SWISSIMAGE Das digitale Farborthophotomosaik der Schweiz

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1 SWISSIMAGE Das digitale Farborthophotomosaik der Schweiz Erlach und Teil der St. Petersinsel. Informationen April 2008 SI d 03/2008

2 Inhalt 1 Einführung SWISSIMAGE Level 1 und Level Anwendungen Produktionsetappen Was ist ein Orthophoto? Bildmaterial Georeferenzierung CH Entzerrung Mosaikierung Qualitätskontrollen Beschreibung des Produkts Flächendeckung Aktualität des Produkts - Nachführung Auflösung Lagegenauigkeit Dateiformate Datenmenge Bestellung / Datensätze Anwendungsbeispiele Kontakt...21 Information SWISSIMAGE 2 April 2008

3 1 Einführung 1.1 SWISSIMAGE Das Orthophotomosaik SWISSIMAGE ist eine Zusammensetzung digitaler Farbluftbilder. Ein Orthophoto ist ein Luftbild bei dem die Neigungseinflüsse der Kamera und des Geländes korrigiert wurden. SWISSIMAGE bietet somit einen einheitlichen Massstab und eine einheitliche Radiometrie über die Gesamtheit der Schweiz an. Verschiedene Auflösungen (Grösse vom Pixel am Boden), von 2m bis 25cm stehen im Bereich der Schweiz und ihrer nahen Umgebung zur Verfügung. 1.2 Level 1 und Level 2 Seit 2005 wird die Mehrheit der Luftbildaufnahmen mit einer Digitalkamera des Typs ADS40 erfasst. Diese neue Kamera ersetzt die bisher benutzte analoge Kamera des Typs RC30. Dank dieser Änderung konnten der Produktionsprozess und die Endqualität des Produkts signifikant verbessert werden. Damit die aus der analogen Produktionskette entstandenen Bilder von den digitalen erfassten unterschieden werden können, wurde der Begriff «Level» eingeführt. Level 1 beschreibt alle Bilder die mit der RC30 erfasst worden sind, Level 2 dafür umfasst die Bilder die mit der ADS40 aufgenommen sind. 1.3 Anwendungen Die Anwendungen von Orthophotos sind vielfältig. Einige Beispiele: SWISSIMAGE bildet die ideale Basis für Ihre Aufträge in Zusammenhang mit Messaufgaben. Es befreit Sie von Messungen vor Ort, indem Sie direkt Distanzen erheben können und bei zusätzlicher Verwendung eines digitalen Geländemodells sogar Volumen bestimmen können. Information SWISSIMAGE 3 April 2008

4 SWISSIMAGE verbessert die Lesbarkeit Ihrer Projekte mit geringen Kosten. In einem CAD, GIS oder als ausgedrucktes Bild wird SWISSIMAGE eine für all Ihre Ansprechpartner einfache und verständliche Planungsgrundlage. Für Anwendungen in den Bereichen der Archäologie, der Bodenkunde, der Forst- und Landwirtschaft, der Geographie, der Geologie, der Raumplanung und der Ökologie findet man oft in Orthophotos interessante Details die in einer traditionellen Karte nicht enthalten sind. Zudem eignen sich Orthophotos als eine ideale Kartierungsgrundlage, sowohl für Büro- als auch für Feldarbeiten. Kapitel 4 zeigt verschiedene Anwendungsbeispiele. Information SWISSIMAGE 4 April 2008

5 2 Produktionsetappen 2.1 Was ist ein Orthophoto? Bei einem Orthophoto handelt es sich im Gegensatz zum einem Luftbild um ein verzerrungsfreies Abbild der Erdoberfläche. Die Verzerrungen, welche bei der Aufnahme eines Bildes durch die Zentralprojektion und die Geländeform entstehen, werden rechnerisch mit Hilfe eines digitalen Geländehöhenmodells ausgeglichen. Luftbild Orthophoto Während früher zur Realisierung eines analogen Orthophotos ein Orthophotoplotter benutzt werden musste, geschieht dies heute rein rechnerisch mittels digitaler Fotogrammetrie, das Resultat ist ein digitales Orthophoto. In dem man verschiedene Orthophotos mittels digitaler Bildtransformation und Bildbearbeitung zusammenführt, erhält man schliesslich ein homogenes Orthophotomosaik. Im Fall von SWISSIMAGE umfasst das Orthophotomosaik die ganze Schweiz und Teile der angrenzenden Gebiete. Die verschiedenen Etappen der Bearbeitung sind in den folgenden Kapiteln beschrieben. 2.2 Bildmaterial SWISSIMAGE Level 1 Bildflug SWISSIMAGE ist ein mit grösster Sorgfalt realisiertes Produkt. Die Flugpläne werden so festgelegt, dass sie eine optimale Qualität gewährleisten (Höhe der Bildaufnahmen, Überlappung zweier Bilder, Flugsaison, etc.), das gleiche gilt bei der Wahl des eingesetzten fotographischen Films. Die analogen Bildaufnahmen werden in einer Höhe zwischen 5000 und 7000 Metern in einem Massstab von 1:30'000 durchgeführt. Innenansicht eines der zwei Flugzeuge des Flugdienstes (Super King Air) Information SWISSIMAGE 5 April 2008

6 Nach jedem Flug werden die Koordinaten der Bildaufnahmen mittels der während des Fluges durchgeführten GPS- Messungen und der GPS-Daten von swipos/agnes berechnet. All diese Arbeiten werden vom swisstopo Flugdienst durchgeführt, der in Dübendorf (ZH) stationiert ist. Dieser realisiert auch im Auftrag zahlreiche öffentliche und private Mandate. Eines der zwei Flugzeuge des Flugsdienstes (Super King Air) Digitalisierung Nach dem Flug werden die Luftbilder entwickelt und gescannt. Für diesen Arbeitsschritt werden hochpräzise Scanner eingesetzt (Auflösung 1814 dpi, 14 μm). Diese Geräte können die Photos einzeln oder ab Filmrolle digitalisieren. Scannen eines kompletten Films Filmrolle Nach dem Scannen werden die digitalisierten Bilder in einem Archivsystem abgelegt (850 MegaByte pro Bild). Parallel dazu werden die Informationen über jedes Luftbild in einer Datenbank gespeichert und somit die Verwaltung der Metadaten gewährleistet. SWISSIMAGE Level 2 Einführung der Digitalkamera ADS40 In der Perspektive immer bessere Produkte zur Verfügung stellen zu können, werden die Bildflüge seit 2005 mit einer Digitalkamera des Typs ADS40 (Leica) durchgeführt. Digitalkamera ADS40 Information SWISSIMAGE 6 April 2008

7 Bildflug Die Einführung dieses neuen Systems verändert den fotogrammetrischen Bildflugbetrieb nur in geringer Weise. Die Flugplanung, die Flugperiode und die atmosphärischen Bedingungen zum Einsatz der Kamera bleiben gleich wie bei der RC30. Neu wird aber die Aufzeichnung der Bilder auf einer Höhe von ca. 2500m (25cm) und mehr (50cm) über Boden durchgeführt. Die Nutzung dieser Kamera erfordert die zusätzliche Installation eines Inertialsystems im Flugzeug. Dieses System hat zum Ziel die Bewegungen des Flugzeuges aufzuzeichnen. Diese Fluginformationen werden später für die Entzerrung der Bilder eingesetzt. Vorteile Dieses System bietet zahlreiche Vorteile: Es kann auf das analoge Bildmaterial verzichtet werden, da die Erfassung und Speicherung der Daten neu direkt auf einer Harddisk, die sich im Flugzeug befindet, geschieht. Eine Digitalisierung der Bilder nach dem Flug ist somit überflüssig. Das Funktionsprinzip der Kamera erlaubt eine fortlaufende Erfassung (Scanning) des Bodens in Flugrichtung, dies geschieht anhand 3 verschiedener linearer Sensoren, die in 3 verschiedenen Winkeln orientiert sind. (s.bild). Der Zwang nach einer ausreichenden Bildüberlappung sieht sich dank diesem System vermindert. Eine bessere geometrische Erfassung der Objekte ist somit ermöglicht. Betriebprozess (ADS40) Das System ermöglicht es, gleichzeitig schwarz/weiss, farbig und infrarot Bilder aufzunehmen. Dank diesem Verfahren muss vor dem Flug nicht mehr ein spezieller Film gewählt und eingesetzt werden. Pan / RGB / NIR / FCIR Mit dem Aufkommen der Digitalkamera ADS40 konnte das Handling der Daten, sei es auf Stufe des Datentransfers oder der digitalen Bildverarbeitung, erheblich vereinfacht werden. Verbesserungen sind im Bereich der Erfassung der Daten sowie bei der Bildqualität sichtbar. Diese verschiedenen Anpassungen erlauben somit eine Beschleunigung der Produktion von SWISSIMAGE. Information SWISSIMAGE 7 April 2008

8 2.3 Georeferenzierung CH 1903 SWISSIMAGE Level 1 und 2 Die Luftbilder werden mit den modernsten Mitteln der digitalen Photogrammetrie orientiert (georeferenziert). Dieser Prozess wird Aerotriangulation genannt: Die Bilder werden durch Tausende von Verknüpfungspunkten miteinander verbunden und durch Passpunkte auf das Terrain ausgerichtet. Die Position der Bilder ist nun im Referenzsystem CH1903 bekannt. Messen eines Passpunktes im Feld Für diese Methode müssen die Passpunkte, die auf den Photographien sichtbar sind, auch vor Ort mit dem GPS-Messsystem swipos, das von swisstopo betrieben wird, eingemessen werden. Messungen und Berechnungen bei der Aerotriangulation Die Werkzeuge und die Technik die man zur Verknüpfung der Luftbilder benutzt, bleiben die gleichen, unabhängig ob es sich um Bilder der RC30 oder der ADS40 handelt. Einzig die Anzahl der Aufnahmen ändert sich von einem System zum anderen, da die ADS40 es ermöglicht eine Fluglinie in einer Aufnahme zu erfassen. Obwohl in Flugrichtung die Bilder nicht mehr in einer Fluglinie verbunden werden müssen, bleibt diese Operation im Rahmen von verschiedenen Fluglinien notwendig. Information SWISSIMAGE 8 April 2008

9 2.4 Entzerrung Wenn die Aerotriangulation fertig ist, werden die orientierten Luftbilder auf das hochpräzise digitale Geländemodell DTM-AV bzw. in den Gebieten über 2000 M.ü.M, auf das DHM25 projiziert. In den Gebieten im Ausland, die sich ausserhalb des Perimeters des DHM25 befinden wird diese Etappe anhand des europäischen Höhenmodells MONA realisiert. Dieses Vorgehen ist nötig um die Bilder rektifizieren zu können und somit die Verzerrungen die durch die Topographie des Geländes und der Neigung der Kamera im Luftbild verursacht worden sind, zu eliminieren. Das Resultat (Orthophoto) erlaubt somit die Überlagerung von weiteren geographischen Elementen (Vektoren) und erlaubt eine massstabstreue Messung von Elementen in einem GIS. Klassiches Luftbild Orthophoto (nach der Entzerrung) 2.5 Mosaikierung SWISSIMAGE - Level 1 Anschliessend werden die Farben der Orthophotos mit besonderer Sorgfalt harmonisiert. Ziel ist es, ein einheitliches Mosaik zu schaffen und die «Schnittlinien» zwischen den Bildern verschwinden zu lassen. Mit dem Ziel, fortdauernd die Qualität unseres Produktes zu verbessern, benutzen wir jedes Jahr die qualitativ hochwertigsten photographischen Filme, die auf dem Markt erhältlich sind. Dies führt Jahr für Jahr zu einer verbesserten Bildqualität. Information SWISSIMAGE 9 April 2008

10 Es ist also möglich, in SWISSIMAGE Bereiche anzutreffen, in denen die Orthophotos von Luftbildern stammen, die in unterschiedlichen Jahren (und mit unterschiedlichen Filmen) aufgenommen und schliesslich nach unterschiedlichen Produktionsabläufen in Orthophotos umgewandelt wurden. Im Falle der landesweiten Bedeckung ist es nicht möglich, unter den Bildern eine solch gute Homogenität zu erreichen, wie dies bei einem Produkt kleineren Umfangs möglich ist, das von einem Flug während eines Tages erfasst wird. SWISSIMAGE - Level 2 Mit dem Aufkommen der Digitalkamera ADS40, werden die Datenerfassung und die Verarbeitungszeit der Daten verkürzt. Die Benützung dieser Kamera reduziert die Risiken von Qualitätsunterschieden zwischen den Aufnahmen. Die Farbharmonisierung der Bilder ist dadurch vereinfacht. Die Benützung von photographischen Filmen wird überflüssig, weil die Daten schon auf einer Harddisk im Flugzeug gespeichert sind und somit sind Staubprobleme auch nicht mehr aktuell. 2.6 Qualitätskontrollen Im SWISSIMAGE Produktionsprozess kommen zwei verschiedene Kontrollverfahren zur Anwendung. In einem ersten Schritt werden vor der Mosaikierung die Geometrie der entzerrten und rektifizierten Bilder auf Konformität überprüft. Dies geschieht anhand der Daten der amtlichen Vermessung und der Pixelkarte 1:25'000. In einem zweiten Schritt wird nach der Mosaikierung visuell die Radiometrie der Bilder überprüft und eventuelle letzte noch vorhandene Mängel eliminiert. Information SWISSIMAGE 10 April 2008

11 3 Beschreibung des Produkts 3.1 Flächendeckung SWISSIMAGE ist über die gesamte Fläche der Schweiz und Liechtenstein verfügbar. Es umfasst sogar ein Teil der benachbarten Grenzregionen. Die Flächendeckung des Produkts mit aktuellen Bildern besteht zurzeit aus einer Mischung von SWISSIMAGE Level 2 und SWISSIMAGE Level 1. Das Dokument welches sich auf die Produktion bezieht gibt Auskunft über die Verfügbarkeit jedes Levels. SWISSIMAGE über die ganze Schweiz. Es ist zu bemerken, dass während dieser Übergangsperiode, d.h. bis SWISSIMAGE Level 2 flächendeckend produziert ist, keine radiometrischen und geometrischen Anpassungen zwischen SWISSIMAGE Level 1 und Level 2 durchgeführt werden. Der Grund liegt in den zu grossen Qualitätsunterschieden, die zwischen den beiden Bildgenerationen bestehen. 3.2 Aktualität des Produkts - Nachführung Neben der geometrischen und radiometrischen Qualität spielt das Flugdatum der Luftbilder eine wesentliche Rolle bei der optimalen Benutzung eines Orthophotos. Um die Aktualität des Orthophotomosaiks sicher zu stellen, hat swisstopo einen regelmässigen Nachführungs-Plan erstellt. Das Dokument welches sich auf die Produktion von SWISSIMAGE bezieht gibt darüber Auskunft. Es muss hier betont werden, dass die nachgeführten Orthophotos erst mehrere Monate nach der Bildaufnahme in das Mosaik einfliessen. Zürich Information SWISSIMAGE 11 April 2008

12 3.3 Auflösung SWISSIMAGE Level 1 Alle Luftbilder für die Herstellung von SWISSIMAGE Level 1 werden mit einer Bodenauflösung von 50cm aufgenommen. SWISSIMAGE Level 1 hat somit auch eine Bodenauflösung von 50cm. Für Anwendungen die weniger Details benötigen wurde aus dem SWISSIMAGE Level 1 mit 50cm Bodenauflösung eine Version mit einer Bodenauflösung von 200cm berechnet (resampling). Diese Version wird auch angeboten. SWISSIMAGE Level 2 Dank der Benutzung der ADS40 konnte die Bildauflösung im Jura, im Flachland und einigen Alpentäler von 50cm auf 25cm reduziert werden. In den Berggebieten, wo die Flugbedingungen schwieriger sind, wurde die Bodenauflösung von 50cm beibehalten. Grobe Angaben in welchen Gebieten die Luftbilder mit 25cm bzw. 50cm Bodenpixelauflösung erfasst werden gibt folgende Abbildung. Aufteilung der Gebiete, die mit einer Auflösung von 25 oder 50cm aufgenommen werden. Die effektive Verteilung der Gebiete kann von Fall zu Fall ändern und wird vor jeder Flugsaison im Detail festgelegt. Es gilt aber folgendes Prinzip: 25cm Auflösung: im Jura, im Flachland und für ausgewählte Alpentäler (z. Bsp. Das Rhonetal) wo die Flugbedingungen es erlauben. 50cm Auflösung: für Bergebiete (Voralpen und Alpen) Das aus den Luftbildern abgeleitete Produkt SWISSIMAGE Level 2 ist mit einer Bodenauflösung von 25cm, 50cm und 200cm verfügbar. Information SWISSIMAGE 12 April 2008

13 Bei der Produktion des Orthophotomosaiks werden die Luftbilder mit einer ursprünglichen Bodenauflösung von 50cm auf 25cm heruntergerechnet (resampling) und anschliessend mit den Luftbildern einer ursprünglichen Bodenauflösung von 25cm zusammengeführt. Das Resultat dieses Verfahren ist SWISSIMAGE Level 2 25cm Bodenpixelauflösung. Aus dieser Version werden anschliessend die 50cm und 200cm Produkte abgleitet (resampling). Es ist zu Bemerken, dass im Preismodel von SWISSIMAGE Level 2 25cm, die Tatsache dass ein 25cm oder 50cm Luftbildpixel zur Herstellung des Produktes benutz wurde berücksichtigt wird. 3.4 Lagegenauigkeit SWISSIMAGE - Level 1 Die Lagegenauigkeit von SWISSIMAGE ist vom benutzten digitalen Geländemodell und der Qualität der Aerotriangulation abhängig: Standardabweichung (1σ σ) mit DTM-AV : ± 1 m (Level 1) mit DHM25 : ± 1-3 m (in unebenem Gelände ± 4-10 m) SWISSIMAGE - Level 2 Standardabweichung (1σ σ) für 0.25m Bodenauflösung mit DTM-AV : ± 0.25m Standardabweichung (1σ σ) für 0.50m Bodenauflösung mit DTM-AV : ± 0.50m (Toleranz bei 2.58 σσ) (Level 2) mit DHM25 : ± 1-2 m (in unebenem Gelände ± 3-5 m) 3.5 Dateiformate Die Orthophotos werden in Form von zwei Dateien geliefert: Die TIFF-Datei enthält das Bild in RGB 8 bits (11.4 MB/km²) Die TFW-Datei (TIFF World File) enthält die Georeferenz des Bildes. Y = m Das TFW-Format ist in Textform. Beispiel : X = Der Wert entspricht der Seitenlänge eines Pixels an der Oberfläche, die Koordinaten bezeichnen die Lage des Zentrums des Pixels oben links im Orthophoto. Information SWISSIMAGE 13 April 2008

14 3.6 Datenmenge Die Menge der Daten ist abhängig von der Grösse des Pixels am Boden und sieht wie folgt aus: 25 cm, die Datenmenge der Tiff-Datei beträgt 46 MB/km² (Level 2) 50 cm Ë (11.4 MB/km²) (Level 1 und Level 2) 2 m Ë (0.7 MB/km²) (Level 1 und Level 2) 3.7 Bestellung / Datensätze Eine Bestellung von SWISSIMAGE kann direkt online über den toposhop erfolgen. Zur Bestellung eines Ausschnittes von SWISSIMAGE stehen Ihnen mehrere Möglichkeiten offen: Definition eines rechteckigen Perimeters mittels Koordinaten. Bestellung nach einem administrativen Perimeter, wie der einer Gemeinde oder eines Kantons. In diesem Fall werden die Daten in Form einer rechteckigen Fläche geliefert. Diese Fläche beinhaltet SWISSIMAGE im Bereich des bestellten Ausschnitts, inklusive einer Pufferzone von 100 Metern. Der Rest des Rechtecks ist mit schwarzen Pixel ausgefüllt (siehe Abbildung weiter unten). Bestellung nach einem beliebigen Polygon (z.b. Eisenbahnlinie mit angrenzendem Gebiet, Naturreservat, etc.). In einem solchen Fall, brauchen wir von Ihnen eine Datei mit den Angaben zum gewünschten Perimeter (z.b. eine ArcView Shape-Datei). Bestellung eines Gemeinde- Perimeters (Avegno, TI) Die Lieferfrist beträgt ca 2 Wochen, nach Vertragsabschluss. Musterdatensätze können gratis heruntergeladen werden. Falls Ihre Bedürfnisse über das Standardangebot hinausgehen, sind wir gerne bereit, Ihnen ein Angebot für ein massgeschneidertes Individualprodukt zu machen. Information SWISSIMAGE 14 April 2008

15 4 Anwendungsbeispiele Orthophotos finden Verwendung als Planungsgrundlage, als Basis zur Herstellung von Karten und Plänen, für thematische Anwendungen (Forstwirtschaft, Flächennutzung, Flächenwidmung,...) und als Informationsebene in einem GIS (Geographischen Informationssystem). Während eine Karte die Informationen bereits interpretiert und zusammenfasst, wird bei einem Orthophoto die Gesamtheit der sichtbaren Information dargestellt. Städteplanung: Lausanne, St-François Platz Massstab: ca. 1:1 500 (Auflösung 50cm) Level 1 Bahnhof von Schaffhausen Massstab: ca. 1:2 000 (Auflösung 25cm) Level 2 Information SWISSIMAGE 15 April 2008

16 Tourismus : Rheinfall, Neuhausen (Auflösung 50cm) Level 1 Rheinfall, Neuhausen (Auflösung 25cm) Level 2 Information SWISSIMAGE 16 April 2008

17 Ökologie, Umwelt : Schweizerischen Nationalpark (Auflösung 50cm) Level 1 Landwirtschaft : Landwirtschaftsgebiet bei Schaffhausen (Auflösung 25cm) Level 2 Information SWISSIMAGE 17 April 2008

18 Infrastrukturen : Bildqualität mit verschiedenen Zoomstufen (25, 50, 100%) ADS40 (Zoll, Thayngen, SH) Level 2 Information SWISSIMAGE 18 April 2008

19 Industrie : Gebiet Schaffhausen Level 2 Überlagerung mit anderen georeferenzierten Daten : Überlagerung mit Daten der Amtlichen Vermessung (Altdorf, UR) Level 1 Information SWISSIMAGE 19 April 2008

20 Überlagerung mit einer Pixelkarte (Kölliken, AG) Level 1 Information SWISSIMAGE 20 April 2008

21 Überlagerung eines digitalen Geländemodells (DHM25) mit SWISSIMAGE : Oeschinensee, BE 5 Kontakt Das Bundesamt für Landestopografie gibt gerne zusätzliche Auskünfte per Telefon oder und unterbreitet Ihnen auf Anfrage gerne ein individuelles Angebot. swisstopo Bundesamt für Landestopografie Seftigenstrasse 264, Postfach CH-3084 Wabern Telefon: Fax: geodata@swisstopo.ch Für die Lizenzierung von SWISSIMAGE wird ein schriftlicher Vertrag erstellt. Information SWISSIMAGE 21 April 2008