Photogrammetrie oder Fotogrammetrie, auch Bildmessung genannt, ist eine Gruppe von berührungslosen Messmethoden und Auswerteverfahren, um aus Fotografien eines Objektes durch Bildmessung seine Lage und Form indirekt zu bestimmen sowie durch Bildinterpretation dessen Inhalt zu beschreiben. Neben Fotografien kommen aber auch andere Sensoren zum Einsatz wie Radar mit synthetischer Apertur (SAR) und Laserscanner. Im Gegensatz zu anderen Fachgebieten wie Fernerkundung, Kartografie oder Computer Vision, die ebenfalls mit berührungslosen Sensoren arbeiten, steht bei der Photogrammetrie die exakte dreidimensionale geometrische Rekonstruktion des aufgenommenen Objekts im Vordergrund. Im Regelfall werden dafür die Bilder mit speziellen Messkameras aufgenommen. Das Ergebnis wird meist als digitales Modell (Digitales Geländemodell) und in Form von Bildern, Plänen und Karten dargestellt.
Geschichte Die Theorie der Photogrammetrie wurde Mitte des 19. Jahrhunderts in Frankreich und Preußen parallel zur aufkommenden Fotografie entwickelt. Der französische Offizier Aimé Laussedat veröffentlichte 1851 seine Schrift Métrophotographie, der deutsche Architekt Albrecht Meydenbauer publizierte 1858 sein photogrammetrisches Verfahren zur Gebäudevermessung. Er gab der Photogrammetrie ihren Namen und gründete 1885 die erste photogrammetrisch arbeitende Behörde der Welt, die Königlich Preussische Messbild-Anstalt. Auch Édouard Gaston Deville und Paul Gast waren einige der Pioniere dieser Methode. 1907 erfand Eduard von Orel den Stereoautografen, der ab 1909 von der Firma Carl Zeiss kommerziell hergestellt wurde. Mit diesem Gerät konnten erstmals die Höhenschichtlinien automatisch durch optisches Abtasten der Fotos (Stereo-Bildpaare) gezeichnet werden.
1930 stellte Gast die Bündelblockausgleichung in seinem Werk Vorlesung über Photogrammetrie vor, die auf der von Carl Friedrich Gauß erdachten Ausgleichsrechnung basiert. Sie wird seit den 1960er Jahren in großem Stil auf Computern eingesetzt. Als am Ende der 1980er Jahre großformatige Fotoscanner für Luftbilder bzw. Videokameras und Digitalkameras für Nahbereichsaufnahmen verfügbar waren, wurden die analogen Methoden der Photogrammetrie in den meisten Anwendungen durch digitale Auswerteverfahren ersetzt. Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts vollzog sich der letzte Schritt zur Volldigitalisierung, indem auch in der Luftbildphotogrammetrie die herkömmlichen filmbasierten Kameras zunehmend von digitalen Sensoren abgelöst wurden.
In den letzten Jahren hat die Bedeutung der Luftbildphotogrammetrie auch für eher kleinräumige Anwendungen zugenommen, da leistungsfähige Kameradrohnen immer erschwinglicher werden und durch ihre kompakten Abmessungen und Steuerungsmöglichkeiten auch sinnvoll in Flughöhen und an Orten eingesetzt werden können, wo der Einsatz manntragender Fluggeräte nicht möglich oder nicht praktikabel ist.
Ursprung des Begriffs mini|Eine Aufnahme des Wetzlarer Doms um das Jahr 1900 von Albrecht Meydenbauer. Auf der Aufnahme hat er mit einem Pfeil und der Beschriftung „September ’58“ die Stelle markiert, an der er 1858 verunglückte. Der Unfall motivierte ihn zur Entwicklung der Photogrammetrie. Auf der Rückseite des Fotos steht „Wetzlar 1858 – Die Gefahr des Absturzes mit (Pfeil) bezeichnet. Veranlassung zur Erfindung der Meßbildkunst.“
Albrecht Meydenbauer bezeichnete das Verfahren zunächst 1867 als „Photometrographie“.Albrecht Meydenbauer: Die Photometrographie. In: Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin. Jg. 1, 1867, Nr. 14, S. 125–126 (Digitalisat); Nr. 15, S. 139–140 (Digitalisat); Nr. 16, S. 149–150 (Digitalisat). Der Name „Photogrammetrie“ wurde erstmals am 6. Dezember 1867 als Titel des anonym veröffentlichten Beitrages Die Photogrammetrie im Wochenblatt des Architektenvereins zu Berlin (später Deutsche Bauzeitung) verwendet. Die Redaktion des Wochenblatts bemerkt hierzu: „Der Name Photogrammetrie ist entschieden besser gewählt als Photometrographie, obgleich auch noch nicht ganz bezeichnend und zufriedenstellend.“ Da Wilhelm Jordan für sich in Anspruch nahm, den Namen Photogrammetrie 1876 eingeführt zu haben,Zeitschrift für Vermessungswesen. Band 26, 1892, S. 220 (Digitalisat) unter Bezug auf seinen Aufsatz Über die Verwertung der Photographie zu geometrischen Aufnahmen (Photogrammetrie). In: Zeitschrift für Vermessungswesen. Band 5, 1876, S. 1–17 (Digitalisat). teilte die Redaktion der Deutschen Bauzeitung am 22. Juni 1892 unter Vermischtes mit, dass der 1867 veröffentlichte Beitrag von Albrecht Meydenbauer stammte.Deutsche Bauzeitung. 26. Jg., Nr. 50, 1892, S. 300 (Digitalisat). Siehe Albrecht Grimm: Der Ursprung des Wortes Photogrammetrie. In: Internationales Archiv für Photogrammetrie. Bd. 23, 1980, S. 323–330; Albrecht Grimm: The Origin of the Term Photogrammetry. In: Dieter Fritsch (Hrsg.): Proceedings of 51st photogrammetric week. Berlin 2007, S. 53–60 (Digitalisat).
Überblick Aufgaben Aufgaben und Methoden des Faches – das meist an Technischen Universitäten im Rahmen der Geodäsie gelehrt wird – sind nach Meyers Lexikon wie folgt:
Dazu kommen heute unter anderem die Herstellung von Landkarten, von digitalen GIS-Landschaftsmodellen und Spezialaufgaben wie etwa die Architekturphotogrammetrie und Unfallphotogrammetrie sowie in medizinischen Anwendungen (z. B. Virtopsy).
Einteilungen Die Photogrammetrie lässt sich auf unterschiedliche Art und Weise einteilen. Nach Aufnahmeort und Entfernung unterscheidet man zwischen Luftbild- und Satellitenphotogrammetrie, terrestrischer Photogrammetrie und Nahbereichsphotogrammetrie. Die terrestrische Photogrammetrie (Erdbildmessung), bei der die Messbilder von erdfesten Standpunkten aus aufgenommen werden (Fototheodolit), wird im geodätischen Bereich zum Beispiel bei topografischen Aufnahmen im Hochgebirge und bei Ingenieurvermessungen genutzt. Dabei sind die Aufnahmeentfernungen in der Regel kleiner als 300 m und werden dann als Nahbereichsphotogrammetrie bezeichnet. Bei der Aerophotogrammetrie (Luftbildmessung) werden die Messbilder vorwiegend zur Herstellung topografischer Karten, für Katastermessungen und zur Gewinnung eines Höhenmodells mit einer Messkamera vom Flugzeug (oder Satellit) aus aufgenommen (→Luftbildfotografie). Bei der Verwendung von Radar anstatt Licht spricht man auch von Radargrammetrie. mini|Video eines 3d Models der Büste von Horatio Nelson im Monmouth Museum, Wales. Rekonstruiert durch Photogrammetrie.
Nach der Anzahl der verwendeten Bilder werden die Verfahren der Einbild-, Zweibildphotogrammetrie (Stereophotogrammetrie) und Mehrbildmessung unterschieden. Die Messbilder werden in Einzelbildauswertegeräten entzerrt oder an stereoskopischen Doppelbild-Auswertegeräten in drei Dimensionen ausgemessen.
Nach Aufnahme- und Auswertemethode unterscheidet man Messtischphotogrammetrie grafisch-zeichnerische Auswertung (bis ca. 1930), Analogphotogrammetrie zur Auswertung analoger Bilder mittels optisch-mechanischer Geräte (bis ca. 1980), analytische Photogrammetrie zur rechnergestützten Auswertung analoger Bilder (bis ca. 2000) und die digitale Photogrammetrie zur Auswertung digitaler Bilder am PC (seit ca. 1985).
Je nach Anwendungsgebiet unterteilt man in Architekturphotogrammetrie zur Vermessung von Architektur und Kunstwerken, Ingenieurphotogrammetrie für allgemeine ingenieurtechnische Anwendungen. Darüber hinaus gibt es auch nicht-geodätischen Anwendungen wie zur Unfall- und Tatortvermessung, biomedizinische Anwendungen, die Land- und Forstwirtschaft, die Röntgenologie sowie Ingenieurbau und technisches Versuchswesen.K.Kraus 2004, F.K. List 1998.
Prinzipielle Methoden mini|Zentralprojektion als Abbildungsmodell der Lochkamera. Ein Objekt wird durch das Loch auf dem Kopf stehend und seitenverkehrt abgebildet. Der photogrammetrische Prozess beginnt mit der Aufnahme eines Objekts. Dabei wird ein Objekt entweder mit einem passiven Sensor (wie eine Kamera) aufgenommen oder einem aktiven Sensor (Laserscanner) gescannt. In jedem Fall entsteht die Aufnahme durch einen komplexen physikalischen Prozess. Im Fall eines passiven Sensors wird in der Regel das Sonnenlicht von der Erdoberfläche reflektiert und teilweise absorbiert, durchläuft dabei die Atmosphäre, bis es durch das Objektiv einer Kamera auf den lichtempfindlichen Sensor trifft. Die Bildaufnahme unterliegt also einer Vielzahl an Einflüssen, angefangen bei der elektro-magnetischen Strahlung als Überträger der Information, der Wechselwirkung mit dem Oberflächenmaterial, den atmosphärischen Bedingungen und schließlich dem Objektiv und dem Sensor der Kamera. Dabei kommt es insbesondere zu geometrischen und radiometrischen (farblichen) Veränderungen der Bildaufnahme. Es sind daher Methoden notwendig, welche diese physikalischen Gegebenheiten angemessen berücksichtigen.
Bei der photogrammetrischen Auswertung von Bildern muss die Abbildungsgeometrie zum Zeitpunkt der Aufnahme wiederhergestellt werden. Diese Wiederherstellung erfolgt nach den Gesetzen der Zentralprojektion unter Einhaltung der Komplanaritätsbedingung. Dabei legt jedes Bild für einen abgebildeten Punkt zusammen mit dem Projektionszentrum der jeweiligen Kamera eine Richtung zum Objektpunkt fest. Kennt man die Lage (Position und Ausrichtung) der Kamera (äußere Orientierung) sowie die Abbildungsgeometrie innerhalb der Kamera (innere Orientierung) dann kann jeder Strahl im Raum beschrieben werden.
Durch Verwendung von mindestens zwei homologen (korrespondierenden) Bildpunkten zweier verschiedener Aufnahmepositionen (Stereo-Bildpaar) kann man bei Kenntnis der gegenseitigen Lage (relative Orientierung) die beiden Strahlen zum Schnitt bringen und so jeden Objektpunkt dreidimensional berechnen. Dabei kommen in der Regel Verfahren der Ausgleichungsrechnung zum Einsatz (Bündelausgleichung). Aus verfahrenstechnischer Sicht war es früher (und zum Teil heute noch) notwendig die 3D-Rekonstruktion zunächst in einem temporären Modellkoordinatensystem durchzuführen. In diesem Fall musste man anschließend eine Transformation ins gewünschte Zielsystem durchführen (absolute Orientierung).
Innere Orientierung
Die innere Orientierung einer Kamera beschreibt die Lage des Projektionszentrums bezüglich der Bildebene. Dies sind die Koordinaten () des Bildhauptpunktes und der lotrechte Abstand (Kamerakonstante) zwischen der Bildebene und dem Projektionszentrum (). Diese drei Elemente sind wesentliche Parameter des Lochkameramodells und beschreiben deren innere Geometrie. Da eine reale Kamera von diesem idealisierten Modell der Lochkamera abweicht, benötigt man weitere Parameter, welche diese Abweichungen beschreiben. Diese Abweichungen werden unter dem Begriff Verzeichnung zusammengefasst. Erst nachdem man die Verzeichnung korrigiert hat, stimmen die Bildpositionen mit den ursprünglichen Abbildungsstrahlen wieder überein. Deswegen zählt man die Verzeichnung meist zu den Daten der inneren Orientierung. Mittels einer Kamerakalibrierung lassen sich die Parameter der inneren Orientierung bestimmen.
Äußere Orientierung
Die äußere Orientierung beschreibt die räumliche Bildlage während der Aufnahme insbesondere die Position des Projektionszentrums und die Blickrichtung der Kamera. Damit stellt man den Bezug der Kamera zu einem übergeordneten globalen Koordinatensystem her. Dies geschieht mit Hilfe von Passpunkten, auf die man die entsprechenden Bildkoordinaten im Zuge eines räumlichen Rückwärtsschnittes iterativ einrechnet.
Kollinearitätsgleichungen
Bei bekannter innerer und äußerer Orientierung lässt sich der funktionale Zusammenhang zwischen den 3D-Koordinaten der Objektpunkte und deren abgebildeten Bildkoordinaten herstellen. Das zugrunde liegende Modell ist die Lochkamera, welche die technische Umsetzung der Zentralprojektion darstellt. Die mathematische Formulierung der Zentralprojektion ergeben die Kollinearitätsgleichungen, die gleichzeitig die zentralen Gleichungen der Photogrammetrie darstellen: