Ableitung von Bruch- bzw. Geländekanten aus LIDAR-Daten für die hydro-numerische Modellierung am Main

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1 Ableitung von Bruch- bzw. Geländekanten aus LIDAR-Daten für die hydro-numerische Modellierung am Main Gottfried Mandlburger Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, TU Wien

2 3D-Geländekanten aus LiDAR-Punktwolken - Motivation Projekt: Main-2 Kachel 4295_5529 Blickrichtung ALS-DGM Gitterweite: 1m Schummerung 1km BfG-Kolloquium, , Koblenz 2

3 3D-Geländekanten aus LiDAR-Punktwolken - Motivation Von der ALS Punktwolke zu 3D-Geländekanten BfG-Kolloquium, , Koblenz 3

4 Inhalt Methoden der Geländekanten-Extraktion State-of-the-Art I.P.F. Methode Detektion von Startsegmenten Modellierung von Geländekanten Automatisches Wachsen von Kanten Anforderungen an die Datengrundlage Punktdichte Georeferenzierung der Flugstreifen Ergebnisse Ergebnisse der automatischen Ableitung Manuelle Nachbearbeitung BfG-Kolloquium, , Koblenz 4

5 Modellierung von 3D-Geländekanten: Publizierte Lösungsansätze Bisherige Schwerpunkte (ALS, 2.5D Algorithmen): Automatische 2D Extraktion der Geländekanten auf der Basis von bereits gefilterten ALS DGMs Verwendete Methoden: Rasterbasierende Algorithmen (z.b.: Brüglmann (2000), Sui (2002),...) HTAN (Brzank (2005)) Snakes (Kerschner (2003), Borkowski (2005)) Differential equation (Borkowski (2005)) Kovarianzanalyse (Gross and Thoennessen (2006)) Brügelmann (2000) Probleme: Nur 2D Gefiltertes 2.5D Modell muss bereits vorhanden sein, Klassifizierungsfehler in der Filterung wirken sich auf die Kanten aus BfG-Kolloquium, , Koblenz 5

6 Modellierung von 3D-Geländekanten: I.P.F.-Methode Dissertation C. Briese, Breakline Modelling from AIrborne Laser Scanner Data, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, TU Wien, 2004, Begutachter: K.Kraus, H.Maas 3D-Modellierung auf Basis der originalen ALS-Punktwolke 3-stufiges Verfahren: Detektion von Startsegmenten 3D-Modellierung durch Verschnitt von ebenen Flächenpaaren Post-Processing (automatisch und interaktiv) BfG-Kolloquium, , Koblenz 6

7 Detektion von Startsegmenten Methodik: Bestimmung von lokalen Flächenkrümmungen in der originalen Punktwolke Ableitung der minimalen/maximalen Krümmung aus lokalen Flächen 2. Ordnung (Quadriken) Parameter: Anzahl der nächsten Nachbarn Maximal zulässige Streuung (Elimination von Vegetation) Maximal zulässiger Krümmungsradius Verhältnis: Min/Max-Krümmung BfG-Kolloquium, , Koblenz 7

8 Detektion von Startsegmenten - Ergebnisse Output: Potentielle Startsegmente 3D-Startsegmente: Grundriss 3D-Startsegmente: Perspektivansicht Main.2: Kachel 4295_ BfG-Kolloquium, , Koblenz 8

9 Modellierung von 3D-Geländekanten - Basiskonzept Verschnitt analytischer Flächenpaare Ausgleichssystem zur simultanen Bestimmung von Ebenenpaaren BfG-Kolloquium, , Koblenz 9

10 Robuste Modellierung von Ebenenpaaren Gewichtsfunktionen Punktabstand Robuste Schätzung Robuste Modellierung: Praktisches Beispiel (ALS) eines Patches BfG-Kolloquium, , Koblenz 10

11 Automatisierung der Modellierung durch Linienwachsen Linienwachsen basierend auf einem Startsegment/Startpunkt: L 2back L 1 L 2for R 2back R 1 R 2for Prozessierung Vorwärts und Rückwärts Richtung: 1. Berechnung des ersten Patches/Linie mittels robuster Flächenelementen 2. Berechnung der Daten-Limits für nächsten Patch durch Extrapolation 3. Extraktion der unklassifizierten ALS Punkte aus der Datenbasis Wiederholung der Schritte 1-3 bis zur Abbruchsbedingung (z.b. Schnittwinkel) BfG-Kolloquium, , Koblenz 11

12 Modellierung von 3D-Geländekanten - Ergebnisse Österr. Wasserstraßendirektion, Hainburg BfG-Kolloquium, , Koblenz 12

13 Modellierung von 3D-Geländekanten - Ergebnisse Startsegmente Autom. modellierte Geländekanten Main-2: Kachel 4295_ BfG-Kolloquium, , Koblenz 13

14 Anforderungen an die Datenqualität Qualitätskriterien Punktdichte Streifendifferenzen (Höhenunterschied überlappender Flugstreifen) Punktdichte Streifendifferenzen Pkt/m 2 Punktdichte generell ok (2-4 Pkt/m 2 ), Geringere Pkt.dichte auf Böschungen (1 Pkt/m 2 ) Streifendifferenzen > +/- 50cm Verbesserung der Georeferenzierung notwendig BfG-Kolloquium, , Koblenz 14

15 Streifendifferenzen Details Häuser Haus Fabrikshalle 80cm BfG-Kolloquium, , Koblenz 15

16 Streifendifferenzen Graben/Ufer Graben Main-Uferböschung BfG-Kolloquium, , Koblenz 16

17 Streifendifferenzen: Details (Häuser) 21/22 20/21 19/20 Ost-West-Shift Nord-Süd-Shift N-S und O-W-Shift 24/25 Streifenübergang! 25/ BfG-Kolloquium, , Koblenz 17

18 Streifendifferenzen (19-26) 19/20 20/21 21/22 Streifenverkippung 22/23 23/24 24/25 25/ BfG-Kolloquium, , Koblenz 18

19 Streifenausgleichung Korrekturen pro Streifen X Verschiebung (Pitch Winkel-Korrektur) Y Verschiebung Z Verschiebung Roll Winkel-Korrektur Yaw Winkel-Korrektur z z z y a) x b) c) d) x y y x y z Δ Roll Δ Pitch Einfluss Δ Yaw x a) Lokales x-y-z System (Scanebene, X=Flugrichtung) b) Einfluss Roll- Komponente c) Einfluss Pitch- Komponente d) Einfluss Yaw- Komponente BfG-Kolloquium, , Koblenz 19

20 Streifendifferenzen: Zustand VOR Ausgleichung [m] BfG-Kolloquium, , Koblenz 20

21 Streifendifferenzen: Zustand NACH Ausgleichung [m] BfG-Kolloquium, , Koblenz 21

22 Histogramme der Residuen in X und Y X max: >1.0m rms: 0.35m max: <0.2m rms: 0.04m Y max: >0.3m rms: 0.13m max: <0.15m rms: 0.04m Vor Streifenausgleichung Nach Streifenausgleichung BfG-Kolloquium, , Koblenz 22

23 Verbesserte Georeferenzierung der Flugstreifen: Details Graben Uferböschung 2-fach überhöht 2-fach überhöht BfG-Kolloquium, , Koblenz 23

24 Ergebnisse: Automatische Kantenmodellierung Vor Streifenausgleichung Nach Streifenausgleichung # Kanten: 248 # Punkte: Länge: 20,3km # Kanten: 327 # Punkte: Länge: 24,8km Main-2: Kachel 4295_ BfG-Kolloquium, , Koblenz 24

25 Ergebnisse: Automatische Kantenmodellierung 173km voll automatisch prozessierte Geländekanten Straßendämme: hoher Vollständigkeitsgrad Uferböschung: WLG nur dort, wo ALS- Punkte auf Wasseroberfläche existieren Oberkante: nur teilweise in ALS-Daten als Kante ausgeprägt Kleinstrukturen (Terassen, Gräben) Detektion ok 3D-Modellierung nicht immer vollständig Interaktive Nachbearbeitung erforderlich BfG-Kolloquium, , Koblenz 25

26 Interaktive Nachbearbeitung, Detail I Ergebnisse automatischer Prozessierung Mit interaktiver Nachbearbeitung BfG-Kolloquium, , Koblenz 26

27 Interaktive Nachbearbeitung, Detail II Ergebnisse automatischer Prozessierung Mit interaktiver Nachbearbeitung BfG-Kolloquium, , Koblenz 27

28 Zusammenfassung Ableitung von 3D-Geländekanten mit I. P.F. - Methode aus ALS- Punktwolke mit hohem Automationsgrad möglich Automatische Bestimmung von Startsegmenten Automatische Modellierung der Geländekanten Anforderungen an Datenqualität: Punktdichte: mind. 2-4 Pkt./m 2 Georeferenzierung: Streifendifferenzen <10cm (ggf. Streifenausgleichung) Künstliche, geradlinige Kanten funktionieren gut Verbesserungsbedarf bei: Stark gekrümmten Kanten Linientopologie (zusammenlaufende Kanten) Manuelle Nachbearbeitung erforderlich Vervollständigung und Korrektur in graphischem Editor Bessere Ergebnisse bei Ableitung aus Punktwolke gegenüber DGM- Gitter Details in ALS-Punktwolke vorhanden DGM-Gitter meist an Böschungen geglättet BfG-Kolloquium, , Koblenz 28

29 Ausblick Segmentierung der Punktwolke Verbesserung durch: Adaptive Parameterwahl Patchbreite Patchlänge Linientopologie Rigorose Flächenanalyse Nachbearbeitung dennoch erforderlich, wegen Gelegentlich fehlender Punktdichte infolge Vegetation, etc. Nicht alles aus Vogelperspektive interpretierbar BfG-Kolloquium, , Koblenz 29

30 Explizite Geländekanten notwendig? 1m-ALS-DGM-Raster Datenreduktion mittels adaptiver TIN- Verdichtung, Höhentoleranz=0,25cm Geländekanten implizit vorhanden Danke für Ihre Aufmerksamkeit BfG-Kolloquium, , Koblenz 30