Systematische Bündelausgleichung großer photogrammetrischer Blöcke einer Zeilenkamera am Beispiel der HRSC-Daten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur photogrammetrischen Auswertung der Aufnahmen einer Zeilenkamera beschrieben. Es wurde zur systematischen Bündelausgleichung großer Blöcke, bestehend aus den Bildstreifen der High Resolution Stereo Camera (HRSC), entwickelt. Die HRSC umkreist bereits seit Ende 2003 den Planeten Mars. Sie ist an Bord der europäischen Weltraummission Mars Express. Die Kamera wurde unter Berücksichtigung von photogrammetrischen Aspekten entwickelt und liefert stereoskopische Aufnahmen, aus denen sich dreidimensionale Daten ableiten lassen. Die spektralen Kanäle dieser Zeilenkamera zeichnen zusätzlich Farbinformation auf. Da sich benachbarte Streifen überlappen, ist es möglich, photogrammetrische Blöcke zu bilden und großflächige Mosaike zu erstellen. Diese bilden eine einzigartige Grundlage für die Kartierung der Marsoberfläche mit hoher geometrischer Auflösung und Konsistenz. Für eine präzise Passgenauigkeit der Streifen ist es notwendig, die Orientierungsdaten, welche Position und Ausrichtung der Kamera zum Zeitpunkt der Aufnahme beschreiben, in einer Bündelausgleichung zu rekonstruieren. Die dafür notwendigen Methoden werden in dieser Arbeit in vier Abschnitten beschrieben und entsprechend in der Umsetzung in vier Module eingeteilt. Es handelt sich dabei um: 1) die Vorverarbeitung der Bilddaten, 2) die Bestimmung von Verknüpfungspunkten durch Bildzuordnung, 3) die Bündelausgleichung mit einem Geländemodell als Passinformation sowie 4) die Evaluierung der Orientierungsdaten. Um auch große Blöcke automatisch und systematisch verarbeiten zu können, wird das vorgestellte Verfahren in zwei Stufen unterteilt: In der ersten Stufe wird die äußere Orientierung jedes Streifens zunächst einzeln bestimmt. Um dabei auch hochfrequente Schwingungen, denen die Kamera zum Zeitpunkt der Aufnahmen mitunter ausgesetzt ist, modellieren zu können, wird für die Bündelausgleichung das Konzept der Orientierungspunkte erweitert: Indem sich die Distanz zwischen den Orientierungspunkten an die örtliche, von der vorliegenden Bildinformation abhängige Verknüpfungspunktanzahl anpasst, lässt sich die äußere Orientierung für eine deutlich größere Anzahl von Streifen rekonstruieren, als es bislang möglich war. In der zweiten Stufe werden die Orientierungsdaten aller Streifen eines Blocks in einer gemeinsamen Bündelausgleichung optimiert. Um die dafür notwendigen Verknüpfungspunkte zu bestimmen, wird der Block in Teilblöcke unterteilt. Dazu werden zwei neue Varianten vorgestellt und untersucht. Aufgrund der Heterogenität der Streifen und deren Anordnung sind die resultierenden Verknüpfungspunkte ungleichmäßig im Block verteilt und werden durch einen neu entwickelten Verknüpfungspunktfilter optimiert. Der gesamte Ablauf der Bündelausgleichung ist in beiden Stufen so konzipiert, dass sich große Datenmengen automatisch verarbeiten lassen. Einige dafür notwendige Stellgrößen werden im experimentellen Teil dieser Arbeit empirisch bestimmt. Dabei werden auch rechentechnische Aspekte berücksichtigt. Für die Experimente stehen 4418 HRSC-Streifen zu Verfügung. Die Orientierungsdaten nach der Bündelausgleichung werden jeweils mit den nominellen Daten verglichen. So wird zunächst der Einfluss des neuen Ansatzes mit variabler Orientierungspunktdistanz systematisch untersucht. Anschließend wird gezeigt, dass sich die Genauigkeit der Daten bei 96,2 % der Streifen durch die Bündelausgleichung steigert.

Zur Validierung der zweiten Stufe des Verfahrens werden zunächst einzelne Blöcke unterschiedlicher Größe exemplarisch betrachtet. Daraufhin wird die Übertragbarkeit des Verfahrens auf andere Daten anhand von insgesamt 32 regionalen Blöcken bestätigt. Die jeweils resultierenden Orientierungsdaten werden ebenfalls systematisch evaluiert. Es wird dabei aufgezeigt, dass sich die Passgenauigkeit der Streifen für alle Blöcke deutlich steigert: Abweichungen, gemessen als Raumstrecke zwischen Objektpunkten in benachbarten Streifen, reduzieren sich im Durchschnitt von 142,9 m auf 55,3 m.