durch die auf dem PCIe-Switch basierende Aggregationstechnologie erweitert wurde.
Einzelne PCIe-Datenströme von allen Sensoren werden in einem einzigen PCIe x8 Gen3-Datenstrom mit hoher Bandbreite (64 Gbit/s) zusammengefasst und nahtlos an den Speicher des Host-PCs geliefert, wobei DMA (Direct Memory Access Engine) mit geringem Overhead über ein einziges optisches oder Kupferkabel verwendet wird.
Darüber hinaus ermöglichte es die Flexibilität von PCIe, zusätzliche USB- und UART-Steuerschnittstellen vom gleichen PCIe x8 Gen3-Link unter Verwendung von PCIe-Host-Controller-Chips einzubinden. Diese Schnittstellen würden sonst eine separate direkte Verkabelung zum PC erfordern. Die robuste und modulare Struktur durch das effiziente Platzieren der Komponenten innerhalb der Ultracam Opsrey ermöglicht es zudem, die Lösung auch in künftigen Projekten einzusetzen beziehungsweise daran anzupassen.

Die Spezifikation der endgültigen Lösung vermittelt eine Vorstellung von ihrer vereinfachten Komplexität und ihrem Potenzial:

  • Nadir: 20,544 x 14,016 Pixel PAN-Bildgröße,
  • schräg: 14,144 x 10,560 Pixel Farbbildgröße,
  • 8 x CMOS-Bildsensoren,
  • adaptive Bewegungskompensation (AMC),
  • 1 Bild pro 0,7 sec,
  • 80 mm PAN-Linsensystem, 
  • 120 mm Farblinsensystem (RGB Bayer pattern).

Breites FOV für hochwertige Luftaufnahmen

Mit 20.544 Pixeln auf der gesamten Flugbahn hat die UCO 4.1 einen breiten Flugstreifen, was zu weniger Fluglinien und damit zu einer höheren Effizienz der Bildsammlung führt. Der Osprey ermöglicht es den Kunden zudem, die Betriebsanforderungen auf eine neue Ebene zu heben: Fliegen bei einem Sonnenwinkel von bis zu 35 bis 40° oder bei bedecktem Himmel. Die Vorteile der schnellen Bildfrequenz liegen in der einfachen Datenerfassung bei 2,5 cm GSD in schwierigen ATC-Bereichen mit 85 Prozent Vorwärtsüberlappung bei bis zu 126 Knoten.

Die Ultramount stabilisiert die Luftbild­kamera im Flugzeug dynamisch für verwacklungsfreie, konsistente und ausgerichtete Belichtungen. Neben all dem führt die neue Generation auch mehrere Design-Updates ein, um die allgemeine Benutzerfreundlichkeit zu erhöhen: Dazu gehören ein reduzierter Kamerakopf, der die Einsatzmöglichkeiten in noch kleineren Flugzeugen erweitert, ein optimiertes Sichtfeld und ein geripptes Zylinderdesign für die Präzisionsmontage, das eine einfache Installation ohne Kamera-Lifter ermöglicht. Zusätzlich haben die Anwender jetzt leichteren Zugang zur IMU und Ultranav. Ultranav, das Flugmanagementsystem, ermöglicht die Optimierung von Flugmissionen für eine hohe Produktivität. Eine weitere Besonderheit ist das beleuchtete Logo, das den Betriebsstatus der Kamera in Echtzeit in verschiedenen Farben anzeigt.

Software hält mit Hardware-Upgrade Schritt

Mit der Aufrüstung der Hardware-Komponenten wurde auch die Entwicklung der Software vorangetrieben. Denn das Scannen mit höheren Bildraten bei zunehmender Geschwindigkeit und Datenmenge sind erhebliche Herausforderungen, bei denen die Software ihre Qualitäten unter Beweis stellen kann. So werden dunkle und helle Beleuchtungsszenarien vom System aufgelöst, was besonders wichtig ist, wenn das Flugzeug über Städte mit glänzenden Dächern und Schatten auf dem Boden fliegen. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, dass das Ultracam-Modell, ähnlich wie die Vorgängermodelle, vollständig von Ultramap, einer All-in-One-Software für Luftbild-Photogrammetrie, unterstützt wird. Es bietet den Anwendern ein Werkzeug, mit dem sie Nadir- und Schrägbilder für die Aerotriangulation mit hochgenauen geometrischen Ergebnissen voll ausnutzen können.

Fünf Module für die automatisierte Bilderfassung

Fünf aufeinander folgende Module bilden den gesamten Ultramap-Arbeitsablauf: Essentials, AT, Dense Matcher, Ortho Pipeline und 3D. Diese verwalten die Datenverarbeitung vom Einlesen der RAW-Daten bis zur Lieferung von Punktwolken, digitalen Oberflächenmodellen, digitalen Geländemodellen, Orthophotos und 3D-texturierten TINs. Die Methode der adaptiven Bewegungskompensation (Adaptive Motion Compensation, AMC) korrigiert multidirektionale bewegungsinduzierte Bildunschärfe und Schwankungen der Bodenabtastungsdistanz. Insgesamt bietet Ultramap einen ständig aktualisierten Funktionsumfang, der große Datenmengen schnell und möglichst automatisiert verarbeitet.

Autor
Henning von der Forst
Marketing Manager

Kontakt

Ximea GmbH

Am Mittelhafen 16
48155 Münster
Deutschland

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