Mythos True Orthophotos Vom Sinn und Unsinn eines Produkts

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1 Mythos True Orthophotos Vom Sinn und Unsinn eines Produkts ALBERT WIEDEMANN 1, PATRICK WICKI 2 Zusammenfassung: Der Begriff True Orthophoto ist missverständlich. Trotz Definition in der DIN werden die unterschiedlichsten Definitionen verwendet und obskure Abwandlungen in Umlauf gebracht. Es wird häufig vernachlässigt, dass als Grundlage für die Berechnung eines True Orthophoto eine komplette und detaillierte Modellierung der Objektoberfläche erforderlich ist. Dabei gelten für Vegetation und künstlich geschaffene Objekte (Gebäude, Brücken) unterschiedliche Voraussetzungen. Ziel des Papers ist es Klarheit in die Begriffe zu bringen und Kenngrößen vorzuschlagen. 1 Der Begriff True Orthophoto Der Begriff True Orthophoto birgt eine Menge Missverständnisse in sich und führte bereits in der Vergangenheit zu Diskussionen (MAYR 2002, KRAUS 2002). In der photogrammetrischen Praxis stößt man immer wieder auf die Forderung nach einem True Orthophoto (=strenges oder richtiges Orthophoto). Nach KRAUS (2002) ist somit der Begriff True Orthophoto ein Pleonasmus oder Tautologie; wie ein weißer Schimmel. Einige Anbieter haben keine Hemmungen ein solches Produkt zu verkaufen, obwohl sie dies im strengen Sinn nicht erstellen können. Trotzdem klären sie die Kunden nicht darüber auf, was das bedeutet. Fragt man den Anbieter eines solchen Produkts, wird meist behauptet, dass im True Orthophoto alle Objekte lagerichtig, d. h. ohne lateralen Versatz abgebildet sind. Diese Behauptung kann so nicht stehen bleiben, denn sie ist eine bewusste Irreführung von Kunden. Zur Erzeugung eines True Orthophotos, in dem alle Objekte lagerichtig abgebildet sind, muss jeder im Bild sichtbare Objektteil im verwendeten Digitalen Oberflächenmodell repräsentiert sein. Während das bei Gebäuden in begrenztem Umfang machbar ist, scheitert dieser Anspruch in der Vegetation generell. Da selbst Objekte kleiner als die Bildauflösung im Bild sichtbar sein können (z.b. Leitungen), scheitert deren lagerichtige Abbildung auch dann, wenn man ein Digitales Oberflächenmodell mit der Auflösung des zu erstellenden Digitalen Orthophotos zu Grunde legt. Nach DIN ist ein True Orthophoto ein Orthophoto, in dem sichttote Räume weitgehend beseitigt sind. Am Nächsten kommt man dieser Forderung durch eine stark überlappende Befliegung und der Modellierung der Oberfläche aller Objekte deren Größe einen definierten Schwellwert überschreitet. Die Modellierung von Brücken und signifikanten Geländeformen ist bei heute üblichen Auflösungen selbstverständlich, die Modellierung von 1 Albert Wiedemann, BSF Swissphoto, Mittelstr. 7, D Schönefeld, albert.wiedemann@bsfswissphoto.com 2 Patrick Wicki, BSF Swissphoto, Dorfstr. 53, CH-8105 Regensdorf-Watt, patrick.wicki@bsfswissphoto.com

2 Gebäuden bedeutet einen beträchtlichen Zusatzaufwand, dessen Rechtfertigung in Diskussion mit dem Kunden erfolgen muss. Eine ausreichend detaillierte Modellierung der Vegetation hingegen ist nahezu unmöglich. Abb.1: Orthophoto Genf (Befliegung 2009 mit UCXp, 2009, 10 cm GSD, 80% Längs- und 70% Querüberdeckung), Verwendung nur der zentralen Bereiche der Bilder, maximale Verkippung nicht modellierter Objekte bei 17% der Objekthöhe Besonders problematische Begriffe sind die Ausdrücke Nearly True Orthophotos oder Quasi True Orthophoto, also fast wahre Orthophotos, mit dem Orthophotos von Zeilenkameras manchmal verkauft werden. Die Tatsache, dass Zeilenkamerabilder nur eine Verkippung quer zur Flugrichtung haben, ändert nichts an dem Fakt, dass es Verkippungen gibt, die sich nur durch großen Befliegungsaufwand mit hoher Querüberlappung reduzieren lassen.

3 2 Oberflächenmodellierung Zur Modellierung der Oberfläche stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Die Abbildung der Oberfläche mit Vektoren, die Erzeugung von Oberflächenmodellen aus LiDAR/SAR/INSAR-Daten oder mittels Punktzuordnungsverfahren. Der zusätzliche Aufwand für die Erzeugung der erforderlichen Oberflächenmodelle ist in der selben Größenordnung anzusiedeln, wie der Produktivitätsgewinn, den Orthophotos gegenüber großmaßstäbigen manuellen Kartierungen (Stereoauswertungen) haben. Da die Qualität eines True Orthophotos stark abhängig von der Qualität der Modellierung ist, kann dieser Aufwand aber nicht beliebig reduziert werden, wie die nachfolgende Abbildung zeigt. Abb. 2: Luftbild Notredame Paris, 18 cm GSD Abb. 3: Versuch eines True Orthophoto auf der Basis eines DSM mit 1 m Gitterweite unzureichende Modellierung & Doppelabbildungen 2.1 Oberflächenmodell aus 3D-Vektordaten Die vektorielle Modellierung erfordert die komplette dreidimensionale Erfassung der Oberfläche. Dies wird für Gebäude bereits seit einiger Zeit in unterschiedlichen Detailstufen praktiziert (AMAHR et al.1998, BRAUN 2003, HABIB et al. 2007). Der Aufwand ist vergleichbar mit der Datenerfassung für 3D Stadtmodelle, müssen doch die kompletten Dachflächen inkl. Aufbauten

4 und die Vegetation (Baumkronen etc.) erfasst werden. Linienartige Strukturen wie einzelne Äste, Masten, Leitungen, Kabel und Zäune können dabei aber nicht berücksichtigt werden. Diese verursachen Störungen in den Orthophotomosaiken, die häufig durch manuelles Editieren der Mosaike wegretouchiert werden. 2.2 Oberflächenmodell aus LIDAR-Punktwolken Häufig werden Punktwolken aus Laserscannerdaten (ALTM) zur Erstellung eines DSM für die Generierung von True Orthophotos verwendet (HABIB & KIM 2006). Die Grenzen der Methode liegen aber in der meist geringeren Auflösung der Laserdaten gegenüber dem Luftbild, lokalen Ungenauigkeiten und sichttoten Räumen, welche durch Abschattungen entstehen können. Wird z.b. versucht mit einem LIDAR-Oberflächenmodell, welches eine Punktdichte von 4 Punkten pro m 2 aufweist, ein True Orthophoto von 20 cm GSD zu erzeugen, werden krumme oder ausgefranste Gebäudekanten entstehen (Abb. 4). Dies lässt sich nur durch aufwändige, meist manuelle Nachbearbeitung der Oberflächenmodelle kompensieren. Eine Alternative wäre Scanning in der Auflösung des zu erzielenden True Orthophotos, in diesem Beispiel 25 Punkte pro m 2. Dies ist jedoch aus Kostengründen kaum realisierbar. Eine machbare, aber mit begrenzter Auflösung einhergehende Strategie ist die Verwendung multi-spektraler Laserscanner und deren Intensitätswerte. Dabei werden aber nur die Intensitätswerte des Laserscanners verwendet, denn diese sind eindeutig und widerspruchsfrei einer Objektkoordinate zugeordnet. Abb. 4: Versuch eines True Orthophoto auf der Basis von LiDAR-Daten 2.3 Oberflächenmodell mittels Punktzuordnungsverfahren Das DSM kann auch durch automatische Punktzuordnung (Korrelation, Matching) erstellt werden. Die traditionellen Punktzuordnungsverfahren mit flächenbasiertem Ansatz legen eine Mustermatrix von z.b Pixel zugrunde. Dies führt praktisch zu einer Glättung in der Größenordung der Größe der Mustermatrix, und resultiert in gerundeten und unscharfen Kanten an den Unstetigkeitsstellen des DSM. Moderne Verfahren wie Semi-Global Matching (HIRSCHMÜLLER 2005) liefern zwar nominell Oberflächenmodelle in der geometrischen Auflösung der vorliegenden Bodenauflösung der Bilder, aber auch hier verschwinden kleine Strukturen. Zusätzlich verschwinden auch bewegliche Objekte, was zwar meist ein erfreulicher Nebeneffekt ist, andererseits aber dem Charakter einer objektiven Momentaufnahme widerspricht.

5 3 Mosaikbildung Neben der Modellierung der Oberfläche ist die Mosaikbildung der zweite problematische Schritt bei der Erzeugung von True Orthophotos. Die in einem Bild auftretenden sichttoten Bereiche müssen aus anderen, benachbarten Bildern gewonnen werden. Grundvoraussetzung ist eine hohe Überdeckung (Querüberdeckung > 50%) um jedes Objekt aus jeder Perspektive betrachten zu können (RAU et al., 2002). Dennoch können z.b. in engen Gassen sichttote Räume verbleiben. Andererseits bedeutet die Befliegung mit hoher Überdeckung aber eine Verschwendung von Bildmaterial. Im Schnitt werden bei 80% Längs- und 60% Querüberdeckung nur die zentralen 8% des Bildmaterials für die Erstellung der Orthophotos verwendet. Abb.5: Diverse Restfehler bei der Mosaikbildung Da heute bereits oft mit hoher Querüberdeckung und auch hoher Längsüberdeckung geflogen wird, ist die Verfügbarkeit alternativer Bilder meist kein Problem. Allerdings muss bedacht werden, das die einzelnen Bildpixel in der Regel mit ihren Nachbarpixeln korreliert sind, sei es durch Übersprechen der Sensorelemente, durch verwendete Bayer-Pattern oder Pan-Sharpening. Dies kann an der Grenze zwischen den zu verwendenden Bildbereichen zu Farbsäumen führen. Radiometrische und geometrische Restfehler beeinträchtigen die Ergebnisse weiter: Wie man

6 rechts des Gebäudes in Abb. 5 sehen kann verbleiben Helligkeitsunterschiede, Kanten und kleinere Geometriesprünge. Eine alternative Berechnungsmethode ist die Verwendung aller verfügbaren Farbwerte für die Erstellung des True Orthophotos. Dies bedeutet aber generell eine Mittelwertbildung und führt damit unweigerlich zu einem beträchtlichen Verlust an Schärfe im Ergebnis. Während sich in einem traditionellen Orthophoto in einem Wald sehr wohl die Struktur der Äste erkennen lässt, ist dies bei genereller Mittelung nicht möglich. Die Baumkrone wird zu einem grünen Fleck. Erforderlich ist also eine intelligente Mosaikbildung, die die vorhandenen Bilder und deren Blickrichtung für die Zusammenstellung des Mosaiks berücksichtigt, dabei aber weitgehend auf Mittelbildung verzichtet. Manuelle Arbeiten erlauben das zwar auch, stoßen da sehr schnell an ihre Grenzen. 4 Klare Begriffe Was soll mit diesem Aufsatz erreicht werden? Nicht die in der Produktion verwendeten Methoden sollen in der Kritik stehen gibt es doch Methoden, mit denen ansprechende Resultate erzeugt werden können sondern die Verwendung des unspezifischen Begriffs True Orthophoto. Wir begrüßen die Entwicklung hin zu lagerichtigen Orthophotos auf der Basis modellierter Oberflächenmodelle und die Anstrengungen, die von der Forschung und von den Software- Herstellern in diese Richtung unternommen werden. Den Interessenten an Dienstleistungen der Photogrammetrie dürfen aber keine Versprechungen gemacht werden, die nicht gehalten werden können. Es kann nicht sein, dass man relevante Informationen (Stromleitungen, Details der Vegetation) verschwinden lässt, um dem Kunden die Grenzen der Modellierung zu verschleiern. Zu umfangreiche Eingriffe in das Ergebnis der Orthophotoerstellung durch manuelles Editieren mit Photoshop machen aus einem objektiven Produkt ein subjektives Produkt, der Ingenieur wird zum Künstler. Ziel muss es sein, so nah wie möglich an der physikalischen Realität zu bleiben. Vielmehr appellieren wir dazu, einem potentiellen Kunden die Grenzen des Machbaren aufzuzeigen. Entscheidet sich der Kunde für ein Produkt mit den vorgängig diskutierten Einschränkungen, hat der Anbieter seine Pflicht erfüllt. Kann der Kunde diese Einschränkungen nicht tolerieren und wünscht ein Produkt, dass bezüglich sichttoten Räumen und Lagerichtigkeit höchste Anforderungen erfüllt, wird wohl ein True Orthophoto im Sinne der DIN angeboten werden. Dabei muss die Bezugsfläche, der Modellierungsumfang und die maximale tolerierbare Verkippung diskutiert werden. Dies kann an Hand einer geeigneten Graphik erfolgen, in der die Verkippung eines Objekts mit einer definierten Höhe in Abhängigkeit des Abstands vom Nadirpunkt dargestellt wird. Für jede Kamera, Bodenauflösung und Bildüberdeckung ist ein eigenes Diagramm erforderlich (Abb. 6).

7 Abb. 6: Darstellung der Gebäudeverkippung in Abhängigkeit vom Abstand zum Nadirpunkt und der Gebäudehöhe, Vexcel Ultracam D, GSD 20 cm, 60% Längs, 60% Querüberdeckung 5 Fazit Bei der Erzeugung von hochwertigen Orthophotos werden auch in der Zukunft weitere Fortschritte gemacht werden. Seriöse Anbieter sollten ihre Kunden über die Stärken und Schwächen der verwendeten Methoden informieren und den Begriff True Orthophoto nicht unspezifiziert verwenden. Transparenz ist die einzige Möglichkeit den Wert von Dienstleistungen zu verdeutlichen und als qualifizierter Berater und Partner aufzutreten. 6 Literaturverzeichnis AMAHR, F., JANSA, J. & REIS, CHR.., 1998: The Generation of True Orthophotos using a 3D Building Model in Conjunction with a concentional DTM. International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, Vol. 32, Part IV. BRAUN, J., 2003: Aspects of True-Orthophoto Produktion. Photogrammetric Week, Stuttgart, Wichmann HABIB, A.F & KIM, C.-J., 2006: LIDAR-Aided True Orthophoto and DBM Generation System. In: Alias A.-Rahman, S. Zlatanova and V. Coors: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography, Springer, 2006 HABIB, A.F.; KIM, E.-M. & KIM, C.-J., 2007: New Methodologies for True Ortohophoto Generation. Photogrammetric Engineering & Remote Sensing, Vol 73., No 1.

8 HIRSCHMÜLLER, H., 2005: Accurate and Efficient Stereo Processing by Semi-Global Matching and Mutual Information. IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), San Diego, CA, USA, June 20-26, KRAUS, K. 2002: Zur Orthophoto-Terminologie. Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformation, 6 (2002), MAYR, W. 2002: Bemerkungen zum Thema True Orthoimage, PFG 4/2002, pp RAU, J. Y., CHEN, N. Y. & CHEN, L. C. (2002). True Orthophoto Generation of Built-Up Areas Using Multi-View Images, Photogrammetric engineering and Remote Sensing, 68(6):