Das neue, paneuropäische Höhenmodell der Europäischen Kommission für GMES Dienste EU-DEM

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1 Das neue, paneuropäische Höhenmodell der Europäischen Kommission für GMES Dienste EU-DEM Andreas KEIM und René GÜNZKOFER Zusammenfassung Intermap Technologies erstellt derzeit das neue EU-DEM, ein flächendeckendes, digitales Höhenmodell (DHM) für das Gebiet der 32 Mitgliedsländer und 6 teilnehmenden westlichen Balkanländer der Europäischen Umweltagentur (EUA 38). Das EU-DEM wird der Europäischen Kommission als Höhendatengrundlage im europäischen Erdbeobachtungsprogramm GMES dienen. Vor allem die GMES Kerndienste LMCS (Umweltbeobachtung) und ERCS (Katastrophenmanagement & Sicherheit) sollen damit unterstützt werden. 1 Einleitung Mit dem Inkrafttreten des Vertrages von Lissabon am 1. Dezember 2009 ist die Europäische Union weiter zusammengewachsen und dadurch die Rolle Europas in der Welt gestärkt worden. Die im Vertrag geregelten Änderungen und Neuerungen betreffen u.a. gemeinsame Umwelt- und Sicherheitsthemen und somit auch indirekt die EU-Initiative zur globalen Überwachung von Umwelt und Sicherheit (GMES 1 ). Bei der paneuropäischen Nutzung von Höhenmodellen als GMES Datengrundlage ist die fehlende Einheitlichkeit bei Datenqualität, Abdeckung und Lizenzierung ein großes Problem. Das in diesem Beitrag diskutierte sogenannte EU-DEM geht zurück auf ein offenes Ausschreibungsverfahren der Europäischen Kommission. Mitte 2009 war sie auf der Suche nach einer kostengünstigen und schnellen Lösung für die Erstellung raumbezogener Referenzdaten für Europa, die mittels eines ersten GMES-Dienstes zugänglich gemacht werden sollen. Als Referenzdaten sollten zunächst flächendeckende Hydrographie- und Höhendaten dienen. Die gestrichelte Linie in Abbildung 2 veranschaulicht die Komponenten dieses Dienstes. Das abzudeckende Projektgebiet (EUA 38) umfasst dabei eine Gesamtfläche von ca. 5,84 Mio. km² (vgl. Abb. 1). Als Teil eines multi-nationalen Konsortiums unter der Leitung von Indra Espacio unternimmt Intermap die innovative Zusammenführung von ASTER GDEM (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) und SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) zur Generierung dieses neuen, hybriden EU-DEMs. Die präzisen NEXTMap Europe Höhendaten der Firma Intermap (MERCER 2009) dienen dabei der Verbesserung des aus den genannten Satellitendaten fusionierten Höhenmodells. 1 Seit dem 16. September 2008 auch unter dem Namen Kopernikus bekannt.

2 Das neue, paneuropäische Höhenmodell der EC für GMES Dienste EU-DEM 851 EUA Mitgliedsländer Kooperierende Länder Abb. 1: Abdeckungsgebiet für das EU-DEM (EUA 38 Länder) Abb. 2: Entwurf des Gesamtkonzepts für einen ersten GMES Referenzdaten-Zugangsservice (Quelle EUROPÄISCHE KOMMISSION 2009)

3 852 A. Keim und R. Günzkofer 2 Datengrundlage ASTER ist ein passives, multispektrales Fernerkundungsinstrument, welches seit 1999 auf dem Terra Satelliten im Einsatz ist und seitdem die Erdoberfläche bis auf die Polregionen flächendeckend erfasst hat. Das ASTER Global Digital Elevation Model (GDEM) wurde gemeinsam vom japanischen Ministerium für Wirtschaft, Handel und Industrie (METI) und der Nationalen Luft- und Raumfahrtbehörde der USA (NASA) aus ca. 1,5 Mio. Einzelszenen automatisiert mittels Stereobildkorrelation erstellt. Die Original GDEM Daten sind Eigentum von METI und NASA, werden aber für bestimmte GEOSS 2 Anwendungen seit Ende Juni 2009 frei zur Verfügung gestellt (JPL o. J.). Im Gegensatz dazu stammen die SRTM-Daten aus einer interferometrischen RADAR- Mission, aufgenommen mit dem Space Shuttle Endeavour an 11 Tagen im Februar Nähere Informationen hierzu und zur Genauigkeit der abgeleiteten Höhendaten sind bei RODRIGUEZ et al zu finden. 3 Methode der EU-DEM Erzeugung Im Augenblick kann kein bestehender oder in naher Zukunft verfügbarer Höhendatensatz die Anforderungen bezüglich Abdeckung und Genauigkeit komplett erfüllen. Die Herausforderungen, welche durch den Mangel an Konsistenz, Abdeckung, Aktualität und Genauigkeit in den Höhendatensätzen entstehen, stellen ein massives Problem bei der zeitnahen Bereitstellung von paneuropäischen Höhendaten dar. Die für die Erstellung des EU-DEMs angewandte innovative Methode vereint die Vorteile beider digitaler Oberflächenmodelle (DOMs), unterstützt durch die hohe Genauigkeit der NEXTMap Daten und verbessert mithilfe weiterer, neuartiger Hydrographie-Daten. Eine Übersicht über die wichtigsten Spezifikationen zeigt Abbildung 3. GDEM SRTM-3 EU-DEM NEXTMap Europe DHM Typ DOM DOM DOM DOM+DGM Dateiformat GeoTIFF, signed 16bit DTED1, signed 16bit GeoTIFF, signed 32bit BIL mit HDR, signed 32bit Koordinaten geographisch geographisch geographisch geographisch Datum (X,Y) WGS84 WGS84 ETRS89 ETRS89 Datum (Z) WGS84 WGS84 EVRS2000 EVRS2000 Geoid EGM96 EGM96 EGG08 EGG07 Kachelgröße ,5' 7,5' Rasterweite 1" 3" 1" 0,15" Abdeckung 83 N 83 S 60 N 56 S EUA Länder Vert. Genauigkeit (1σ) 7~14 m 10 m 7 m 1 m Abb. 3: Produktspezifikationen 2 Global Earth Observation System of Systems.

4 Das neue, paneuropäische Höhenmodell der EC für GMES Dienste EU-DEM 853 SRTM GDEM Datenaufbereitung Vertikale & horizontale Korrektur NEXTMap Automatisierte Datenfusion Harmonisierung EU-DEM / Hydrographie Manuelle Überarbeitung & Qualitätslenkung Hydro-Layer IMAGE200x Validierung Abb. 4: Arbeitsschritte der EU-DEM Generierung Datenaufbereitung Bevor die eigentliche Datenfusion stattfinden kann, müssen die Eingangsdaten in verschiedenen Schritten entsprechend aufbereitet werden. Hierzu zählen: 1. Entfernung von Gebieten, die im GDEM aus weniger als 5 Szenen generiert sind 2. Konvertierung der Dateiformate zu BIL 3. Vereinheitlichung der Rasterweiten auf 1" (SRTM und NEXTMap Daten) 4. Datumtransformation mittels Geoid-Anpassung von EGM96 zu EGG08 5. Wiederherstellen der ursprünglich mit SRTM gefüllten GDEM voids 6. Identifizierung und Entfernung von extrem abweichenden GDEM Daten Zu 1.) Es gibt einen Zusammenhang zwischen der Anzahl an Szenen, die für die Geländemodellerstellung verwendet wurden, und der zu erwarteten Genauigkeit. Interne Tests ergaben, dass dieser Schwellenwert bei fünf liegt, d.h. in Gebieten mit fünf oder mehr Szenen ist das GDEM in der Regel konsistent. Deshalb werden für die EU-DEM Generierung alle Gebiete bestehend aus weniger als fünf Szenen von der Berechnung ausgeschlossen. Zu 5.) Die voids im GDEM wurden mit SRTM-3 v2 und v3 Daten automatisiert gefüllt. Da die beiden Datensätze allerdings nicht vor dem sog. void filling vertikal angepasst wurden, sind diese Stellen oftmals durch Höhensprünge erkennbar. Diese gefüllten void Bereiche sind für jede Kachel in einem sog. QA File dokumentiert und werden vor der weiteren Verarbeitung wiederhergestellt. Vertikale & horizontale Korrektur Da verschiedene Untersuchungen ergeben haben, dass die GDEM Daten sowohl einen horizontalen als auch vertikalen Versatz aufweisen, soll dieser ebenfalls zur Steigerung der Genauigkeit korrigiert werden. Hierzu werden die einzelnen GDEM Kacheln automatisiert mit den präziseren NEXTMap Europe DOM Daten (horizontal) bzw. SRTM Daten (vertikal) korreliert. Der gemittelte Versatz aus allen Kacheln wird im Anschluss entsprechend korrigiert.

5 854 A. Keim und R. Günzkofer Automatisierte Datenfusion Die GDEM Daten (Version 1) haben im Gegensatz zu SRTM eine größere Gebietsabdeckung bei einer höheren Rasterweite. Sie enthalten allerdings auch noch zahlreiche Artefakte, die im Validierungsbericht von METI/ERSDAC et al. (2009) als residual clouds, bumps, pits und mole runs beschrieben werden. Diese Artefakte sind im flachen Gelände ausgeprägter als im gebirgigen. SRTM enthält dagegen zahlreiche voids in gebirgigem Gelände aufgrund von Radarschatten. Mithilfe eines geländeneigungsabhängigen, gewichteten Mittelungsverfahrens werden beide Datensätze fusioniert und zwar in der Form, dass für flache Gelände ein höheres Gewicht auf den SRTM Daten liegt, wohingegen in stärker reliefiertem Terrain der Schwerpunkt eher auf dem GDEM liegt. Bei diesem Verfahren werden zahlreiche der oben genannten GDEM Artefakte eliminiert sowie voids entsprechend gefüllt. Für die Gebiete nördlich von 60 N wurden DGM Daten, abgeleitet aus russischen, topographischen Karten, vom JRC als Ersatz für die fehlende SRTM Abdeckung zur Verfügung gestellt. Harmonisierung des EU-DEM und der Hydrographie-Daten Weitere Anforderung an das EU-DEM sind: Meeresflächen auf 0 m gesetzt Wasserflächen geglättet Flüsse breiter 50 m werden geglättet und gestuft, so dass ein korrekter, monotoner Abfluss ermöglicht wird Hierzu werden Hydrographie-Daten, die von der Firma Aerogeodezijos Institutas (AGI) aus Litauen im Rahmen desselben EU-Projektes für EUA 38 erstellt und zur Verfügung gestellt werden, automatisiert in das EU-DEM eingebrannt. Als Datengrundlage für diesen Hydrographie-Datensatz dienen IMAGE2006/09 Daten sowie bestehende Datensätze wie ECRINS und CCM. Manuelle Überarbeitung & Qualitätslenkung In einem letzten Arbeitsschritt werden alle Kacheln mithilfe der proprietären Interferometric Editing Software (IES), die bereits erfolgreich für Intermap s NEXTMap Produktion zum Einsatz kam (ASSELIN 2005), interaktiv kontrolliert bzw. korrigiert und verbleibende Pits und Bumps soweit eindeutig abgrenzbar in einer 3D-Stereo-Arbeitsumgebung entfernt. Validierung Abschließend wird die Genauigkeit des EU-DEM mittels verschiedener Referenzdaten validiert. Hierzu zählen neben frei verfügbaren, trigonometrischen Punkten auch LiDAR Daten sowie die eingangs erwähnten NEXTMap Daten. Basierend auf bereits bestehenden Untersuchungsergebnissen ist eine vertikale Genauigkeit von ca. 7 m RMSE angestrebt.

6 Das neue, paneuropäische Höhenmodell der EC für GMES Dienste EU-DEM Ausblick Die ersten EU-DEM Daten werden voraussichtlich im kommenden Jahr zur Verfügung stehen. Das Ziel dieses Projektes ist es, eine langfristige Basis für sowohl europäische als auch globale Referenzdaten zu schaffen, die in naher Zukunft flächendeckend zur Verfügung stehen werden. Hierzu zählen neben dem EU-DEM auch die erwähnten, neuen Hydrographie-Daten. Auch bleibt zu hoffen, dass in naher Zukunft ein verbesserter ASTER GDEM Datensatz mit einer geringeren Anzahl an Artefakten zur Verfügung steht, um damit die Gesamtqualität des EU-DEMs zu verbessern. Literatur ASSELIN, R. (2005): Building Intermap's Data Management System Interface Using ArcGIS Publisher and ArcReader. papers/pap1672.pdf ( ). EUROPÄISCHE KOMMISSION (2009): Call for Tenders No ENTR/2009/27: Implementation of an Initial GMES Service for Geospatial Reference Data Access &userservice_id=1&request.id=0 ( ). JET PROPULSION LABORATORY (o. J.): ASTER. ( ). MERCER, J. B. (2009): Countrywide Coverage of RADAR DTMs The Intermap Approach. In: FRITSCH, D. (Ed.): Photogrammetric Week Stuttgart, S ( ). METI/ERSDAC, NASA/LPDAAC, USGS/EROS (2009): ASTER Global DEM Validation Summary Report. ValidationSummaryReport_Ver1.pdf ( ). RODRIGUEZ, E., MORRIS, C. S., BELZ, J., CHAPIN, E., MARTIN, J., DAFFER, W. & HENSLEY, S. (2005): An Assessment of the SRTM Topographic Products, Technical Report JPL D Jet Propulsion Laboratory.