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A-2.3.1 Digitalisierung analoger Luftbilder

1 Einleitung

Die Bereitstellung und Auswertung von historischen Luftbildern erfolgen zunehmend in digitaler Form. Wenn analoge Luftbilder vorliegen, die im Zusammenhang mit kampfmittelrelevanten Themen ausgewertet werden sollen, ist in vielen Fällen eine Digitalisierung dieser Bilder erforderlich.

Das Scannen der Bilder erfordert die Einhaltung technischer und fachlicher Mindestanforderungen, um geometrische Beeinträchtigungen bzw. fotografische Informationsverluste des Bildmaterials während des Scanvorgangs zu minimieren. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich das historische Bildmaterial hinsichtlich geometrischer und fotografischer Qualität deutlich von typischen Messbildflügen folgender Jahrzehnte unterscheidet. Die zu erwartenden geometrischen Fehler dieser Luftbilder, welche primär durch Flugbedingungen, Produktion oder analoge Reproduktionen verursacht worden sein können, rechtfertigen i. d. R. keinen Einsatz spezieller photogrammetrischer Scanner, deren Einsatz mit hohen Kosten verbunden ist. Die weitere Bearbeitung und Auswertung der digitalisierten Luftbilder mittels photogrammetrischer Methoden ist trotzdem aus fachlicher und wirtschaftlicher Sicht erforderlich und praktikabel. Soweit die Verarbeitung neuerer Bildflüge, d. h. aus den 1960er Jahren oder später, erforderlich ist, müssen aktuelle Regelwerke zur Herstellung von Lufbildscans berücksichtigt werden (z. B. DIN 18740 – Fotogrammetrische Produkte). Ein gravierender Unterschied dieser Normen gegenüber der vorliegenden TS besteht in der Forderung nach dem Einsatz photogrammetrischer Spezialscanner, die der geometrischen Güte neuerer Luftbilder gerecht werden.


2 Handhabung des Bildmaterials

Historische Luftbilder werden aus nationalen oder internationalen Beständen beschafft. Die Recherche und Lieferung sind gegenüber der Beschaffung aktueller Luftbilder mit vergleichsweise hohen Kosten und langen Lieferfristen verbunden. Das Bildmaterial soll deshalb mit besonderer Sorgfalt behandelt werden, um die Gefahr von Beschädigung oder Verlust auszuschließen.


3 Anforderungen an den Scanner

Aufgrund der schnellen technischen Entwicklung und gegenüber Spezialscannern günstigen Preis-/Leistungsverhältnissen haben sich hochwertige Desktop Publishing (DTP) Scanner für die Digitalisierung historischer Luftbilder durchgesetzt. Diese werden in den Luftbildstellen der Vermessungsverwaltungen ebenso verwendet wie in großen ausländischen Luftbildarchiven. Die geometrischen Defizite von DTP-Scannern sind, unter Berücksichtigung der ohnehin eingeschränkten Genauigkeit des Ausgangsmaterials, mittels leistungsfähiger Photogrammetrie-Software zu vernachlässigen.

Die Mindestanforderungen an zu verwendende DTP-Scanner sind in A-9.2.3 dargestellt.

Die Einhaltung der Geräteanforderungen ist zu dokumentieren.


4 Anforderungen an das gescannte Luftbild

4.1 Allgemeine Anforderungen

Grundsätzlich müssen die historischen Luftbilder vollständig gescannt werden, d. h. einschließlich aller Rahmenmarken und Nebenabbildungen, die für die weitere Verarbeitung der Bilder erforderlich sind. Bei der Herstellung von Scans ist es weiterhin von Bedeutung, dass die Verkantung der analogen Luftbilder gegenüber dem Koordinatensystem des Scanners möglichst gering gehalten wird und sämtliche Bilder eines Bildfluges mit einheitlicher Ausrichtung gescannt werden (z. B. Nebenabbildung immer links). Wechselnde Ausrichtungen erschweren die weitere photogrammetrische Bearbeitung.


4.2 Radiometrische Kriterien

Digitale Luftbilder setzen sich aus einzelnen Bildpunkten zusammen, die ein bestimmtes Farbspektrum umfassen. Das analoge Farbspektrum historischer Bilder wird dabei i. d. R. auf 256 digitale Graustufen reduziert. Die 256 Graustufen werden digital in 8 Bit codiert. Die Verteilung der Graustufen charakterisiert die radiometrischen Eigenschaften eines Bildes.

Die radiometrische Beschaffenheit eines digitalen Bildes kann auf Grundlage seines Histogramms beurteilt werden. Das Histogramm ist eine tabellarische oder graphische Darstellung, die zeigt, wie häufig einzelne Grauwerte in einem Bild vorkommen (s. Abb. A-2.3-1). I. d. R. verfügt Software zur Bildbearbeitung über Funktionen zur Betrachtung der Graustufenverteilung.

Ein ausgewogenes Histogramm darf keine Lücken aufweisen und umfasst einen möglichst vollständigen Grauwertebereich, so dass die im analogen Luftbild enthaltenen und für den Verwendungszweck erforderlichen Informationen bestmöglich wiedergegeben werden. Die optimale Graustufenverteilung muss während des Scanvorgangs bestimmt werden. Eine nachträgliche Veränderung des Histogramms einer Bilddatei führt zwangsläufig zu einem Informationsverlust. Kriterien für die Anpassung und Prüfung eines Histogramms sind unter Punkt 5.2 zu entnehmen. Bei größeren Projekten (> 30 Bilder) ist die Erstellung von Testscans empfehlenswert, welche mit dem analogen Original hinsichtlich ihrer Auswertbarkeit verglichen werden müssen.

Die digitale Bildauswertung erfordert unter Umständen Anpassungen von Helligkeit und Kontrast gegenüber dem analogen Original. Diese Bearbeitungsschritte können in der Regel temporär in der Software zur Bildbetrachtung und -auswertung erfolgen. Von einer permanenten Änderung der Originalscans ist grundsätzlich abzusehen.


4.3 Scanauflösung

Das maximale geometrische Auflösungsvermögen historischer (Kriegs-)Luftbilder liegt deutlich unter dem neuerer Luftbilder, die vornehmlich für Zwecke der Landesvermessung erstellt wurden. Erfahrungswerte belegen, dass mit einer Scanrate von 1200 dpi alle Bilddetails historischer Luftbilder erfasst werden und dieser Wert als Standard anzunehmen ist. Lediglich für Luftbilder aus Nachkriegsbefliegungen zwischen 1946 und Ende der 1950er Jahre ist im Einzelfall zu prüfen, ob mit einer höheren Scandichte zusätzliche Informationen aus den analogen Bildern gewonnen werden können.


4.4 Datenarchivierung

Für die Speicherung von Bilddaten gibt es zahlreiche Formate. Um die problemlose und langfristige Verfügbarkeit der Bilddaten zu gewährleisten, sollten proprietäre Formate, die von einer bestimmten Software oder einem bestimmten Hardware-Typ abhängig sind, unbedingt vermieden werden. In diesem Zusammenhang müssen folgende Kriterien erfüllt werden:

  • Verwendung von systemunabhängigen, weit verbreiteten Formaten (z. B. TIFF)
  • Keine Datenkomprimierung
  • Keine Bildpyramiden (Speicherung der Bilder in Ebenen abnehmender Auflösung zwecks Beschleunigung der Bildanzeige)
  • Keine räumliche Bildunterteilung (Tiling-Bildung von Bilddateien mit segmentierter Bildmatrix zwecks Beschleunigung der Bildanzeige oder
    -bearbeitung)


5 Hinweise zur Prüfung eines Luftbildscans

5.1 Allgemeines

Die radiometrische Qualität eines gescannten Luftbildes hängt neben den physikalischen Eigenschaften der verwendeten Hardware wesentlich von den Einstellungen der Scanparameter ab. Nachfolgend werden Hinweise gegeben, wie die richtige Einstellung der radiometrischen Scanparameter am gescannten Luftbild überprüft werden kann. Hierzu ist zur objektiven Prüfung der radiometrischen Qualität eines digitalen Bildes das Histogramm zu verwenden. Weiterhin sind die visuelle Betrachtung und Beurteilung des Bildes unter Berücksichtigung des Verwendungszweckes erforderlich.

Zur Beurteilung der Scanqualität ist ein direkter Vergleich mit den analogen Vorlagen hilfreich. Die Vorlagen sind aber in den meisten Fällen nicht verfügbar. Somit spielt die Dokumentation von Scans eine wichtige Rolle, anhand derer geprüft werden kann, ob die Scanparameter den Erfordernissen historischer Luftbilder entsprechend gewählt wurden und somit von einer angemessenen Güte ausgegangen werden kann. Vorgaben für die Dokumentation können dem Anhang 7.2.2 „Leistungsbeschreibung Phase A – Digitalisierung analoger Luftbilder“ entnommen werden (Formblatt A – Dokumentation Luftbildscan durch Auftragnehmer). Eine abschließende Qualitätsprüfung der Scans kann auf Grundlage des „Formblattes B – Prüfbericht Luftbildscans“ durch den Auftrageber oder ggf. durch freiberuflich Tätige oder unabhängige Dritte erfolgen.


5.2 Prüfung der radiometrischen Qualität eines Luftbildscans

Ein analoges Luftbild hat keine radiometrischen Sprünge. Selbst bei scharfen Objektkanten gibt es keinen Grauwerteübergang über mehrere Stufen. Das Histogramm des Bildbereiches eines Luftbildscans innerhalb der Bildmarken darf deshalb keine Lücken aufweisen und muss den vollen Grauwertbereich (0 = schwarz bis 255 = weiß) umfassen, damit möglichst viele Bildinformationen bei der Analog-Digital-Wandlung erhalten bleiben. Lücken im Histogramm deuten auf eine falsche Einstellung der Scanparameter, Gerätefehler oder eine nachträgliche Veränderung (z. B. „Equalizing“) hin und bedeuten grundsätzlich einen Informationsverlust. Über das Histogramm kann während des Scanvorgangs der Bereich der auf dem Bild dargestellten Grauwerte auf den kompletten Wertebereich von 0 bis 255 gestreckt werden. Dadurch bleiben alle Bildinformationen erhalten und die Bildinhalte gewinnen i. d. R. an Kontrast.

Beispiele für Histogramme und deren Bewertung sind den folgenden Abbildungen zu entnehmen.

ABB. A-2.3-2: Beispiele für Histogramme und deren Bewertung

Beispiel 1a: Gleichmäßige Graustufenverteilung, der vollständige Wertebereich von 0 bis 255 wird jedoch nicht genutzt.

Beispiel 1b: Gleichmäßige Graustufenverteilung; durch Anpassung der Graustufenverteilung während des Scanvorgangs wird der Wertebereich von 0 bis 255 besser genutzt, das Bild enthält mehr Informationen.

Beispiel 2a: Graustufenverteilung des Originalbildes, der vollständige Wertebereich von 0 bis 255 wird nicht genutzt.

Beispiel 2b: Graustufenverteilung des nachträglich „verbesserten“ Graustufenspektrums. Durch die Anpassungen wird die visuelle Interpretation erleichtert, das Potenzial des ursprünglichen Bildes wird jedoch nicht optimal genutzt. Das Histogramm weist Lücken auf.

Beispiel 2c: Graustufenverteilung nach dem Versuch, eine Normalverteilung der Graustufen herzustellen, der zu einem inakzeptablen Informationsverlust im mittleren Graustufenspektrum führt.


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