Aufbau eines Laserscanningdaten Informationssystems für das Landesvermessungsamt Feldkirch (Land Vorarlberg)

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1 Aufbau eines Laserscanningdaten Informationssystems für das Landesvermessungsamt Feldkirch (Land Vorarlberg) Frederic PETRINI-MONTEFERRI, Peter DREXEL, Christian GEORGES und Volker WICHMANN 1 Problemstellung Flugzeuggestütztes Laserscanning hat sich in den letzten Jahren zu einer zuverlässigen und operationell anwendbaren Methode für die großflächige (landesweite Datenaufnahme), hoch auflösende (> 1 Mio. Koordinatenmessungen pro km 2 ) und hochgenaue (vertikale Genauigkeit einer Punktmessung besser 0.15 m) Erfassung topographischer Information entwickelt (KRAUS 2003). Während die Aufnahmesysteme einen hohen technologischen Reifegrad und eine hohe operationelle Zuverlässigkeit erreicht haben, besteht für den Umgang und das Erschließen des gesamten Informationspotenzials der Laserscanningdaten noch Entwicklungsbedarf. Werkzeuge für ein Datenhandling beschränken sich vielfach auf begrenzte Datenmengen (vornehmlich im Rasterformat). Der enorme Speicherplatzbedarf von Laserscanningdaten im Punktformat erschwert eine Datenverwaltung für große Gebietsabdeckungen (z.b. Bundesländer). Somit kann derzeit das Potenzial von Laserscanningdaten im originalen Punktformat nur eingeschränkt in Wert gesetzt werden. Gerade eine blattschnittfreie Haltung der Punktdaten verlangt nach neuen Lösungskonzepten. 2 Ziele Vor diesem Hintergrund ist die Firma Laserdata vom Landesvermessungsamt Feldkirch beauftragt worden, ein Informationssystem für Laserscanningdaten zu entwickeln und die Laserscanningdaten von Vorarlberg zu integrieren. Dieses Laserdaten-Informationssystem (LIS) hat hinsichtlich seiner Funktionalität die Generierung von Subsets aus der blattschnittfreien Haltung der Punktdaten, die Extraktion von Profilen aus den Punktdaten, die Generierung von Rasterdatensätzen unterschiedlicher Auflösung, sowie den Export ausgedünnter Punktdatensätze zum Ziel. Die Nutzung des Systems soll über Intranet und Internet möglich sein und so die Verwaltung und Auswertung der dreidimensionalen Daten in einer Client-Server-Struktur erlauben. Zudem soll eine zentrale Datenhaltung ohne Redundanzen, ein dezentraler, externer Datenzugriff und eine einfache Skalierbarkeit des Systems gewährleistet sein.

2 48 F. Petrini-Monteferri, P. Drexel, C. Georges und V. Wichmann 3 Daten Resultat einer Laserscan-Messung ist eine Punktwolke aus Einzelmessungen in Form von 3D-Koordinaten (x,y,z) und gegebenenfalls weiterer Informationen wie der Intensität des rückgestreuten Lasersignals. Im Laufe der Weiterverarbeitung können für jeden Punkt zusätzliche Attribute (z.b. Klassifikation in Boden- bzw. Nicht-Bodenpunkt) generiert werden. Die Laserscanning-Punktdaten des Landes Vorarlberg wurden zwischen den Jahren 2001 und 2005 ersterfasst und besitzen eine mittlere Punktdichte von 2 Punkten pro m² über eine Fläche von 2700 km². Die Punktdaten liegen in den Klassen ground (Bodenpunkte), top (Oberfläche) und veg (Vegetation) vor. Die Datenerhebung und die damit verbundenen technischen Herausforderungen sind bei WÜRLANDER et al. (2005) beschrieben. 4 Umsetzung Das seitens der Firma Laserdata entwickelte Laserdaten-Informationssystem (LIS) und die darin implementierten Algorithmen bauen konzeptionell auf Grundlagen auf, die in Zusammenarbeit mit dem Institut für Geographie der Universität Innsbruck und dem alps Zentrum für Naturgefahrenmanagement erarbeitet worden sind (Höfle et al. 2005, Rutzinger et al. 2006). Die weiterentwickelten Komponenten des LIS sind vereinfacht in Abbildung 1 dargestellt. Abb. 1: LIS-Komponenten: LIS-Server mit Datenbank und Modulen zur Datenprozessierung sowie Benutzerzugang über ein Webinterface Das Informationssystem basiert auf einer PostgreSQL-Datenbank sowie der Erweiterung PostGIS, die eine Speicherung und Verwaltung von raumbezogenen Daten ermöglicht. Der Import der Laserscanningdaten des Landes Vorarlberg erfolgt nach einer Vorprozessierung und Qualitätskontrolle der Daten (z.b. Eliminierung redundanter Punkte im Hinblick auf eine blattschnittfreie Haltung) über das laserscanning-spezifische LAS-Format. Das LIS

3 Aufbau eines Laserscanningdaten Informationssystems 49 Datenmodell erlaubt die flexible Haltung von sowohl an die Datenaufnahme entlang von Flugstreifen (Befliegungskampagnen) angelehnten Datenstrukturen als auch von schon weiter verarbeiteten Daten (z.b. Blattschnitte). Derzeit sind rund 11 Mrd. Datenpunkte aus 5 Befliegungskampagnen konsistent und blattschnittfrei im System verfügbar. Der Speicherplatzbedarf der Datenbank liegt bei ca. drei Terabyte. Eine Indexierung der Daten ermöglicht schnelle Datenzugriffe. Zentrale Bestandteile des Laserdaten-Informationssystems sind spezielle Datenbankfunktionen sowie datenbankexterne Module zur Prozessierung der Laserscanningdaten. Sämtliche Module sind als eigenständige Applikationen implementiert. Die Benutzeroberfläche des LIS kann über jeden beliebigen Standard-Internet Browser aufgerufen werden, der Zugang wird über eine zentrale Benutzerverwaltung geregelt. Das Web-Interface basiert auf einem Webserver (Tomcat) mit integriertem Kartenmodul (UMN-MapServer) und ermöglicht eine benutzerfreundliche Datenselektion (z.b. über Interessensgebiete) und Parameterübergabe (z.b. von Profilbreiten, abzufragenden Klassen) an den LIS Server. 5 Beispiele zum Funktionsumfang 5.1 Blattschnittfreier Export von Punktdaten Ein beliebiger Ausschnitt der Laserscanning-Punktdaten kann als ASCII Datensatz (xyz Koordinaten) blattschnittfrei aus der Datenbank exportiert werden. In der Benutzeroberfläche wird dazu die zu exportierende Punktklasse ausgewählt (siehe Abbildung 2). a) Abb. 2: b) Export von Punktdaten: a) Eingabemaske, b) extrahierte Punktwolke

4 50 F. Petrini-Monteferri, P. Drexel, C. Georges und V. Wichmann Die räumliche Ausdehnung des Interessensgebietes kann im Kartenmodul eingezeichnet oder direkt per Koordinatenangabe definiert werden. Eine dritte Möglichkeit zur Festlegung des Interessensgebietes besteht in der Auswahl einer vorab vom Benutzer auf den LIS Server hochgeladenen Shape- oder Textdatei.. Der Benutzer kann den Status der Prozessierung verfolgen und das Ergebnis (ggf. gezippt) auf den lokalen Arbeitsplatz laden. 5.2 Berechnung von Profilen Auch Profile können aus den Laserscanning-Punktdaten abgefragt werden. Das Ergebnis wird in Form einer Grafik (siehe Abbildung 3) und als ASCII Tabelle ausgegeben. Zur Erstellung eines Profils ist neben der Auswahl des gewünschten Punktdatensatzes die Angabe der Profilbreite von zentraler Bedeutung; es werden jeweils alle Punkte im lotsenkrechten Abstand der halben Profilbreite links und rechts der Profillinie berücksichtigt. Das Profil wird im Kartenmodul vom Nutzer eingezeichnet oder über eine aufgeladene Shape- oder Textdatei spezifiziert. Optional kann die Profillinie geglättet werden. Dazu muss die Weite des gleitenden Mittels in Meter angegeben werden. Abb. 3: Profildefinition im Hillshade und Grafik des Profils 5.3 Ausdünnen von Punktdaten Das System bietet zudem die Möglichkeit ausgedünnte Punktdatensätze zu generieren. Diese werden im ASCII Format (xyz Koordinaten) exportiert. Die Ausdünnung erfolgt unter Beibehaltung morphologisch relevanter Punkte und der Einhaltung einer maximalen Höhenabweichung zum Originaldatensatz (siehe Abbildung 4). Grundlage der Ausdünnung ist eine 2D Triangulation. Wichtig ist die Angabe eines Wölbungsradius: Punkte, an denen die Krümmung den Wölbungsradius überschreitet, werden ausnahmslos beibehalten. Optional kann ein vom Benutzer in das LIS importiertes Polygonshapefile verwendet werden, um räumlich verteilte maximale Höhenabweichungen (z.b. entlang eines Flussschlauchs) zu nutzen.

5 Aufbau eines Laserscanningdaten Informationssystems 51 Abb. 4: Unausgedünnte Bodenpunkte (links) und ausgedünnte Punkte (rechts) mit einer maximalen Abweichung von 0.5 Meter bei einem Wölbungsradius von 2 Metern 5.4 Punkt- zu Rasterkonvertierung Aus den Punktdaten können Rasterdatensätze mit beliebiger Rasterweite erstellt werden. Aus allen z-werten der in eine Rasterzelle fallenden Punkte wird der Wert der Rasterzelle über die gewählte Aggregierungsmethode bestimmt. Zudem kann angegeben werden, ob etwaige No Data Zellen nicht, komplett oder nur bis zu einer gewissen Distanz gefüllt werden sollen. Hierzu werden die Höhenwerte benachbarter Rasterzellen verwendet. Abbildung 5 zeigt links eine Laserscanning-Punktwolke (Oberflächenpunkte), den konvertierten Rasterdatensatz (Mitte) und einen auf Basis des Rasters berechneten Hillshade (rechts). Abb. 5: Laserscanning-Punktwolke (links), konvertiertes Raster-DSM (Mitte) und Hillshade (rechts)

6 52 F. Petrini-Monteferri, P. Drexel, C. Georges und V. Wichmann 6 Zusammenfassung Das für das Landesvermessungsamt Feldkirch implementierte Laserscanningdaten Informationssystem erlaubt die blattschnittfreie Haltung der Laserscanningdaten des Landes Vorarlberg. Der Funktionsumfang beinhaltet unter anderem den Export von Punktdaten, die Berechnung von Profilen, die Ausdünnung von Punktdaten und die Konvertierung von Punktdaten in Raster. Somit können nun den Nutzern verschiedenste Informationsprodukte konsistent, schnell und komfortabel zur Verfügung gestellt werden. Gleichzeitig ist die Grundlage für eine flächendeckende Inwertsetzung der Laserscanningdaten im ursprünglichen Punktformat neben dem herkömmlichen Rasterformat geschaffen worden. Durch den modularen Aufbau des Systems ist eine zukünftige Erweiterung des Funktionsumfanges leicht realisierbar. Der Import weiterer Daten ist durch die Skalierbarkeit der Datenbank gewährleistet. Literatur HÖFLE, B., GEIST, T., HELLER, A. & STÖTTER, J. (2005): Entwicklung eines Informationssystems für Laserscannerdaten mit OpenSource-Software. In: STROBL., J. et al. (Hrsg.): Angewandte Geoinformatik Wichmann, Heidelberg, S KRAUS, K (2003): Laser-Scanning ein Paradigmawechsel in der Photogrammetrie. In: Bulletin SEV/VSE (invited), 9 (2003), S RUTZINGER, M., HÖFLE, B., PFEIFFER, N., GEIST, T. & STÖTTER, J. (2006): Object-based analysis of airborne laser scanning data for natural hazard purposes using open source components. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXVI-4/C42 (on CD). WÜRLÄNDER, R, RIEGER, W., DREXEL, P. & BRIESE, C. (2005): Landesweite Datenerhebung mit ALS: Technologische Herausforderungen und vielseitige GIS-Anwendungen. In: STROBL, J. et al. (Hrsg.): Angewandte Geoinformatik Wichmann, Heidelberg, S