fernerkundung - Oliver Bender

FERNERKUNDUNG
Oliver Bender & Doreen Jens, Universität Bamberg
BLOCK 1: 04.-06.05.2001
1.1 Einführung
Was ist (Geographische) Fernerkundung? (1/2)
direkte Messung - Fernmessung - Fernerkundung (engl. remote sensing)
Luftbilder - Satellitenbilder:
Fernerkundung ist indirektes Beobachtungsverfahren
Definitionen (Geographische) Fernerkundung:
kontaktloses wissenschaftliches Beobachten und Erkunden eines Gebietes aus der Ferne (LÖFFLER 1994:12)
Verfahren, welche
1. zur Informationsgewinnung die elektromagnetische Strahlung benutzen, die vom beobachteten Objekt ausgeht,
2. Empfangseinrichtungen (Sensoren) in Luft- bzw. Raumfahrzeugen mit sich führen,
3. zur Beobachtung der Erdoberfläche, der Meeresoberfläche oder der Atmosphäre dienen
(ALBERTZ 1991:2f.)
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Anwendungen der Fernerkundung (1-7)
Kartographie
• Topographische Karten
• Orthophotos ! Luftbildkarten
• Thematische Karten
Geographie / Landschafts- bzw. Geoökologie
"geographische Methode" von TROLL
Beschreibung u. Erklärung v. Zuständen (Inventoring), Überwachung (Monitoring)
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Geologie & Geomorphologie
• Erosions- und Akkumulationsformen, Gewässernetze, Talformen, Hangneigungen etc.
• prakt. Anwendung: Monitoring von Erosionsschäden, Lawinenschutz, Wildbachverbauung
• Photogeologie, insbes. Lineamente
Bodenkunde
Bodenkartierung (BURINGH 1954):
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Hydrologie
Wasser- und Überflutungsflächen, Gewässerbelastung durch Schwebstoffe, Algen in Infrarot-Bildern
Einleitung von Abwässern, Vermischungsvorgänge in Thermalbildern
Gletscherkartierung
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Klimatologie
Meteorologie
Oberflächentemperatur in Thermalbildern (Stadt- und Geländeklimatologie)
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Forstwirtschaft
Forsteinrichtung,Waldschäden:
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Landwirtschaft
Nutzungskartierung, Feststellen von Schädigungen zumeist in Satellitenbildern (Multispektral-Klassifizierung)
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Archäologie
Erkennen von Geländedenkmälern durch
shadow sides, crop sites, soil marks
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Planung
Grundlage für Kartierungen, Visualisierungen
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Fernerkundung: Info-Ressourcen (1-3)
fek_lit1.doc
1.2 Physikalische Grundlagen
Passive und aktive Aufnahmesysteme
Geometrie und Radiometrie
Dem Abbildungsprozeß liegen geometrische sowie radiometrische (physikalische) Aspekte zugrunde
Elektromagnetische Strahlung (1/2)
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Elektromagnet. Strahlung ist eine Form der Energieausbreitung, kann als Wellenstrahlung aufgefaßt werden
Gesamtheit der Strahlung wird im elektromagnetischen Spektrum dargestellt
Fernerkundung benutzt je nach Verfahren einen bestimmten Teil des Spektrums:
sichtbares Licht, kurzwelliges (solares) CIR, langwelliges = thermales TIR, Mikrowellen
Atmosphärische Einflüsse
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Transmission durch atmosphärische Fenster
direkte Einstrahlung
Absorption
diffuse Himmelsstrahlung und "Luftlicht"
Bewölkung
Reflexionseigenschaften (1)
Reflexion abhängig von der Rauhigkeit/Oberflächenbeschaffenheit:
spiegelnde Reflexion - diffuse Reflexion - gemischte Reflexion
• Objektform und Lichteinfall -- Mitlicht und Gegenlichtbereiche
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Reflexionseigenschaften (2)
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Reflexion > Weiß
Absorption > Schwarz
Reflexion/Absorption > Farben
Feuchtigkeit, Vegetation
Thermalstrahlung (TIR)
von der Erde ausgehende Wärmestrahlung
• Beziehung Wellenlänge : Strahlungstemperatur über Plancksches Strahlungsgesetz
• Strahlungstemperatur Ts < Tr reale Temperatur
1.3 Fotographische Systeme
Geschichte der (Luftbild)fotographie
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1839 Erfindung der Fotographie durch NIEPCE und DAGUERRE (F)
1841 erstes Positiv-Negativ-Verfahren (Calotypie) durch TALBOT (GB) ! Kopieren und Vergrößern
Wachspapierverfahren durch LE GRAY (F) ! feinkörnige Aufnahmen
1858/1860 erste Luftaufnahmen aus Ballon (F, USA), mit Naßkollodiumverfahren ! Dunkelkammerentwicklung im Ballon (!)
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1878 Bromsilbergelatine-Trockenplatten sowie Chlor- und Bromsilber-Papier
1889 erste Rollfilmkamera ! Bildformat 6,4 cm für Luftaufnahmen noch zu klein
1900 Luftschiff ZEPPELIN (D)
1903 Motorflugzeug durch Gebr. WRIGHT (GB)
1915ff. Luftbildkamera für sich überlappende Senkrechtbilder durch MESSTER (D)
1927 erstes Bildentzerrungsgerät ! Luftbildpläne
1935/36 Farbfilme durch Kodak (USA), AGFA (D)
1939-45 Entwicklung der Infrarotfilme in USA und UdSSR
Fotographisches Material (1/2)
strahlungsempfindliches Material = photographische Schicht
(Silberbromid-, Silberjodid- oder Silberchloridemulsion auf Gelatineträger aufgebracht) dient zugleich als Speichermedium.
• fotographischer Prozeß (ALBERTZ 1991:26f.)
• panchromatische / Infrarotschichten
• SW-Filme / Farb-Filme
• Farbmischung und Belichtung der Farbschichten (ALBERTZ 1991:30; LÖFFLER 1994:38)
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Aufnahmewinkel
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Senkrechtbild / Schrägbild / Flachbild
Kammern und Aufnahmeverfahren (1)
Handkammern für Schrägbilder
Reihenmeßkammern für Senkrechtbilder bei systematischer Flächenüberfliegung
Überdeckungsregler: Längsüberdeckung; Querüberdeckung
metrische Kamera = kalibriert (“innere Orientierung”) auf 1/1000mm
einheitliches Bildformat 23x23 cm (früher 18x18 bzw. 13x13cm)
Normbrennweite = Bilddiagonale = 300m
übliche Brennweite 152mm
Helligkeitsabfall zum Bildrand
• Aufnahmemaßstäbe: Richtwert zur topogr. Kartierung: Mb = 250 √Mk
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Fotograph. Auflösungsvermögen
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Spektrale Auflösung
Räumliche Auflösung
Radiometrische Auflösung:
Zeitliche Auflösung ("revisit time")
Beschaffung von Luftbildern (1/2)
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Bildflugauftrag - Freigabe
Landesvermessungsämter
ggf. Archive
Abgabeformen Luftbilder: Kontaktkopien, Vergrößerungen, Scans, Orthofotos, Luftbildkarten
Bildflugübersichtskarte, Bildmittenübersicht
1.4 Satellitensysteme (Scanner- und Radarsysteme)
Geschichte der Satellitenaufnahmen
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Spionageinstrumente
1957 Sputnik
1960 Wettersatelliten vom Typ TIROS
1972 Satellit mit CCDs
1999 IKONOS (SpaceImaging)
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Digitale Photo- und Abtastsysteme (1/2)
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optisch-mechanische Scanner:
optoelektronische Scanner: CCD-Technik
Radarsysteme
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Aktive Sensorsysteme im Mikrowellenbereich
Apertur - Auflösung
Radarbilder
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Depressionswinkel
Oberflächenrauhigkeit
Radarschatten
elektrische Eigenschaften der Materialien
problemorientierte Analyse von Radarbildern
Umlaufbahnen
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geostationär:
polar:
Repetitionsrate
Path - Rows
Bildaufnahme
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"spektrale Signaturen"
Kanäle
Hyperspektralscanner
Geometrie von Scanner-Bildern
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jede Bildzeile mit anderer räumlichen Lage des Fernerkundungssystems
Faktoren Aufnahmetechnik, Sensorbewegung, Obeflächenform des Geländes
Panoramaverzerrung
Erdrotation
Erdkrümmung
zufällige Verzerrungen
Geometrie von Radar-Bildern (1/2)
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Lage und geometrische Verzerrung der Flächenelemente ergibt sich aus der Laufzeit der Wellenfronten, ihrem Echo und den
Schrägentfernungen der Objekte
Entzerrung von Radarbildern sehr aufwendig; DGM zwingend erforderlich!
Erkennbarkeit von Objekten (1)
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Spektrale Auflösung einkanalig / mehrkanalig
Räumliche Auflösung
radiometrische Auflösung
zeitliche Auflösung: Wiederholungsrate
Erkennbarkeit von Objekten (2)
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daneben Faktoren wie Bildkontrast, menschliches Farb- und Objektempfinden sowie Auflösungsvermögen des Auges
Mischspektrum
immer 3 Kanäle zu Farbaufnahmen zusammengefügt
Erkennbarkeit von Objekten auch von ihrer spezifischen Farbgebung abhängig
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Farbtheorie:
verschiedene Farbsysteme, die sowohl auf physiologischen als auch physikalischen Grundlagen basieren
RGB-Farbwürfel / IHS-Kegel von Bedeutung für digitale Bildverarbeitung
RGB-Farbwürfel
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Mischung der drei Primärfarben
Primärfarben als Koordinatenachsen in einem dreidimensionalen kartesischen System
additive Farbmischung: Nullpunkt liegt bei Schwarz / subtraktive Farbmischung: Nullpunkt bei Weiß
Farbintensität wird pro Kanal in 256 Stufen abgelegt und gemischt
Kombination von drei Kanälen: Reflexionsgrad eines jeden einzelnen Kanals wird in 256 stufige Intensitäten eingeteilt und
jene dann wahlweise einem Einheitsvektor R, G oder B zugeteilt
für jede Falschfarbendarstellung deshalb gewählte Farbzuweisung angeben
IHS-Zylinder
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Intensity, Hue, Saturation
Farbton und Sättigung werden als polare Farbkoordinaten in einem Kreis abgetragen
Intensität verläuft in Z-Richtung, wobei 0=Schwarz und 1=Weiß
1.5 Satelliten und Sensoren
Geofernerkundungssysteme
Landsat
• Landsat 1 1972 gestartet -> erstmals größere Räume und schwer zugängliche Gebiete kartierbar
• Landsat 7 1999
• MSS 5 Kanäle, TM 7 Kanäle, ETM+ 8 Kanäle
• (R/G/B/NIR/SWIR/SWIR/LWIR/PAN)
• Schwerpunkte bei der Auswertung von TM-Bändern:
• Band 1: Boden- und Vegetationsdifferenzierung, Waldtypen
• Band 2: s.o.
• Band 3: Vegetationsdifferenzierung, geologische Anwendungen
• Band 4: Biomassenkartierung
• Band 5: Gesteine, Böden, Wassergehalt der Vegetation
• Band 6: thermale Kartierung
• Band 7: hydrothermale Kartierungen von Gesteinen
SPOT -1 bis -4
IRS
ERS-1/-2
JERS
IKONOS
METEOSAT
NOAA
COSMOS
Datenquellen und Kosten
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erst seit 1990 hochauflösende Daten freigegeben
Kriterien für Sensorwahl: Auflösung - Kosten, ...
Beschaffung von Satellitenbildern:
SPOT-Katalog
– www.sirius.spotimage.fr/anglais/Welcomehtm
– ims.dfd.dlr.de EOS Data Gataway
– www.infeo.org Katalog des Joint Research Centre of the European Commission
– www.eurimage.com/einet/einet_home.shtml
– jupiter.esrin.esa.it ESA Multimission Katalog
– www.imagenet.com
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2.1 Luftbildeigenschaften und analoge Photogrammetrie
Geometrische Luftbildeigenschaften (1)
bei Geneigt-Aufnahmen (schräg, flach)
bei Senkrechtaufnahmen:
• bis 3° Abweichung von Senkrechten tolerierbar, ansonsten Entzerrung nötig
• Verkantung durch kurzzeitiges Abdriften vom Kurs
Geometrische Luftbildeigenschaften (2)
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bei Senkrechtaufnahmen Zentralprojektion
nur die Bildmitte (als Projektion des Nadirs) ist lagetreu,
alle höherliegenden Punkte werden radial nach außen, alle tieferliegenden Punkte nach innen verzerrt
Verzerrung umso größer, je weiter der Abstand vom Nadir, je größer die Höhendifferenz zum Nadir, je niedriger die Flughöhe
Luftbild - Begriffe (1/2)
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Nadirpunkt (N)
Bildmittelpunkt (H oder M oder N')
Übertragener Bildmittelpunkt
Brennweite (f)
Flughöhe (H)
Aufnahmebasis (b)
Bildbasis (b')
Maßstabsberechnung
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Bildmaßstab variiert mit der Höhenlage im Verhältnis zum Bildmittelpunkt/Nadir:
Mb = Mk x Sk / Sb
Mb = Bildbasis b´/ Aufnahmebasis b = Brennweite f / Flughöhe hg
b´ = Strecke der Bildmittelpunkte [H1H2 (+ H1´H2´)] / 2
Parallaxe (1/2)
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physiologische Parallaxe α ~ scheinbare Verschiebung des Objekts vor dem Hintergrund
Horizontalparallaxe ist das lineare Maß der scheinbaren Lageverschiebung auf der Netzhaut (Sl - Sr)
Tiefenunterscheidungsvermögen - Stereosehschwelle
Stereosehen
Anaglyphenbild - Bi-Color Brille (z.B. Rot-Grün)
Stereoskop - stereoskopischer Effekt - Stereobildpaar mit 60% Überdeckung
Funktion des Stereoskops (1/2)
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Konvergenz und Akkomodation des Augenapparates entkoppelt
Sammellinse des Gerätes übernimmt die Akkomodation
Parallaxe hierdurch unterschiedliche Aufnahmeposition hervorgerufene scheinbare Lageverschiebung
– p = H1A´ - (- H2A´´) parallel zur Bildachse gemessener Abstand des Punktes A´ bzw. A´´ vom jew. Bildmittelpunkt
Differenz Abstand Bildmittelpunkte H1H2 - Abstand Bildpunkte A´A´´
– p = H1H2 - A´A´´
Linsenstereoskop - Spiegelstereoskop
Überhöhung (1/2)
Verkürzung des horizontalen Maßstabs im Vergleich zum unveränderten vertikalen Maßstab
• Überhöhungsfaktor zu ermitteln aus dem Verhältnis Flugbasis / Flughöhe
• Überhöhungstabelle erlaubt Umrechnung der scheinbaren in die wahre Hangneigung
• pseudoskopischer Effekt
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Höhenbestimmung (1)
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aus der radialen Versetzung oder aus Schattenlängen
mit der Methode ´Stellingwerf´ (DIETZ 1981:83)
mit Hilfe des Stereomikrometers (Prinzip der wandernden Marke)
– Berechnung der Parallaxendifferenz /\ p (mm)
– durch mehrfaches Messen für Fußpunkt A und oberen Punkt B
– (genauer als Bestimmung mit Lineal!)
– Mikrometerschraube scharf stellen mit Kreuzhälften, abzulesen mit Kreis
Verfahren hat nur Näherungscharakter zwischen naheliegenden Punkten (Böschungs- u. Gebäudehöhen u.ä.)
/\ p < 3mm.
zur Fehlerdiskussion WEIMANN 1984:84f.
Stereokartiergeräte bieten vollständige Lösung der Meßaufgabe
Höhenbestimmung (2)
Höhenunterschied
/\ h = /\ p x hg / ( b´ + /\ p)
Hangneigung
tan α = /\ h / s
Geländestrecke
Flughöhe
s = hg x sb / f
hg = f x s / sb
hg = f / Mb
hg = Flughöhe über Grund
b´ = Bildbasis (Strecke H1H2)
s = Geländestrecke zur Bildstrecke AB
sb = Bildstrecke AB
f = Brennweite (= Kammerkonstante)
bei s, sb möglichst das Mittel aus 2 Diagonalstrecken
Korrektur reliefbedingter Lagefehler
Berechnung für Einzelpunkte
Lagefehler /\ r´
= r´ x /\ z / (hg - /\ z)
– r´
= Entfernung des Bildpunktes zum Bildmittelpunkt
– hg
= Flughöhe
– /\ z
= Objekthöhe über NN - Höhe Nadir über NN
Entzerrung von Einzelpunkten im Stereomodell nach MÜHLFELD (bei DIETZ 1981:79, 80)
• Markieren der Bildmittelpunkte H1 u. H2 und übertragen in das korrespondierende Luftbild
• Markieren des zu entzerrenden Punktes in beiden Luftbildern: A´ und A´´
• auf Transparent: Einzeichnen der Bildbasis b´ = H1H2 sowie je einen Strahl H1A´ und H2A´´
! die beiden Strahlen schneiden sich in Punkt A, der entzerrten Position
Aero-Triangulation = Entzerrung mehrere Stereomodelle umfassenden Gebiets mit Paßpunkten
• mit Arundel Methode oder mit Einzelschablonen (DIETZ 1981:80-82, LÖFFLER 1994:106)
Entzerrung für Übertrag in Karte
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Aufgabe nur für (annähernd) ebenes Gelände lösbar
bzw. benötigt vorherige Korrektur der reliefbedingten Lagefehler
Papierstreifenverfahren (=Vierpunktverfahren): Umzeichnung von Punkten (ALBERTZ 1991:128)
Verfahren der projektiven Netze (ALBERTZ 1991:129)
Luftbildumzeichner:
Stereo-Zoom-Transfer-Scope / Entzerrungsgerät (ALBERTZ 1991:130)
Analoge Kartenherstellung
Stereokartierung (ALBERTZ 1991:133ff.)
• mit Stereokartiergeräten (z.B: ZEISS Stereocord G 3, Planicomp P 1)
• im Stereomodell sucht Auswerter mit der wandernden Marke zu kartierende Punkte auf
• Lagekoordinaten dieser Bewegungen auf die Zeichenfläche übertragen ! Ableitung einer senkrechten Parallelprojektion
Differentialentzerrung
• mit Orthoprojektor (ALBERTZ 1991:136)
• Kombination von Entzerrung und Stereoauswertung = gelände- und projektionsbedingte Entzerrung
• winzige Abschnitte werden durch Vergleich mit dem Zentralpunkt umkopiert
• inzwischen auch digital lösbar (vgl. 2.2)
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2.2 Digitale Photogrammetrie
Paßpunkt-Transformation
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Ground Control Points, GCP mit bekannten Koordinaten
affine, polynomiale, stückweise affine sowie planar-projektive Transformation
Ermittlung mathematischer Funktion, die jedes Bildelement in Ziel-Koordinatensystem transformiert.
Monoplotting
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1 Bild + DGM
3-D Koordinaten (X,Y,Z) von linien- oder punktförmigen Objekten aus Einzelbildern gewonnen
Orthofotoherstellung (1)
Stereopaar, DGM
Innere Orientierung:
• Rekonstruktion gegenseitiger Lage zwischen der Bildebene und dem Projektionszentrum
Äußere Orientierung:
• Rekonstruiert Lage des Aufnahmesystems (Luftbildkamera) zum Belichtungszeitpunkt
• in der Regel durch Paßpunkte und sowie "räumlichen Rückwärtsschnitt" (Aerotriangulation)
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Softcopy-Photogrammetrie
3. Digitale Bildverarbeitung
Einführung
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Rohdaten der Fernerkundung durch digitale Bildbearbeitungsschritte für eine Interpretation vorbereiten und optimieren
einfache Kontrastverstärkungen bis zu komplexen Analyse der Bild- oder Spektralsignaturen
Bildmatrix
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mathematische Transformation der Ursprungsmatrix in eine neue Bildmatrix
geometrische Transformationen
radiometrische Transformationen
monochrom panchromatisch oder multispektral chromatisch
Bildkorrektur
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Geometrische Fehler
Radiometrische Fehler
echte Fehler (STRIPING, BANDING, LINE DROPOUT)
Bildverbesserung (Image Enhancement)
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Prozeß, einen digitalen Datenbestand leichter interpretierbar zu machen
Histogramm
Minimaler und maximaler DN-Wert
mittlerer Grauwert
Standardabweichung und Varianz
Einfache Bildverbesserung (radiometric enhancement)
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'Kontrastdehnen'
'Look Up Tables' (LUT) - 'LUT-strech'
Gaußsche Streckung / Standardabweichung-Streckung
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Übung - Histogramm
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ArcView Extensions: Image Analysis, IMAGINE Image Support
Spectral Enhancement (1/2)
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Arithmetische Pixeloperationen
Summen- und Differenzbildung:
Ratiobildung, insbes. Vegetationsindex bzw. Standardisierter Vegetationsindex (SDV/NDVI)
Übung - Vegetativ Index
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ArcView Extensions: Image Analysis
Komplexe Pixeloperationen
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Hauptkomponenten-Transformation
Spektrale Verschneidung
Farbraumtransformationen
Filterung (Spatial enhancement)
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Werte von Rasterzellen werden in Abhängigkeit von umgebenden Pixeln verändert.
Koeffizientenmatrix
Filtertypen (1)
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Filtermatrizen (kernel)
gleitende Fenster (moving window)
high pass filter
low pass filter
bewegter oder gleitender Mittelwert (moving average)
Median-Filter
kantenverstärkende Sobel- oder Laplace-Operatoren
Übung - Filter
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ArcView: Image Analysis Extension
Sharpen: 5x5 matrix
Smooth: 3x3 matrix
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