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Users guide. 
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(73. 
mental Systems 
0 pp. 
onmental 
5, CA, 98 pp 
AUTOMATIC RELATIVE ORIENTATION - REALIZATION AND OPERATIONAL TESTS 
Liang Tang and Zoltan Poth 
Carl Zeiss, D-73446 Oberkochen, Germany 
Timm Ohlhof, Christian Heipke and Joachim Batscheider 
Chair for Photogrammetry and Remote Sensing 
Technical University Munich, D-80290 Munich, Germany 
Commission III, Working Group III/2 
KEY WORDS: Automatic relative orientation, operational algorithm, empirical test 
ABSTRACT 
An automatic procedure for relative orientation (ARO) of aerial images was developed and implemented in the digital 
photogrammetric workstation PHODIS ST from Carl Zeiss. The algorithm is designed and realized based on practical 
conditions with respect to available prior knowledge, speed of computation, and obtainable accuracy. A coarse-to-fine 
strategy using image pyramids is incorporated into the algorithm. A feature-based image matching is first carried out to 
determine conjugate points in the image pair on higher pyramid levels. Then, a fine measurement of image coordinates of 
conjugate points is done by a least squares image matching through the rest of pyramid levels down to the original images. 
In order to prove the practical applicability of ARO, a large number of stereopairs of aerial images was investigated. The 
selected stereopairs show different terrain types and ground cover. They are of various scales ranging from 1:3,200 to 
1:820,000 and scanned with different pixel sizes. About 100 well-distributed conjugate points per stereopair were selected 
for the final computation of the relative orientation parameters. The obtained root-mean-square standard deviations of the 
image coordinates generally lie between 0.2 and 0.4 pixel. Stereo models were found to be free of y-parallaxes by skilled 
human operators. The elapsed computing time was about 75 sec per stereopair scanned with 30 pm pixel size and in between 
2 and 3 min for a 15 pm stereo pair on a Silicon Graphics Indy with R4400 processor (150 MHz). The paper deals with 
the realization of the algorithm and reports on the results of the intensive operational tests. It could be proven that ARO is 
ready for photogrammetric practice. 
KURZFASSUNG 
Eine automatische Prozedur für die relative Orientierung von Luftbildern wurde für die digitale photogrammetrische 
Arbeitsstation PHODIS ST von Carl Zeiss entwickelt und im PHODIS-System implementiert. Die Konzeption des 
Algorithmus’ setzt praktische Anforderungen bezüglich vorhandenen Vorwissens, der Rechengeschwindigkeit und 
erreichbarer Genauigkeit voraus. Im Algorithmus wird eine auf Bildpyramiden beruhende grob-zu-fein Strategie eingesetzt. 
Zunüchst findet eine merkmalsgestützte Bildzuordnung auf einer hóheren Pyramidenebenen statt, um homologe Punkte in 
dem Bildpaar zu bestimmen. Danach folgt eine fláchenhafte Bildzuordnung nach der Methode der kleinsten Quadrate. Dabei 
wird jedes vorher bestimmte Punktepaar durch die restlichen Pyramidenebenen bis auf die originale Bildauflósung verfolgt. 
Um die praktische Einsetzbarkeit der automatischen Prozedur nachzuweisen, wurde eine Reihe von Luftbildpaaren bearbeitet. 
Die ausgewáhlten Luftbilder zeigen verschiedene Gelándetypen und Bodenbedeckungen, variieren im Maßstab von 1:3,200 
bis zu 1:820,000 und haben unterschiedliche Pixelgrößen. Zur endgültigen Berechnung der relativen Orientierungsparameter 
wurden in der Regel etwa 100 regelmäßig verteilte homologe Punkte pro Bildpaar verwendet. Die erreichten 
Standardabweichungen der Bildkoordinaten liegen durchschnittlich im Bereich zwischen 0.2 und 0.4 Pixel. Die mit Hilfe 
der Orientierungsparameter erstellten Stereomodelle erwiesen sich alle als parallaxenfrei. Die Rechenzeit betrug je nach der 
Bildauflösung ca. 75 Sekunden für ein mit 30 um gescanntes und zwischen 2 und 3 Minuten für ein mit 15 um gescanntes 
Stereopaar. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Realisierung des Algorithmus und berichtet über die Ergebnisse der 
intensiven operationellen Untersuchungen. Es zeigt sich, daß die automatische relative Orientierungsprozedur einsatzreif für 
die photogrammetrische Praxis ist. 
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International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing. Vol. XXXI, Part B3. Vienna 1996