Wo es um die Erstellung photogrammetrischer Aufnahmen geht, lässt die Frage nach der richtigen GSD nicht lange auf sich warten. Schließlich beschreibt sie recht genau, wieviel Fläche am Boden ein einzelner Pixel am Sensors abbilden soll und definiert damit die Auflösung des Digitalmodells. Aber tut sie das wirklich? Und welche Parameter sind eigentlich sonst noch entscheidend? Ein kurzer Überflug über die Details.

50 Hektar in feinster City-Lage. Nicht weniger anspruchsvoll sollte da auch der Digitale Zwilling werden. Also galt eine Ground Sampling Distance von 3cm schnell als Ausgemacht. Jetzt setzt man sich an den Schreibtisch und rechne kurz durch: der Sensor der Kamera hat horizontal rund 9.500 Pixel. Wenn jeder Pixel 3cm abbildet, kann man also 9.500 x 0,03m = 285m breite Bahnen abfliegen. Dann muss nur noch Brennweite und damit der Öffnungswinkel des Objektivs bestimmt werden, und schon hat man seine Flughöhe. Wer jetzt allerdings glaubt, man würde auf den Fotos anschließend scharfe und bunte, 3cm x 3cm große quadratische Kacheln sehen, wird leider enttäuscht. Denn die GSD unterscheidet sich von der Bodenauflösung ganz erheblich.

Ein Grund dafür liegt darin, dass ein angenommen 3cm x 3cm großes Objekt am Boden nie von nur einem Pixel auf dem Sensor eingefangen wird. Ursache dafür ist die Phasenverschiebung bei den Pixeln. In der Realität dürften es eher 3-4 Pixel sein, die sich die Lichtinformation teilen. Und damit leider auch Helligkeit, Kontrast und Farbe. Von einem theoretischen Schachbrettmuster mit 3cm x 3cm großen Feldern bleibt in der Praxis im Bild nur ein verschwommenes Hell-Dunkel-Gitter übrig.

Damit aber noch nicht genug. Ein weiterer Störfaktor ist die Geschwindigkeit. Da unser Flugzeug reichlich mit Wind angeströmt werden will, um sich sicher in der Luft zu bewegen, beträgt diese mindestens 90km/h. Das sind 25m/s, die wir uns über dem Grund bewegen. Bei einer angenommenen Belichtungszeit von einer 1/1000 Sekunde bewegt sich also der Untergrund um 2,5cm unter uns weg. Das ohnehin schon als Hell-Dunkel-Gitter verschwommene Schachbrettmuster wird also durch zusätzliche Bewegungsunschärfe entstellt.  

Mindestens in demselben Umfang beeinflussen Stabilisierungsfehler des Gimbals die Schärfe der Abbildung. Denn gerade bei größeren Flughöhen sind die Winkelgeschwindigkeiten bei Rollen und Nicken des Flugzeugs Ernst zu nehmende Faktoren, die nur durch allerfeinste und damit aller teuerste Stabilisierungstechnik kompensiert werden kann. Schön, wenn man sie hat. Ansonsten kann man jetzt die Auflösung noch einmal großzügig aufrunden. 

Der Ausgangspunkt für die GSD:
Das optische Messfeld misst 30 x 45 cm, die schwarze Kachel 15 x 15 cm, die Kreise 7,5 cm und die Streifen 5, 3 und 1 cm.

Ein kurzer Ausflug auf 700ft Höhe

Nicht unerwähnt sollte bleiben, dass auch die Kameraobjektive dabei ebenfalls an die Grenzen des physikalisch machbaren kommen. 10.000 Pixel in der Horizontalen wollen ja auch von mindestens 10.000 Linienpaaren durch die Optik bespielt werden. Aber welches Objektiv kann das, bzw. wer kennt die Leistungsdaten seiner Objektive schon so genau?

Megapixel sind nicht alles

Was also tun, damit das Schachbrett nicht fotografisch zur grauen Matsche verkommt? Eine Möglichkeit wäre, das Pixel-Dichte des Sensors mal kritisch zu betrachten. Mehr Pixel heißt schließlich nicht automatisch besser. Ein Vollformatsensor misst in der Horizontalen rund 36mm. Da macht es schon einen erheblichen Unterschied, ob auf diesen 36mm 6.000, 8.000 oder 10.000 Pixel gepackt werden. Denn die Abbildungsleistung des Objektivs hat sich ja nicht mit dem Kauf einer neuen, hochauflösenden Kamera über Nacht verbessert. Wer jetzt nicht den Schrank voller Spitzenobjektive mit ausreichenden Leistungsreserven zur Verfügung hat, wird mit seinem Standard-Objektiv an einem 42 MP Vollformatsensor eine bessere Abbildungsleistung erreichen als mit dem bezogen auf die berechnete GSD etwas breiter fotografierenden 61 MP Vollformatsensor. Allerdings auf kosten der Flugzeit, denn aus den 285m-Bahnen sind jetzt auch wieder 240m geworden.

Bei der Wahl der Brennweite sollte man sich vielleicht nicht so sehr von der GSD leiten lassen, sondern eher von der zu erwartenden Bewegungsunschärfe. Wenn ich ein Areal mit 90 km/h befliege und 1/1000 Sekunde belichte, wird die Auflösung durch 2,5 cm Bewegungsunschärfe getrübt, bei 1/2000 Sekunde aber nur um 1,25 cm. Addiert man die Bewegungsunschärfe zur GSD, erhält man die tatsächliche Auflösung.

Eine weitere, aber nicht ganz unaufwendige Möglichkeit, die Bewegungsunschärfe zu kompensieren, ist der Gegenschwenk. Dabei wird ein Punkt an dem zu fotografierenden Objekt fixiert und durch den Gimbal getrackt – entweder manuell oder via Software-Lösung. Beim Vertikal-Tracking wird das Objekt senkrecht überflogen, beim Horizontal-Tracking umrundet.

Das Signalfeld des Flugplatzes aus 700ft über Grund mit 120 km/h. Rechts unten in der Mitte des rechten Kreises ist das Messfeld erkennbar. Fotografiert mit 1/300 sek bei Blende 4 auf Sony Alpha 7RII (42 MP Vollformat) mit Sony Powerzoom 28 – 135 mm. Kamera im Gegenschwenk.