Aufnahmen flugzeuggetragener Laserscanner als Grundlage zur Erfassung von Straßen und Wegen in bewaldeten Gebieten

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1 Aufnahmen flugzeuggetragener Laserscanner als Grundlage zur Erfassung von Straßen und Wegen in bewaldeten Gebieten Maria Attwenger, Karl Kraus Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, Technische Universität Wien {ma, Kurzfassung Aufnahmen flugzeuggetragener Laserscanner eignen sich als Grundlage zur Extraktion von Straßen und Wegen in bewaldeten Gebieten. Insbesondere wenn in einem Projektgebiet bereits eine Befliegung vorhanden ist, kann sie eine sehr günstige Alternative zu terrestrischen Vermessungen schaffen. In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten, die digitale Geländemodelle und Intensitätsmodelle als Grundlage zur Erfassung von Straßen und Wegen in bewaldeten Bereichen bieten, vorgestellt. Darüber hinaus wird kurz auf mögliche Erfassungsmethoden eingegangen. Abstract Airborne laser scanner data are applicable as basis for the extraction of streets and roads in wooded terrain. Especially, if an airborne laser scanner flight is available in a project area, it can provide an alternative to terrestrial surveying. In this paper digital terrain models and intensity models are introduced as basis for the extraction of streets and roads in wooded terrain. Moreover, possible detection methods are shown. 1 Einleitung Straßen und Wege in bewaldeten Gebieten sind für Wanderkarten, die Nachführung von bestehenden Kartenwerken und für Freizeitinformationssysteme wie Wanderinformationssysteme oder Mountainbikeinformationssysteme interessant. Sie können durch terrestrische Vermessungen erfasst werden. Je nach Genauigkeitsanforderungen kann es sich dabei um tachymetrische Vermessungen oder um Bussolenzüge handeln. Terrestrische Vermessungen erfordern die Anwesenheit meist mehrerer Arbeitskräfte vor Ort, sind zeit- und arbeitsintensiv und daher nur bei kleinen Gebieten effizient einsetzbar. Eine bei großen Projekten günstigere Erfassungsmöglichkeit ist die Photogrammetrie, doch sie versagt in bewaldeten Gebieten (siehe Orthophoto in Abbildung 1a) aufgrund des Fehlens homologer Punkte. Die Erfassung von Straßen und Wegen aus bestehenden Karten ist insofern problematisch, da diese meist kleinmaßstäbig, nicht aktuell und nicht vollständig sind (siehe Abbildung 1b). Ein neuer Weg ist die Verwendung von Aufnahmen flugzeuggetragener Laserscanner als Datengrundlage. Einerseits können Straßen und Wege in bewaldeten Bereichen aus digitalen Geländemodellen abgeleitet werden. Andererseits können Informationen aus Intensitätsmodellen gewonnen werden. In diesem Beitrag werden die Möglichkeiten, die das flugzeuggetragene Laserscanning als Grundlage zur Erfassung von Straßen und Wegen in bewaldeten Bereichen bietet, vorgestellt.

2 Sämtliche verwendete Datensätze wurden vom Amt der Oberösterreichischen Landesregierung zur Verfügung gestellt. Abbildung 1 a Orthophoto b Ausschnitt aus der ÖK 50 [BEV, 2005] 2 Aufnahmen flugzeuggetragener Laserscanner als Datengrundlage Ein flugzeuggetragenes Laserscanner-System erfasst Richtungen und Distanzen vom jeweiligen Aufnahmeort zu Punkten auf der Erdoberfläche. Zusätzlich wird die Intensität des reflektierten Echos ermittelt. Anhand von Positions- und Orientierungsinformationen, die mit einem Global Positioning System und einer Inertial Measurement Unit gewonnen werden, kann eine georeferenzierte Punktwolke gewonnen werden. Gängige Systeme detektieren jeweils das erste und letzte Echo (First Pulse bzw. Last Pulse) des reflektierten Laserstrahls. 2.1 Digitale Geländemodelle als Datengrundlage Zur Ableitung von Digitalen Geländemodellen (DGMen) aus den georeferenzierten Laserscanner Daten werden Last-Pulse-Daten verwendet. Baumstämme, sehr dichte Vegetation, etc. verursachen Vegetationspunkte auch in Last-Pulse-Daten (siehe Abbildung 2). Diese müssen durch geeignete Methoden wie beispielsweise die Hierarchische Robuste Interpolation [Briese et al, 2002] vor der DGM-Berechnung eliminiert werden. Aus den klassifizierten Bodenpunkten kann dann ein DGM abgeleitet werden. Sind Straßen und Wege durch Geländeeinschnitte oder Dämme gekennzeichnet, können sie in DGMen identifiziert und extrahiert werden. Dies ist vor allem in hügeligen Gebieten oder im Bergland der Fall.

3 Abbildung 2: Flugzeuggetragenes Laserscanning in bewaldeten Bereichen In Abbildung 3 wird einer Schummerung eines Digitalen Oberflächenmodells (DOM) eine Schummerung eines DGMs im Bereich des Almtals (Oberösterreich) gegenübergestellt. Viele Straßen und Wege lassen sich bereits in der Schummerung des DOMs erahnen, doch erst in der Schummerung des DGMs sind sie wirklich erkennbar und in weiterer Folge beispielsweise durch Digitalisieren geometrisch erfassbar. Abbildung 3 a Schummerung eines DOMs b Schummerung eines DGMs Für Freizeitinformationssysteme sind die Genauigkeitsanforderungen nicht sehr hoch. Es sind aber ergänzende Informationen, wie z. B. die Steilheit einzelner Wegstücke wichtig. Neben der Position der Straßen und Wege können solche Informationen problemlos aus DGMen abgeleitet werden. Schwieriger ist die Situation, wenn keine Geländeeinschnitte oder Dämme vorhanden sind. DGMe liefern hier keine Information über den Verlauf von Wegen. In einer solchen Situation kann man aber auf die Intensität des empfangenen Signals, die vor allem von der Oberflächenbeschaffenheit abhängt, zurückgreifen.

4 2.2 Intensitätsmodelle als Datengrundlage Anstelle der Höhe eines georeferenzierten Laserscannerpunkts wird die Intensität verwendet. Aus einer unregelmäßig verteilten Intensitätspunktwolke kann ein regelmäßiges Intensitätsmodell abgeleitet werden. Flugzeuggetragene Laserscanner benutzen Wellenlängen im Bereich des nahen Infrarot. Bei Verwendung einer geeigneten Kodierung (Graustufen) kann aus einem Intensitätsmodell eine Visualisierung mit Eigenschaften ähnlich einem schwarz-weiß Infrarot Orthophoto erstellt werden. Vorteilhaft ist, dass im Intensitätsmodell keine Schatten auftreten. Aufgrund des relativ kleinen Öffnungswinkels von Laserscannern müssen viel mehr Flugstreifen geflogen werden als in der Photogrammetrie. Aus diesem Grund treten bei Intensitätsmodellen nur selten verdeckte Bereiche auf. Allerdings haben Intensitätsmodelle eine schlechtere Auflösung (meist etwas mehr als 1 Punkt/m²), was aber als Datengrundlage zur Erfassung von Straßen und Wegen in bewaldeten Gebieten ausreicht [Würländer et al., 2005]. In Abbildung 4 werden einer Schummerung eines DOMs im Bereich des Almtals eine Schummerung eines DGMs und Intensitätsmodelle gegenübergestellt. Wege, die in der Schummerung des DGMs nicht erkennbar sind, können häufig aus den Intensitätsmodellen erfasst werden. Abbildung 4c zeigt ein Intensitätsmodell der Laserpunkte, die für die Berechnung des DOMs verwendet wurden. In Abbildung 4d sieht man ein Intensitätsmodell der Bodenpunkte, das heißt, ein Intensitätsmodell des DGMs. Dieses Intensitätsmodell im nahen Infrarot am Boden wird also mit geometrischen Informationen (Entfernungsbilder) und mit geometrischen Verarbeitungsmethoden (Elimination der Nicht-Bodenpunkte) erreicht. Es kommt zu einem Zusammenspiel von radiometrischen Informationen mit Entfernungsinformationen [Kraus, 2001]. Da die Intensität mit der Entfernung vom Aufnahmeort abnimmt, ist bei Verwendung von Intensitätsmodellen in Bereichen großer Höhenunterschiede eine Normierung der Intensitätswerte bezüglich des jeweiligen Abstandes zum Aufnahmeort notwendig. Abbildung 4 a Schummerung eines DOMs b Schummerung eines DGMs c Intensitätsmodell des DOMs d Intensitätsmodell des DGMs

5 3 Erfassung von Straßen und Wegen aus digitalen Geländemodellen und Intensitätsmodellen Grundsätzlich eignen sich Schummerungen von DGMen und Intensitätsmodelle oder Überlagerungen von beidem ideal zum manuellen Digitalisieren. Bei Verwendung von Schummerungen sind allerdings im Eigenschatten befindliche oder sehr stark bestrahlte Bereiche von Schummerungen problematisch. In solchen Bereichen ist die visuelle Erfassung von Wegen teilweise schwierig. Schummerungen mit gedrehter Beleuchtungsrichtung können hier Abhilfe schaffen. In Abbildung 5 wird neben einer Schummerung eines DOMs (a) und einer Schummerung eines DGMs mit Nord-West Beleuchtung (b) eine Schummerung, die aus verschiedenen Beleuchtungsrichtungen zusammengesetzt ist, dargestellt (c). Im Vergleich mit dem Orthophoto und dem Kartenausschnitt aus Abbildung 1, die denselben Bereich umfassen, ist vor allem in Abbildung 5c eine deutliche Steigerung der Information erkennbar. Abbildung 5 a Schummerung eines DOMs b Schummerung eines DGMs mit Nord-West Beleuchtung c Schummerung eines DGMs, zusammengesetzt aus Schummerungen verschiedener Beleuchtungsrichtungen Es sind aber auch automatisierbare Erfassungsmethoden denkbar. Um in hügeligem Gelände Wege abzuleiten, kann die semi-automatische Geländekanten-Extraktion (Briese, 2004) angewendet werden. Als Eingangsdaten verwendet man Idealerweise Rohdaten, es können aber stattdessen auch daraus abgeleitete DGM-Punkte eingehen. Desweiteren ist die Vorgabe von 2D Startsegmenten notwendig. Anhand dieser Startsegmente werden durch Ebenenschnitte 3D Geländekanten berechnet. Ein Beispiel dazu ist in Abbildung 6 dargestellt. Bei Intensitätsmodellen ist die Ausgabe interessanter Intensitätswerte denkbar. Voraussetzung dafür ist die bereits erwähnte Normierung der Intensitätswerte bezüglich der Aufnahmeentfernung.

6 Abbildung 6 a Schummerung eines DGMs im bewaldeten Bereich (im Nord-Westen von Abbildung 5) b Aus DGM-Punkten abgeleitete Wege im bewaldeten Bereich (im Nord-Westen von Abbildung 5) 4 Fazit DGMe und die daraus abgeleiteten Schummerungen sowie Intensitätsmodelle sind eine gute Grundlage zur Erfassung von Straßen und Wegen in bewaldeten Gebieten. DGMe können in hügeligem Gelände verwendet werden, normierte Intensitätsmodelle überall. Aus DGMen lassen sich auch zusätzliche Informationen ableiten, wie Geländeneigung oder die Form des umliegenden Geländes. Mögliche Erfassungsmethoden sind manuelles Digitalisieren aus Schummerungen und Intensitätsmodellen, semi-automatische Geländekanten-Extraktion oder Ableitung bestimmter Intensitätswerte. Für DGMe sind Daten aus Befliegungen vor oder nach der Hauptvegetationszeit ratsam. Die Kartierung von Straßen und Wegen in bewaldeten Gebieten ist vermutlich kein Grund, eine eigenständige flugzeuggetragene Laserscanner-Mission zu finanzieren. In Deutschland und Österreich wurden und werden aber mittlerweile ganze Bundesländer beflogen. Für weite Gebiete sollten also bestehende Daten von flugzeuggetragenen Laserscannern relativ günstig zu erwerben sein, vor allem, wenn ein solches Vorhaben im öffentlichen Interesse steht. DGMe und DOMe werden einem Auftraggeber flugzeuggetragener Laserscanner Missionen von der Flugfirma geliefert, Rohdaten und Intensitätsinformationen können verloren gehen. Diese Daten stellen aber wertvolle Informationen dar und sollten deshalb nicht verworfen werden. Literatur BEV, 2005: ÖK50 des Bundesamts für Eich- und Vermessungswesen (BEV). Ausschnitt aus der Austrian Map fly, Version 4.0, C. Briese, 2004: "Three-dimensional Modelling of Breaklines from Airborne Laser Scanner Data"; Präsentation: International Society for Photogrammetry and Remote Sensing XXth Congress, Istanbul; ; in: "Proceedings", O. Altan (ed.); Vol XXXV, Part B/3 (2004), ISSN ;

7 C. Briese, N. Pfeifer, P. Dorninger, 2002: "Applications of the Robust Interpolation for DTM determination"; Präsentation: Symposium der ISPRS-Comm. III, Graz; ; in: "International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing", Volume XXXIV / 3A (2002), ISSN ; K, Kraus: Laser-Scanning - Ein Paradigma-Wechsel in der Photogrammetrie, Eckhardt Seyfert (Hrsg.), 21. Wissenschaftlich-Technischen Jahrestagung der DGPF, Konstanz, Deutschland, Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung, Band 10, September 2001; S R. Würländer, W. Rieger, P. Drexel, C. Briese: "Landesweite Datenerhebung mit ALS: Technologische Herausforderungen und vielseitige GIS-Anwendungen"; Präsentation: AGIT 2005 Angewandte Geographische Informationsverarbeitung XVII, Salzburg; ; in: "Angewandte Geoinformatik Beiträge zum 17. AGIT-Symposium Salzburg", J. Strobl, T. Blaschke, G. Griesebner (ed.); Wichmann Verlag, (2005), ISBN ;