Airborne LaserScanning (ALS) zur Charakterisierung der Erdoberfläche

Transkript

1 Airborne LaserScanning (ALS) zur Charakterisierung der Erdoberfläche Dr. Markus Hollaus & I.P.F.-Team Christian Doppler Laboratory "Laser Scanning and Remote Sensing Institute of Photogrammetry and Remote Sensing Vienna University of Technology (TU Vienna)

2 Überblick ALS Systeme / Ableitung topographischer Modelle ALS versus Photogrammetrie Landbedeckungsinformationen aus ALS Daten Erfassung der vertikalen Waldstruktur Abschätzung von Waldparametern Oberflächennahe Vegetationsschicht Oberflächenrauigkeit 2 / 32

3 Airborne LaserScanning (ALS) Direkte Messung eines Geländepunktes über Laufzeitmessung eines ausgesandten Impuls Kontinuierliche Bestimmung der äußeren Orientierung (Sensorposition u. stellung) mittels GPS und IMU Erdoberfläche wird Punkt für Punkt abgetastet (=gescannt) Hollaus, M., Schadauer, K. and Dorigo, W. (2008). Kommt der gläserne Wald? Forstzeitung 119(2): / 32 Laserpulsrate: Zeilenrate: Flughöhe: Höhengenauigkeit: Lagegenauigkeit 266 khz 400 Hz 0,5 6km, typ. 0,5 1,5km ~ 5 15cm < 50cm

4 ALS - Systeme Gauss sche Zerlegung Detektion der Echos mittels ausgleichenden Glockenkurven Information pro Echo: Amplitude P [DN] Entfernung R [m] Echobreite s p [ns] P M. Doneus, C. Briese, M. Fera, M. Janner: Archaeological prospection of forested areas using full-waveform airborne laser scanning"; Journal of Archaeological Science, 35 (2008), 4; R s p 4 / 32 Wagner, W., et al. (2006). "Gaussian decomposition and calibration of a novel small-footprint full-waveform digitising airborne laser scanner." ISPRS Journal of Photogrammetry & Remote Sensing 60(2):

5 Orthophoto FWF-ALS Informationen Entfernung Amplitude DSM Wagner, W., et al. (2008). "3D vegetation mapping using small-footprint full-waveform airborne laser scanners." Int. Journal of Remote Sensing 29(5): / 32 wide echo short echo Echobreite Rückstreuquerschnitt

6 FWF-ALS DTM Verbesserung Vorklassifizierung der Letztechos mittels Echobreiten Traditional DTM wide echo small bushes short echo DTM improvement: - removal of low vegetation Mücke (2008): Analysis of full-waveform airborne laser scanning data for the improvement of DTM generation. Diplomarbeit am IPF, TU-Wien. 6 / 32

7 ALS Daten: DSM, DTM, ndsm DSM höchster Punkt innerhalb einer Rasterzelle gleitende Schrägebenen DTM Klassifizierung der Bodenpunkte Interpolation der Geländeoberfläche ndsm Subtraktion des DTM vom DSM Quantitative Messgröße 7 / 32

8 ndsm Objekthöhen Landesvermessungsamt Feldkirch 8 / 32

9 Aufnahmeverfahren topographischer Daten A K T I V Airborne Laserscanning P A S S I V Photogrammetrie 9 / 32

10 Laserscanning versus Photogrammetrie normalisiertes Oberflächenmodell Orthophoto ndsm Landesvermessungsamt Feldkirch 10 / 32

11 Landbedeckung aus ALS Daten: DSM Landesregierung Kärnten 11 / 32

12 Landbedeckung aus ALS Daten: Echo Ratio Echo ratio: Verhältnis der Anzahl der Echos in einer 3D Nachbarschaft zur Anzahl der Echos in der 2D Nachbarschaft [%] Mücke et al. 2009: Detection of building regions using airborne LiDAR A new combination of raster and point cloud based GIS methods. GI-Forum 09, Salzburg. Landesregierung Kärnten 12 / 32

13 Landbedeckung: Gebäude- und Vegetationslayer Landesregierung Kärnten 13 / 32

14 Landbedeckung aus ALS & Orthophotos Objektbasierte Klassifizierung basierend auf ALS Daten (ndsm) und Orthophotos CIR Orthophoto ALS Höhen (ndsm) Landbedeckung Hollaus et al. (2005) Advances in Geosciences, 5, / 32

15 Baumartenklassifizierung mittels FWF-ALS maps.live.com Gesamtgenauigkeit bei Unterscheidung in: Buche, Fichte und Lärche: 75% Laub- und Nadelwald: 83% 15 / 32 Hollaus, M., Mücke, W., Höfle, B., Dorigo, W., Pfeifer, N., Wagner, W., Bauerhansl, C. and Regner, B., 2009b: Tree species classification based on full-waveform airborne laser scanning data. Silvilaser 2009, October 14-16, College Station, Texas, USA. ALS Daten zur Verfügung gestellt vom Amt der Niederösterreichischen Landesregierung, Gruppe Baudirektion, Abteilung Vermessung und Geoinformation

16 Position, Höhe & KronenØ von Einzelbäumen Kanten-basierte Segmentierung von Baumkronen Kronendurchmesser Baumhöhe Waldfläche / Waldlücken ALS Daten zur Verfügung gestellt von Flycom, Slowenien 16 / 32

17 Waldlücken GIS-basierte Analyse von Neigungskarte & Waldmaske z.b. Ausweisung potentieller Waldlawinen-Anrissgebiete ( Maier, B. & Hollaus, M., 2008: Waldstrukturerfassung mittels Laserscanning im Schutzwald. Kleine Waldzeitung des Vorarlberger Waldvereines 3:9-11) 17 / 32

18 Überschirmungsgrad / vertikale Struktur Segmentierung des ndsms Höhenklassen Klassifizierung von Waldbeständen anhand der Höhenklassenverteilung Bestandes-Strukturtyp ( Maier, B. & Hollaus, M., 2008: Waldstrukturerfassung mittels Laserscanning im Schutzwald. Kleine Waldzeitung des Vorarlberger Waldvereines 3:9-11) 18 / 32 (Maier B. 2007: Characterising Mountain Forest Structure using ALS. Master thesis)

19 Verdichtung von Waldinventurstichproben mittels ALS 19 / 32 Landesvermessungsamt Feldkirch & Stand Montafon Forstfonds

20 Holzvorrat für Laub- und Nadelwald Getrennte Holzvorratsmodelle für Laub- und Nadelwald maps.live.com Hollaus, M., Mücke, W., Höfle, B., Dorigo, W., Pfeifer, N., Wagner, W., Bauerhansl, C. and Regner, B., 2009b: Tree species classification based on fullwaveform airborne laser scanning data. Silvilaser 2009, October 14-16, College Station, Texas, USA. 20 / 32

21 Bodennahe Vegetationsschicht DSM DTM 21 / Meter ALS Daten zur Verfügung gestellt von der MA41, Wien

22 Bodennahe Vegetationsschicht Analyse der Punktdichte für unterschiedliche Höhenschichten Anz. Laserpunkt e h Anz. Laserpunkte h 2.0 m 0.2 m beschreibt Durchlässigkeit der bodennahen Vegetationsschicht H < 2.0 m H < 0.2 m Hollaus, 2008: Vegetationsinformation aus Laserscanning. "Fernerkundung in der Hydrologie und Wasserwirtschaft", ISBN: ; 22 / 32

23 Bodennahe Vegetationsschicht - Echoratio Orthophoto Anz. Laserpunkt e h Anz. Laserpunkte h 2.0 m 0.2 m > ALS Daten zur Verfügung 0 30 Meter gestellt von der MA41, Wien Hollaus, 2008: Vegetationsinformation aus Laserscanning. "Fernerkundung in der Hydrologie und Wasserwirtschaft", ISBN: ; 23 / 32

24 Bodennahe Vegetationsschicht - Echobreite Orthophoto Echobreiten der bodenn. Echos Dz<0.2m >5.0ns <3.8ns ALS Daten zur Verfügung 0 30 Meter gestellt von der MA41 Hollaus, 2008: Vegetationsinformation aus Laserscanning. "Fernerkundung in der Hydrologie und Wasserwirtschaft", ISBN: ; 24 / 32

25 Bodennahe Vegetationsschicht Orthophoto. Untersuchungsgebiet Kolbeterberg, Wienerwald. MA41, Wien. 25 / 32

26 Standardabweichung von Echos ( m) Stddev. der normalisierten Höhen [m] > 0.5 m 0.0 m Shading des DTMs überlagert mit der Standardabweichung der normalisierten Höhen der bodennahen Echos in Würfeln von horizontal: 1.0 x 1.0 m x vertikal: m über DTM. MA41, Wien. Stddev. dz DTM 26 / 32

27 Standardabweichung von Echos (<0.5m) Stddev. der normalisierten Höhen [m] > 0.2 m 0.0 m Shading des DTMs überlagert mit der Standardabweichung der normalisierten Höhen der bodennahen Echos in Würfeln von horizontal: 1.0 x 1.0 m x vertikal: m über DTM. MA41, Wien. 27 / 32

28 Shading von DSM aus Echos (<0.5m) Baumstämme Liegende Stämme Schmaler Forstweg rot: Forstswege; Flächenmehrzweckkarte, MA41, Vienna 28 / 32

29 Beispiel: Bucklige Welt - Orthophoto Daten zur Verfügung gestellt vom Amt der Niederöster-reichischen Landesregierung, Gruppe Baudirektion, Abteilung Vermessung und Geoinformation 29 / 32

30 Bucklige Welt Shading von DSM aus Echos <3.0m Daten zur Verfügung gestellt vom Amt der Niederöster-reichischen Landesregierung, Gruppe Baudirektion, Abteilung Vermessung und Geoinformation 30 / 32

31 Bucklige Welt - Standardabweichungen Stddev. der normalisierten Höhen [m] m Daten zur Verfügung gestellt vom Amt der Niederöster-reichischen Landesregierung, Gruppe Baudirektion, Abteilung Vermessung und Geoinformation 31 / 32

32 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! 32 / 32