Orthofoto, Orthomosaik und GeoTIFF: Was ist der Unterschied?

Ein Orthofoto (auch Orthophoto geschrieben) ist ein Luftbild, aus dem die Verzerrungen durch Geländerelief und Kameraneigung herausgerechnet sind. Strecken und Flächen lassen sich darauf wie in einer Karte messen. Ein Orthomosaik ist dasselbe Ergebnis, zusammengesetzt aus Hunderten Einzelbildern zu einem durchgehenden Blatt. GeoTIFF ist das Dateiformat, in dem es meist geliefert wird: ein gewöhnliches Bild mit eingebetteter Georeferenzierung.

Dieser Beitrag erklärt den Unterschied zum Luftbild und zum Orthomosaik, was in einer GeoTIFF-Datei steckt, woran Sie die Qualität erkennen, welche Bezugssysteme in Deutschland üblich sind und wie Sie die Daten vor der Abnahme prüfen.

Luftbild, Orthofoto oder Karte: Was ist der Unterschied?

Auf einem normalen Luftbild erscheinen hohe Objekte und Hänge verschoben: Je höher ein Objekt und je weiter es von der Bildmitte entfernt ist, desto stärker „kippt“ es. Auch der Maßstab ist im Bild nicht einheitlich, deshalb lässt sich darauf nicht mit dem Lineal messen. Die Orthorektifizierung rechnet jedes Pixel unter Berücksichtigung der Geländehöhe um und erzeugt eine echte Senkrechtansicht.

• Luftbild. Anschaulich, aber verzerrt und ohne Koordinatenbezug. Eignet sich als Illustration.
• Orthofoto. Maßstabsgetreues Abbild des Geländes mit Koordinatenbezug, geeignet zum Messen und als Unterlage in CAD und GIS. Amtliche Digitale Orthophotos (DOP) der Landesvermessung haben meist eine Bodenauflösung von etwa 10 bis 20 cm. Orthofotos aus der Drohnenbefliegung erreichen wenige Zentimeter und werden zum gewünschten Zeitpunkt aufgenommen.
• Karte oder Plan. Lageplan, Bestandsplan oder Kartendaten wie ALKIS: Linien und Signaturen ohne fotografische Details. Das Orthofoto dient oft als Grundlage, auf der sie digitalisiert werden.

Orthofoto oder Orthomosaik: Ist das dasselbe?

Fachlich nicht ganz. Ein Orthofoto ist ein einzelnes orthorektifiziertes Bild. Ein Orthomosaik entsteht, wenn viele solche Bilder zu einem durchgehenden Blatt zusammengesetzt werden.

Eine Drohnenbefliegung liefert immer ein Mosaik, deshalb werden beide Begriffe in Anfragen meist gleichbedeutend verwendet. Wichtiger sind die Parameter des Ergebnisses: Bodenauflösung, Bezugssystem und nachweisbare Genauigkeit.

So entsteht ein Orthofoto

1. Befliegung mit Überlappung. Die Bilder überlappen sich in der Regel zu etwa 70–80 % in Flugrichtung und zu 60–70 % zwischen den Flugstreifen, damit jeder Geländepunkt auf mehreren Aufnahmen zu sehen ist.
2. Georeferenzierung. RTK-Korrekturdaten liefern die Koordinaten der Aufnahmen, Passpunkte (GCP) und Kontrollpunkte im Gelände sichern und prüfen das Ergebnis.
3. Oberflächenmodell. Aus den Bildern entstehen eine Punktwolke und ein digitales Oberflächenmodell (DOM). Es wird gebraucht, um das Bild zu „entzerren“.
4. Orthorektifizierung. Jedes Bild wird anhand des Oberflächenmodells umgerechnet.
5. Mosaikierung und Farbangleichung. Die Bilder werden zu einem Blatt zusammengesetzt, Nahtstellen ausgeblendet und die Helligkeit angeglichen.
6. Export. Bodenauflösung, Bezugssystem und Dateiformat werden festgelegt.

Mehr zum Ablauf der Befliegung finden Sie im Hauptartikel „Drohnenvermessung in Deutschland: Was sie leistet, wie sie abläuft und was Sie erhalten“.

Was ist ein GeoTIFF?

Ein GeoTIFF ist eine gewöhnliche TIFF-Datei mit zusätzlichen Informationen im Inneren: Koordinatenreferenzsystem sowie Lage und Größe der Pixel. QGIS, ArcGIS, Global Mapper oder Civil 3D setzen das Bild deshalb von selbst an die richtige Stelle, ganz ohne manuelles Einpassen. Manchmal liegt eine separate Datei daneben (World-File, .tfw): gleicher Zweck, aber die Daten liegen getrennt.

Nicht verwechseln: Ein als JPEG oder PNG gespeichertes Bild eines Orthofotos ist nur ein Bild. Ohne Georeferenzierung lässt sich darin nichts in Koordinaten messen.

Im selben Format werden Gelände- und Oberflächenmodelle geliefert. Der Unterschied liegt im Inhalt: Beim Orthofoto speichert ein Pixel eine Farbe, beim Geländemodell eine Höhe.

• Dateigröße. Das Orthofoto einer großen Fläche kann mehrere Gigabyte umfassen. Ein Standard-TIFF ist auf etwa 4 GB begrenzt, für größere Dateien wird BigTIFF verwendet.
• Schnelle Ansicht. Eine Datei mit Pyramiden (verkleinerten Kopien) oder im Format Cloud Optimized GeoTIFF (COG) öffnet sich deutlich schneller.

Woran Sie die Qualität erkennen

• Bodenauflösung (GSD). Die Pixelgröße am Boden. Je kleiner sie ist, desto detaillierter das Bild und desto größer die Datei. Für große Flächen genügen oft wenige Zentimeter pro Pixel, für detaillierte Pläne wählt man weniger.
• Lagegenauigkeit. Sie entspricht nicht der Pixelgröße. Ein Pixel von 2 cm bedeutet nicht, dass die Lageabweichung 2 cm beträgt. Die tatsächliche Genauigkeit zeigt die Abweichung gegenüber unabhängigen Kontrollpunkten (RMSE).
• Bezugssystem. Was in Deutschland üblich ist, steht im nächsten Abschnitt.
• Nahtstellen und Farbe. Sichtbare Übergänge, Stufen an geraden Linien und Helligkeitssprünge deuten auf schwache Aufbereitung hin.
• Art der Entzerrung. Beim Standard-Orthofoto sind die Kanten hoher Gebäude leicht geneigt. Beim „True Ortho“ (Echtorthofoto) wird dieser Effekt entfernt, Fassaden sind dann aber nicht sichtbar.

Bezugssysteme in Deutschland

In Deutschland sind für Lagekoordinaten ETRS89/UTM üblich, je nach Bundesland in Zone 32N oder 33N (EPSG:25832 bzw. EPSG:25833). Höhen werden im amtlichen Höhensystem DHHN2016 angegeben. Das Bezugssystem sollten Sie vor der Befliegung festlegen, damit die Daten ohne Umrechnung in Ihrer Software passen.

Was ein Orthofoto nicht zeigt

• Höhen. Es ist ein flaches Bild. Für Höhen brauchen Sie ein digitales Gelände- oder Oberflächenmodell.
• Boden unter Baumkronen und Dächern. Die Kamera sieht nur, was von oben sichtbar ist.
• Bewegte Objekte. Fahrzeuge und Personen können an den Bildübergängen „Geisterbilder“ hinterlassen.
• Wasser, Schnee und gleichförmige Flächen. Solche Bereiche lassen sich aus Fotos schlecht rekonstruieren und können Artefakte zeigen.

Wofür wird ein Orthofoto eingesetzt?

• Planung. Unterlage in CAD mit dem realen Zustand der Fläche.
• Bau. Vergleich des Baustellenzustands zu verschiedenen Terminen und Kontrolle der Bauabschnitte.
• Kataster und Grundstücke. Grundlage zur Klärung von Grenzverläufen. Für amtliche Liegenschaftsvermessungen gelten besondere Vorgaben, die eine Drohnenbefliegung in der Regel nicht ersetzt. Welche Anforderungen die jeweilige Stelle stellt, klären wir vor der Befliegung.
• GIS und Kommunen. Aktualisierung von Kartenebenen, Bestandserfassung von Flächen und Infrastruktur.
• Landwirtschaft und Weinbau. Planung von Bewässerung und Entwässerung, Beobachtung des Pflanzenzustands.

So prüfen Sie ein Orthofoto vor der Abnahme

1. Öffnen Sie die Datei in Ihrer eigenen Software oder im kostenlosen QGIS. Sie muss an der richtigen Stelle im richtigen Koordinatensystem liegen.
2. Vergleichen Sie einige bekannte Punkte. Gebäudeecken, Schachtdeckel, Masten: Die Abweichung sollte innerhalb der Toleranz Ihrer Aufgabe liegen.
3. Zoomen Sie auf 100 %. Achten Sie auf Unschärfe, Nahtstellen und Stufen an geraden Linien.
4. Fordern Sie einen Kontrollpunktbericht an mit den Lageabweichungen.
5. Prüfen Sie Größe und Format. Die Datei sollte sich in Ihrer Software ohne Ruckeln öffnen lassen.

Was in den Auftrag gehört

• der Zweck: Planung, Kataster, Monitoring, GIS;
• die gewünschte Bodenauflösung oder der Planmaßstab;
• Lage- und Höhenbezugssystem;
• das Format: GeoTIFF, Cloud Optimized GeoTIFF oder ein anderes, und ob die Fläche in Kacheln geteilt werden soll;
• weitere Ergebnisse: Geländemodell, Punktwolke, Lageplan.

Mehr zur Leistung: Orthofoto und Kartierung per Drohne.

Häufige Fragen zu Orthofoto und GeoTIFF

Worin unterscheidet sich ein Orthofoto von Satellitenbildern in Online-Karten?

Satellitenbilder in Online-Karten vermitteln einen Überblick über das Gelände, doch das Aufnahmedatum kann veraltet sein, und die Lagegenauigkeit ist für Messungen nicht zugesichert. Ein Orthofoto aus der Drohnenbefliegung wird für Ihre Aufgabe aufgenommen, hat eine nachweisbare Genauigkeit und eine höhere Auflösung.

Wie genau ist ein Orthofoto?

Eine einheitliche Zahl gibt es nicht. Die Genauigkeit hängt von der Bodenauflösung, der Georeferenzierung, den Kontrollpunkten, dem Gelände und der Auswertung ab. Die Pixelgröße ist nicht der Fehler: Bei einem Pixel von 2 cm kann die Lageabweichung größer sein. Fordern Sie einen Bericht mit den Abweichungen gegenüber unabhängigen Kontrollpunkten an.

Welches Koordinatensystem ist in Deutschland üblich?

In der Regel ETRS89/UTM, je nach Bundesland Zone 32N oder 33N (EPSG:25832 bzw. EPSG:25833), mit Höhen im DHHN2016. Das System sollte vor der Befliegung festgelegt werden, damit die Daten ohne Umrechnung in Ihrer Software passen.

In welchen Programmen lässt sich ein GeoTIFF öffnen?

In den meisten GIS- und CAD-Programmen, zum Beispiel QGIS, ArcGIS, Global Mapper und Civil 3D. Sie lesen die Georeferenzierung aus der Datei und platzieren das Bild korrekt. In gewöhnlichen Bildbetrachtern öffnet sich die Datei als einfaches Bild ohne Koordinaten.

Warum ist die Datei eines Orthofotos so groß, und lässt sie sich verkleinern?

Die Größe wächst mit Fläche und Detailgrad: Je kleiner das Pixel, desto größer die Datei. Sie lässt sich verkleinern, indem man eine gröbere Bodenauflösung wählt, Komprimierung einsetzt, die Fläche in Kacheln teilt oder ein Format mit Pyramiden für die schnelle Ansicht liefert. Die Parameter klärt man am besten vor der Befliegung.

Worin unterscheidet sich ein Orthofoto von einem 3D-Modell?

Ein Orthofoto ist ein flaches Bild in Senkrechtansicht, in dem Sie Strecken und Flächen messen können. Höhen speichert es nicht. Ein 3D-Modell und eine Punktwolke geben Volumen und Form wieder, die Geländehöhen werden als eigene Datei geliefert: als digitales Gelände- oder Oberflächenmodell.