Was ist die Pixel-zu-Metrik-Kalibrierung (mm pro Pixel)?

Pixel-zu-Metrik-Kalibrierung (mm pro Pixel)

Die Pixel-zu-Metrik-Kalibrierung ist der Schritt, der einem Bild einen Maßstab in Millimetern pro Pixel gibt. Eine Länge in Pixeln wird dadurch zu einer Länge am Boden.

Ohne diesen Maßstab zeigt ein Bild, dass ein Merkmal existiert, aber nicht, wie groß es ist. Der Maßstab heißt auch Bodenabtastabstand (GSD), wenn das Bild von einer Drohne oder einem Flugzeug stammt.

Mm pro Pixel und Bodenabtastabstand

Der mm-pro-Pixel-Wert gibt an, wie viel Boden ein Pixel abdeckt. TxDOT definiert den Bodenabtastabstand als den Abstand zwischen Pixelmittelpunkten am Boden. Bei einem Drohnenbild sind beide Werte gleich, wobei der GSD in Millimetern angegeben wird.

Ein kleiner Wert bedeutet feines Detail. Ein großer Wert bedeutet grobes Detail. Der Wert ist der Kehrwert von Pixeln pro mm. Bei 0,5 mm pro Pixel decken 1 mm Boden 2 Pixel ab.

Wie der Maßstab ermittelt wird

Es gibt zwei Wege, den Maßstab eines Drohnenbildes zu ermitteln.

Ein Referenzobjekt. Teilen Sie die bekannte Länge eines Objekts im Bild durch seine Länge in Pixeln. Eine Maßstabsleiste von 100 mm, die sich über 500 Pixel erstreckt, ergibt 0,2 mm pro Pixel.

Die Kamerageometrie. Das Caltrans Surveys Manual gibt den Maßstab eines Fotos als Brennweite geteilt durch die Höhe über dem Gelände an. Ein Maßstab von 1:2400 bedeutet, dass 1 Zoll auf dem Foto 2400 Zoll am Boden entspricht. Eine Strecke am Boden ist dann die Strecke auf dem Sensor geteilt durch den Maßstab. Für ein Pixel ergibt sich:

• mm pro Pixel = Pixelgröße auf dem Sensor × Flughöhe ÷ Brennweite.

Nehmen wir ein Pixel von 4 Mikrometern, ein Objektiv mit 24 mm und eine Höhe von 10 m. Der Wert ist 0.004 mm × 10,000 mm ÷ 24 mm, also 1,67 mm pro Pixel. Diese Werte dienen nur als Beispiel.

Eine geringere Flughöhe ergibt einen kleineren mm-pro-Pixel-Wert. TxDOT schreibt für die detaillierte Kartierung der Verkehrsinfrastruktur einen GSD von höchstens 1,5 cm vor.

Kamerakalibrierung und Linsenverzeichnung

Die Kameraformel oben verwendet die Brennweite des Objektivs. Ein echtes Objektiv besteht aus einer Reihe von Linsen, daher verläuft der Lichtweg nicht immer geradlinig. Die USGS-Leitlinien sagen, dass eine gerade Linie in der Szene dann im Bild nicht gerade ist. Dieser Effekt heißt Linsenverzeichnung.

Die Kamerakalibrierung beschreibt den Weg eines Lichtstrahls, der in die Kamera eintritt. Ihre inneren Orientierungsparameter sind die Brennweite, die Lage des Hauptpunkts und die Parameter der Linsenverzeichnung.

USGS hält eine Laborkalibrierung für UAS-Sensoren für unpraktisch. Die Kalibrierparameter können sich zwischen Labor und Feld ändern, weil die Sensoren nicht stabil sind. Die feldbasierte Selbstkalibrierung ist das häufigste Verfahren. Die Software ermittelt die Parameter aus Verknüpfungspunkten, die über die Bilder hinweg zugeordnet werden, zusammen mit einer kleinen Anzahl von Passpunkten am Boden.

Warum sich der Maßstab über ein Bild ändert

Die Maßstabsformel gilt für eine Flughöhe über dem Boden. Das Caltrans-Handbuch erklärt, dass der Boden nicht eben ist. Das Relief verändert die Flughöhe über jedem Punkt, daher hängt der Maßstab eines Luftbildes von der Höhe der abgebildeten Objekte ab. Ein mm-pro-Pixel-Wert gilt dann nur für eine Flughöhe.

Neigung der Kamera und Relief verschieben beide die Merkmale in einem Foto. Das Handbuch definiert ein Orthophoto als eine Kopie, aus der diese Verschiebungen entfernt sind.

Was der mm-pro-Pixel-Wert nicht aussagt

Der mm-pro-Pixel-Wert ist die Größe eines Pixels. Er ist nicht die Genauigkeit einer Messung. Die USGS-Leitlinien für UAS-Bilder legen eine Regel für Passpunkte fest. Deren Genauigkeit muss mindestens dreimal besser sein als die Genauigkeit, die Sie aus den Bildern benötigen. Sie schließen, dass die Genauigkeit der Daten keinen direkten Bezug zum GSD hat. Ein Datensatz mit 1 cm GSD kann eine Genauigkeit von 6 cm erreichen, wenn die Passpunkte auf 2 cm oder besser genau sind. Ein kleinerer GSD hilft, Ziele am Boden zu erkennen, aber daraus darf man keine höhere Genauigkeit ableiten.

Passpunkte am Boden verbinden das Bild mit dem Boden. Das Caltrans-Handbuch sagt, dass photogrammetrische Vermessungen Fotopasspunkte am Boden setzen. Damit werden die Fotos auf die horizontalen und vertikalen Bezugssysteme des Projekts bezogen.

Warum das für Befestigungen wichtig ist

Betreiber bewerten den Zustand der Flugplatzbefestigung mit dem Zustandsindex der Befestigung (PCI), der ASTM D5340 folgt. Die FAA AC 150/5380-6C sagt dies in ihrem Abschnitt zur Befestigungsverwaltung. Die PAVER-Schadenhandbücher legen einige Schweregrade nach der Rissbreite fest:

• Bei Asphalt ist ein nicht verfüllter Längs- oder Querriss gering, wenn seine mittlere Breite 6 mm oder weniger beträgt.
• Bei Beton ist ein nicht verfüllter Eckbruchriss gering, wenn seine mittlere Breite unter etwa 3 mm liegt.

Ein Pixel muss weniger Boden abdecken, als der Riss breit ist. Ist das nicht der Fall, füllt der Riss kein ganzes Pixel. Bei 1,67 mm pro Pixel erstreckt sich ein 6-mm-Riss über etwa 3,6 Pixel.

Bilder für Flughafenvermessungen können viel gröber sein. Die FAA AC 150/5300-17C akzeptiert Flughafen-Orthobilder mit einem GSD von 0,25 bis 1,0 ft (7,5 bis 30 cm). Bei 7,5 cm pro Pixel deckt ein Pixel 75 mm Boden ab. Ein 6 mm breiter Riss ist dann weit schmaler als ein Pixel. Diese Bilder kartieren den Flughafen, aber sie messen keine Risse.