FERNERKUNDUNG Oliver Bender & Doreen Jens, Universität Bamberg BLOCK 1: 04.-06.05.2001 1.1 Einführung Was ist (Geographische) Fernerkundung? (1/2) direkte Messung - Fernmessung - Fernerkundung (engl. remote sensing) Luftbilder - Satellitenbilder: Fernerkundung ist indirektes Beobachtungsverfahren Definitionen (Geographische) Fernerkundung: kontaktloses wissenschaftliches Beobachten und Erkunden eines Gebietes aus der Ferne (LÖFFLER 1994:12) Verfahren, welche 1. zur Informationsgewinnung die elektromagnetische Strahlung benutzen, die vom beobachteten Objekt ausgeht, 2. Empfangseinrichtungen (Sensoren) in Luft- bzw. Raumfahrzeugen mit sich führen, 3. zur Beobachtung der Erdoberfläche, der Meeresoberfläche oder der Atmosphäre dienen (ALBERTZ 1991:2f.) Anwendungen der Fernerkundung (1-7) Kartographie Topographische Karten Orthophotos! Luftbildkarten Thematische Karten Geographie / Landschafts- bzw. Geoökologie "geographische Methode" von TROLL Beschreibung u. Erklärung v. Zuständen (Inventoring), Überwachung (Monitoring) Geologie & Geomorphologie Erosions- und Akkumulationsformen, Gewässernetze, Talformen, Hangneigungen etc. prakt. Anwendung: Monitoring von Erosionsschäden, Lawinenschutz, Wildbachverbauung Photogeologie, insbes. Lineamente Bodenkunde Bodenkartierung (BURINGH 1954): Hydrologie Wasser- und Überflutungsflächen, Gewässerbelastung durch Schwebstoffe, Algen in Infrarot-Bildern Einleitung von Abwässern, Vermischungsvorgänge in Thermalbildern Gletscherkartierung Klimatologie Meteorologie Oberflächentemperatur in Thermalbildern (Stadt- und Geländeklimatologie) Forstwirtschaft Forsteinrichtung,Waldschäden: Landwirtschaft Nutzungskartierung, Feststellen von Schädigungen zumeist in Satellitenbildern (Multispektral-Klassifizierung) Archäologie Erkennen von Geländedenkmälern durch shadow sides, crop sites, soil marks
Planung Grundlage für Kartierungen, Visualisierungen Fernerkundung: Info-Ressourcen (1-3) fek_lit1.doc 1.2 Physikalische Grundlagen Passive und aktive Aufnahmesysteme Geometrie und Radiometrie Dem Abbildungsprozeß liegen geometrische sowie radiometrische (physikalische) Aspekte zugrunde Elektromagnetische Strahlung (1/2) Elektromagnet. Strahlung ist eine Form der Energieausbreitung, kann als Wellenstrahlung aufgefaßt werden Gesamtheit der Strahlung wird im elektromagnetischen Spektrum dargestellt Fernerkundung benutzt je nach Verfahren einen bestimmten Teil des Spektrums: sichtbares Licht, kurzwelliges (solares) CIR, langwelliges = thermales TIR, Mikrowellen Atmosphärische Einflüsse Transmission durch atmosphärische Fenster direkte Einstrahlung Absorption diffuse Himmelsstrahlung und "Luftlicht" Bewölkung Reflexionseigenschaften (1) Reflexion abhängig von der Rauhigkeit/Oberflächenbeschaffenheit: spiegelnde Reflexion - diffuse Reflexion - gemischte Reflexion Objektform und Lichteinfall -- Mitlicht und Gegenlichtbereiche Reflexionseigenschaften (2) Reflexion > Weiß Absorption > Schwarz Reflexion/Absorption > Farben Feuchtigkeit, Vegetation Thermalstrahlung (TIR) von der Erde ausgehende Wärmestrahlung Beziehung Wellenlänge : Strahlungstemperatur über Plancksches Strahlungsgesetz Strahlungstemperatur Ts < Tr reale Temperatur 1.3 Fotographische Systeme Geschichte der (Luftbild)fotographie 1839 Erfindung der Fotographie durch NIEPCE und DAGUERRE (F) 1841 erstes Positiv-Negativ-Verfahren (Calotypie) durch TALBOT (GB)! Kopieren und Vergrößern Wachspapierverfahren durch LE GRAY (F)! feinkörnige Aufnahmen 1858/1860 erste Luftaufnahmen aus Ballon (F, USA), mit Naßkollodiumverfahren! Dunkelkammerentwicklung im Ballon (!) 2
1878 Bromsilbergelatine-Trockenplatten sowie Chlor- und Bromsilber-Papier 1889 erste Rollfilmkamera! Bildformat 6,4 cm für Luftaufnahmen noch zu klein 1900 Luftschiff ZEPPELIN (D) 1903 Motorflugzeug durch Gebr. WRIGHT (GB) 1915ff. Luftbildkamera für sich überlappende Senkrechtbilder durch MESSTER (D) 1927 erstes Bildentzerrungsgerät! Luftbildpläne 1935/36 Farbfilme durch Kodak (USA), AGFA (D) 1939-45 Entwicklung der Infrarotfilme in USA und UdSSR Fotographisches Material (1/2) strahlungsempfindliches Material = photographische Schicht (Silberbromid-, Silberjodid- oder Silberchloridemulsion auf Gelatineträger aufgebracht) dient zugleich als Speichermedium. fotographischer Prozeß (ALBERTZ 1991:26f.) panchromatische / Infrarotschichten SW-Filme / Farb-Filme Farbmischung und Belichtung der Farbschichten (ALBERTZ 1991:30; LÖFFLER 1994:38) Aufnahmewinkel Senkrechtbild / Schrägbild / Flachbild Kammern und Aufnahmeverfahren (1) Handkammern für Schrägbilder Reihenmeßkammern für Senkrechtbilder bei systematischer Flächenüberfliegung Überdeckungsregler: Längsüberdeckung; Querüberdeckung metrische Kamera = kalibriert ( innere Orientierung ) auf 1/1000mm einheitliches Bildformat 23x23 cm (früher 18x18 bzw. 13x13cm) Normbrennweite = Bilddiagonale = 300m übliche Brennweite 152mm Helligkeitsabfall zum Bildrand Aufnahmemaßstäbe: Richtwert zur topogr. Kartierung: Mb = 250 Mk Fotograph. Auflösungsvermögen Spektrale Auflösung Räumliche Auflösung Radiometrische Auflösung: Zeitliche Auflösung ("revisit time") Beschaffung von Luftbildern (1/2) Bildflugauftrag - Freigabe Landesvermessungsämter ggf. Archive Abgabeformen Luftbilder: Kontaktkopien, Vergrößerungen, Scans, Orthofotos, Luftbildkarten Bildflugübersichtskarte, Bildmittenübersicht 1.4 Satellitensysteme (Scanner- und Radarsysteme) Geschichte der Satellitenaufnahmen Spionageinstrumente 1957 Sputnik 1960 Wettersatelliten vom Typ TIROS 1972 Satellit mit CCDs 1999 IKONOS (SpaceImaging) 3
Digitale Photo- und Abtastsysteme (1/2) optisch-mechanische Scanner: optoelektronische Scanner: CCD-Technik Radarsysteme Aktive Sensorsysteme im Mikrowellenbereich Apertur - Auflösung Radarbilder Depressionswinkel Oberflächenrauhigkeit Radarschatten elektrische Eigenschaften der Materialien problemorientierte Analyse von Radarbildern Umlaufbahnen geostationär: polar: Repetitionsrate Path - Rows Bildaufnahme "spektrale Signaturen" Kanäle Hyperspektralscanner Geometrie von Scanner-Bildern jede Bildzeile mit anderer räumlichen Lage des Fernerkundungssystems Faktoren Aufnahmetechnik, Sensorbewegung, Obeflächenform des Geländes Panoramaverzerrung Erdrotation Erdkrümmung zufällige Verzerrungen Geometrie von Radar-Bildern (1/2) Lage und geometrische Verzerrung der Flächenelemente ergibt sich aus der Laufzeit der Wellenfronten, ihrem Echo und den Schrägentfernungen der Objekte Entzerrung von Radarbildern sehr aufwendig; DGM zwingend erforderlich! Erkennbarkeit von Objekten (1) Spektrale Auflösung einkanalig / mehrkanalig Räumliche Auflösung radiometrische Auflösung zeitliche Auflösung: Wiederholungsrate Erkennbarkeit von Objekten (2) daneben Faktoren wie Bildkontrast, menschliches Farb- und Objektempfinden sowie Auflösungsvermögen des Auges Mischspektrum immer 3 Kanäle zu Farbaufnahmen zusammengefügt Erkennbarkeit von Objekten auch von ihrer spezifischen Farbgebung abhängig 4
Farbtheorie: verschiedene Farbsysteme, die sowohl auf physiologischen als auch physikalischen Grundlagen basieren RGB-Farbwürfel / IHS-Kegel von Bedeutung für digitale Bildverarbeitung RGB-Farbwürfel Mischung der drei Primärfarben Primärfarben als Koordinatenachsen in einem dreidimensionalen kartesischen System additive Farbmischung: Nullpunkt liegt bei Schwarz / subtraktive Farbmischung: Nullpunkt bei Weiß Farbintensität wird pro Kanal in 256 Stufen abgelegt und gemischt Kombination von drei Kanälen: Reflexionsgrad eines jeden einzelnen Kanals wird in 256 stufige Intensitäten eingeteilt und jene dann wahlweise einem Einheitsvektor R, G oder B zugeteilt für jede Falschfarbendarstellung deshalb gewählte Farbzuweisung angeben IHS-Zylinder Intensity, Hue, Saturation Farbton und Sättigung werden als polare Farbkoordinaten in einem Kreis abgetragen Intensität verläuft in Z-Richtung, wobei 0=Schwarz und 1=Weiß 1.5 Satelliten und Sensoren Geofernerkundungssysteme Landsat Landsat 1 1972 gestartet -> erstmals größere Räume und schwer zugängliche Gebiete kartierbar Landsat 7 1999 MSS 5 Kanäle, TM 7 Kanäle, ETM+ 8 Kanäle (R/G/B/NIR/SWIR/SWIR/LWIR/PAN) Schwerpunkte bei der Auswertung von TM-Bändern: Band 1: Boden- und Vegetationsdifferenzierung, Waldtypen Band 2: s.o. Band 3: Vegetationsdifferenzierung, geologische Anwendungen Band 4: Biomassenkartierung Band 5: Gesteine, Böden, Wassergehalt der Vegetation Band 6: thermale Kartierung Band 7: hydrothermale Kartierungen von Gesteinen SPOT -1 bis -4 IRS ERS-1/-2 JERS IKONOS METEOSAT NOAA COSMOS Datenquellen und Kosten erst seit 1990 hochauflösende Daten freigegeben Kriterien für Sensorwahl: Auflösung - Kosten,... Beschaffung von Satellitenbildern: www.sirius.spotimage.fr/anglais/welcomehtm SPOT-Katalog ims.dfd.dlr.de EOS Data Gataway www.infeo.org Katalog des Joint Research Centre of the European Commission www.eurimage.com/einet/einet_home.shtml jupiter.esrin.esa.it ESA Multimission Katalog www.imagenet.com 5
2.1 Luftbildeigenschaften und analoge Photogrammetrie Geometrische Luftbildeigenschaften (1) bei Geneigt-Aufnahmen (schräg, flach) bei Senkrechtaufnahmen: bis 3 Abweichung von Senkrechten tolerierbar, ansonsten Entzerrung nötig Verkantung durch kurzzeitiges Abdriften vom Kurs Geometrische Luftbildeigenschaften (2) bei Senkrechtaufnahmen Zentralprojektion nur die Bildmitte (als Projektion des Nadirs) ist lagetreu, alle höherliegenden Punkte werden radial nach außen, alle tieferliegenden Punkte nach innen verzerrt Verzerrung umso größer, je weiter der Abstand vom Nadir, je größer die Höhendifferenz zum Nadir, je niedriger die Flughöhe Luftbild - Begriffe (1/2) Nadirpunkt (N) Bildmittelpunkt (H oder M oder N') Übertragener Bildmittelpunkt Brennweite (f) Flughöhe (H) Aufnahmebasis (b) Bildbasis (b') Maßstabsberechnung Bildmaßstab variiert mit der Höhenlage im Verhältnis zum Bildmittelpunkt/Nadir: Mb = Mk x Sk / Sb Mb = Bildbasis b / Aufnahmebasis b = Brennweite f / Flughöhe hg b = Strecke der Bildmittelpunkte [H1H2 (+ H1 H2 )] / 2 Parallaxe (1/2) physiologische Parallaxe α ~ scheinbare Verschiebung des Objekts vor dem Hintergrund Horizontalparallaxe ist das lineare Maß der scheinbaren Lageverschiebung auf der Netzhaut (Sl - Sr) Tiefenunterscheidungsvermögen - Stereosehschwelle Stereosehen Anaglyphenbild - Bi-Color Brille (z.b. Rot-Grün) Stereoskop - stereoskopischer Effekt - Stereobildpaar mit 60% Überdeckung Funktion des Stereoskops (1/2) Konvergenz und Akkomodation des Augenapparates entkoppelt Sammellinse des Gerätes übernimmt die Akkomodation Parallaxe hierdurch unterschiedliche Aufnahmeposition hervorgerufene scheinbare Lageverschiebung p = H1A - (- H2A ) parallel zur Bildachse gemessener Abstand des Punktes A bzw. A vom jew. Bildmittelpunkt p = H1H2 - A A Differenz Abstand Bildmittelpunkte H1H2 - Abstand Bildpunkte A A Linsenstereoskop - Spiegelstereoskop Überhöhung (1/2) Verkürzung des horizontalen Maßstabs im Vergleich zum unveränderten vertikalen Maßstab Überhöhungsfaktor zu ermitteln aus dem Verhältnis Flugbasis / Flughöhe Überhöhungstabelle erlaubt Umrechnung der scheinbaren in die wahre Hangneigung pseudoskopischer Effekt 6
Höhenbestimmung (1) aus der radialen Versetzung oder aus Schattenlängen mit der Methode Stellingwerf (DIETZ 1981:83) mit Hilfe des Stereomikrometers (Prinzip der wandernden Marke) Berechnung der Parallaxendifferenz /\ p (mm) durch mehrfaches Messen für Fußpunkt A und oberen Punkt B (genauer als Bestimmung mit Lineal!) Mikrometerschraube scharf stellen mit Kreuzhälften, abzulesen mit Kreis Verfahren hat nur Näherungscharakter zwischen naheliegenden Punkten (Böschungs- u. Gebäudehöhen u.ä.) /\ p < 3mm. zur Fehlerdiskussion WEIMANN 1984:84f. Stereokartiergeräte bieten vollständige Lösung der Meßaufgabe Höhenbestimmung (2) Höhenunterschied /\ h = /\ p x hg / ( b + /\ p) hg = Flughöhe über Grund b = Bildbasis (Strecke H1H2) Hangneigung tan α = /\ h / s s = Geländestrecke zur Bildstrecke AB sb = Bildstrecke AB Geländestrecke s = hg x sb / f f = Brennweite (= Kammerkonstante) Flughöhe hg = f x s / sb bei s, sb möglichst das Mittel aus 2 Diagonalstrecken hg = f / Mb Korrektur reliefbedingter Lagefehler Berechnung für Einzelpunkte Lagefehler /\ r = r x /\ z / (hg - /\ z) r = Entfernung des Bildpunktes zum Bildmittelpunkt hg = Flughöhe /\ z = Objekthöhe über NN - Höhe Nadir über NN Entzerrung von Einzelpunkten im Stereomodell nach MÜHLFELD (bei DIETZ 1981:79, 80) Markieren der Bildmittelpunkte H1 u. H2 und übertragen in das korrespondierende Luftbild Markieren des zu entzerrenden Punktes in beiden Luftbildern: A und A auf Transparent: Einzeichnen der Bildbasis b = H1H2 sowie je einen Strahl H1A und H2A! die beiden Strahlen schneiden sich in Punkt A, der entzerrten Position Aero-Triangulation = Entzerrung mehrere Stereomodelle umfassenden Gebiets mit Paßpunkten mit Arundel Methode oder mit Einzelschablonen (DIETZ 1981:80-82, LÖFFLER 1994:106) Entzerrung für Übertrag in Karte Aufgabe nur für (annähernd) ebenes Gelände lösbar bzw. benötigt vorherige Korrektur der reliefbedingten Lagefehler Papierstreifenverfahren (=Vierpunktverfahren): Umzeichnung von Punkten (ALBERTZ 1991:128) Verfahren der projektiven Netze (ALBERTZ 1991:129) Luftbildumzeichner: Stereo-Zoom-Transfer-Scope / Entzerrungsgerät (ALBERTZ 1991:130) Analoge Kartenherstellung Stereokartierung (ALBERTZ 1991:133ff.) mit Stereokartiergeräten (z.b: ZEISS Stereocord G 3, Planicomp P 1) im Stereomodell sucht Auswerter mit der wandernden Marke zu kartierende Punkte auf Lagekoordinaten dieser Bewegungen auf die Zeichenfläche übertragen! Ableitung einer senkrechten Parallelprojektion Differentialentzerrung mit Orthoprojektor (ALBERTZ 1991:136) Kombination von Entzerrung und Stereoauswertung = gelände- und projektionsbedingte Entzerrung winzige Abschnitte werden durch Vergleich mit dem Zentralpunkt umkopiert inzwischen auch digital lösbar (vgl. 2.2) 7
2.2 Digitale Photogrammetrie Paßpunkt-Transformation Ground Control Points, GCP mit bekannten Koordinaten affine, polynomiale, stückweise affine sowie planar-projektive Transformation Ermittlung mathematischer Funktion, die jedes Bildelement in Ziel-Koordinatensystem transformiert. Monoplotting 1 Bild + DGM 3-D Koordinaten (X,Y,Z) von linien- oder punktförmigen Objekten aus Einzelbildern gewonnen Orthofotoherstellung (1) Stereopaar, DGM Innere Orientierung: Rekonstruktion gegenseitiger Lage zwischen der Bildebene und dem Projektionszentrum Äußere Orientierung: Rekonstruiert Lage des Aufnahmesystems (Luftbildkamera) zum Belichtungszeitpunkt in der Regel durch Paßpunkte und sowie "räumlichen Rückwärtsschnitt" (Aerotriangulation) Softcopy-Photogrammetrie 3. Digitale Bildverarbeitung Einführung Rohdaten der Fernerkundung durch digitale Bildbearbeitungsschritte für eine Interpretation vorbereiten und optimieren einfache Kontrastverstärkungen bis zu komplexen Analyse der Bild- oder Spektralsignaturen Bildmatrix mathematische Transformation der Ursprungsmatrix in eine neue Bildmatrix geometrische Transformationen radiometrische Transformationen monochrom panchromatisch oder multispektral chromatisch Bildkorrektur Geometrische Fehler Radiometrische Fehler echte Fehler (STRIPING, BANDING, LINE DROPOUT) Bildverbesserung (Image Enhancement) Prozeß, einen digitalen Datenbestand leichter interpretierbar zu machen Histogramm Minimaler und maximaler DN-Wert mittlerer Grauwert Standardabweichung und Varianz Einfache Bildverbesserung (radiometric enhancement) 'Kontrastdehnen' 'Look Up Tables' (LUT) - 'LUT-strech' Gaußsche Streckung / Standardabweichung-Streckung 8
Übung - Histogramm ArcView Extensions: Image Analysis, IMAGINE Image Support Spectral Enhancement (1/2) Arithmetische Pixeloperationen Summen- und Differenzbildung: Ratiobildung, insbes. Vegetationsindex bzw. Standardisierter Vegetationsindex (SDV/NDVI) Übung - Vegetativ Index ArcView Extensions: Image Analysis Komplexe Pixeloperationen Hauptkomponenten-Transformation Spektrale Verschneidung Farbraumtransformationen Filterung (Spatial enhancement) Werte von Rasterzellen werden in Abhängigkeit von umgebenden Pixeln verändert. Koeffizientenmatrix Filtertypen (1) Filtermatrizen (kernel) gleitende Fenster (moving window) high pass filter low pass filter bewegter oder gleitender Mittelwert (moving average) Median-Filter kantenverstärkende Sobel- oder Laplace-Operatoren Übung - Filter ArcView: Image Analysis Extension Sharpen: 5x5 matrix Smooth: 3x3 matrix 9