Luftbildanalyse und Fernerkundung 6. Einheit 11. November 2004 + Beginn pünktlich 14:00 Uhr + Folien zur Vorlesung unter http://homepage.univie.ac.at/thomas.engleder + Rückmeldungen, Anregungen, Kritik, Verbesserungsvorschläge,... * persönlich nach der LV * per e-mail (thomas.engleder@univie.ac.at) * auf der Rückseite der Anwesenheitsliste + Übung! 1 2 1
Überblick zu Luft- und Satellitenbildern + Arten von Luft- & Satellitenbilden (Fortsetzung) + Möglichkeiten der Bildverarbeitung + Bezugsquellen + Kosten 3 Beispiele von Wettersatelliten 4 2
Meteosat, IR s/w Aufnahme des Satelliten METEOSAT 5 im infraroten Spektralbereich Der Grauwert ist ein Maß für die Temperatur: "weiß" bedeutet "kalt" und "schwarz" bedeutet "warm". Hohe und hochreichende Bewölkung, z.b. Gewitterwolken, erscheinen daher weiß (sehr kalt), tiefliegende Wolken und Nebel sind grau. 5 Meteosat, IR farb Aufnahme des Satelliten METEOSAT 7 im infraroten Spektralbereich Der Grauwert ist ein Maß für die Temperatur: "weiß" bedeutet "kalt" und "schwarz" bedeutet "warm". Hohe und hochreichende Bewölkung, z.b. Gewitterwolken, erscheinen daher weiß (sehr kalt), tiefliegende Wolken und Nebel sind grau. Landmassen sind in dieser Darstellung grün eingefärbt, Wassermassen blau. 6 3
GOES, IR man beachte: Temperaturunterschiede äquatoriale Tiefdruckrinne 7 GOES, IR 8 4
GOES, VIS 9 Aufnahme des Satelliten METEOSAT 7 im sichtbaren Spektralbereich. Anders als im infraroten Spektralbereich, sind die Wolken hier nur tagsüber zu sehen. 01.00 Uhr MEZ 04.00 Uhr MEZ 07.00 Uhr MEZ 10.00 Uhr MEZ 10 5
GOM, IR 11 Russische Daten hochauflösend Auf der russischen Raumstation MIR wurden optische Kameras mitgeführt, die fotografische Aufnahmen der Erdoberfläche lieferten. Die Filme wurden mit dem Shuttle "SOYUZ" zur Erde gebracht und die Aufnahmen können in Form von Filmen oder eingescannt als digitale Daten bezogen werden. Die Besonderheit dieser Daten sind ihre hohe Auflösung. Es gibt sowohl Schwarz/Weiß-Aufnahmen als auch Farbaufnahmen. KFA 1000, MK 4 und KATE 200 nehmen mit einer Überlappung von 60 % auf und eignen sich daher zur Stereoauswertung (Digitale Geländemodelle). MIR ist am 23. März 2001 zum Absturz gebracht worden. 12 6
Russische Daten sind auch vom Satelliten COSMOS verfügbar, der mit der KVR 1000 Kamera aufnimmt. Dieser Satellit aus der russischen Militär-Generation kreist in einer Höhe von 200 km um die Erde und nimmt nur panchromatische Bilder auf. Die Lebensdauer eines Satelliten beträgt lediglich 45 Tage aufgrund der limitierten Film- und Antriebsmittelvorräte. Wegen des militärischen Charakters der Mission sind bestimmte Informationen über Aufnahmen des Satelliten nicht verfügbar. 13 14 7
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Militärische Satelliten was ist Stand der Technik? Dass sich per Satellit die Nummernschilder von Autos und die Überschriften von Zeitungen auf den Straßen Moskaus entziffern lassen, gehört zwar ins Reich der Legenden. Doch mit einer Auflösung von 10 Zentimetern übertrifft die Flotte der "Keyhole-12"-Satelliten die Fähigkeiten der kommerziellen Anbieter ganz erheblich. Während sich auf den Ikonos-Bildern PKWs von Lastwagen unterscheiden lassen, können die Militärs auf den Aufnahmen der KH-12-Satelliten sogar das Fabrikat der PKWs identifizieren. Die Amerikaner betreiben fünf oder sechs dieser himmlischen Spüraugen, jedes ist über eine Milliarde Dollar teuer, jedes übertrifft mit seinem vier Meter großen Spiegelobjektiv sogar das Weltraumteleskop Hubble, dessen Spiegel nur 2,4 Meter groß ist. Die KH-12-Satelliten besitzen ein eigenes Antriebssystem, mit dem sich ihre Bahnen schnell den Bedürfnissen der Militärs anpassen lassen. 17 Die Auflösung dieser "Schlüsselloch"-Satelliten reicht zum Beispiel aus, um uniformierte Soldaten von Zivilpersonen zu unterscheiden. Militärische Radarsatelliten (wetterunabhängig, vgl. Wolken!) Da die Auflösung von der Wellenlänge der verwendeten Strahlung abhängt, liefert die langwellige Radarstrahlung wesentlich schlechtere Bilder. Werden mehrere Radarbilder miteinander kombiniert, die ein Satellit entlang seiner Bahn aufnimmt können die Ergebnisse erheblich verbessert werden. Auf diese Weise erreichen zum Beispiel die geheimen amerikanischen "La-crosse"-Satelliten eine Auflösung von 1 Meter. 18 9
Abbildende Spektrometer, die multispektrale Daten in sehr engen Spektralbändern des sichtbaren Lichts, des nahen und mittleren Infrarots aufzeichnen. Die hohe spektrale Auflösung der objektspezifischen spektralen Signaturen in mehr als 15, generell jedoch in 30-200 aneinandergrenzenden Kanälen gestattet die Dokumentation eines nahezu kontinuierlichen Spektrums für jedes Bildelement. 19 Möglichkeiten der Bildverarbeitung Vielzahl von Techniken Es liegt aber nahe zwischen dem Vorgang der Bildverarbeitung und der eigentlichen Auswertung zu unterscheiden. Bildverarbeitung: alle jene Verfahren, die die Störeinflüsse der Daten reduzieren analoge Bildverarbeitung herkömmliche fotografische Techniken (Kontrastveränderung, Entzerrung,...) digitale Bildverarbeitung Vielzahl von neuen Techniken (digitale Bildverbesserung, Kontrastverbesserung, Filter, Transformationen, Farbcodierung, Kombination von unterschiedlichen Kanälen und Bildern,...) 20 10
Bildauswertung: alle Verfahren, die dazu dienen, aus den vorliegenden Daten die für den jeweiligen Anwendungszweck gewünschten Informationen oder Produkte abzuleiten. visuelle Interpretation/Auswertung photogrammetrische Auswertung digitale Bildauswertung 21 Allgemeines zur digitalen Bildverarbeitung Unter digitaler Bildverarbeitung sind all jene Verfahren zu verstehen, welche die Rohdaten der Fernerkundung durch digitale Bearbeitungschritte für eine geowissenschaftliche Interpretation vorbereiten und optimieren. Diese Schritte beinhalten auch das Digitalisieren von Analogdaten, deren Fehlerbereinigung und zielgerichtete Manipulation. Es können so feinste Unterschiede im Bildinhalt mit Hilfe des Rechners verstärkt und ausgewertet werden. Die Interpretation selbst ist streng genommen ein sich anschließender Schritt der Bildverarbeitung, und kann (teil-) automatisiert oder manuell erfolgen. 22 11
Die Zielsetzungen, die bei der digitalen Verarbeitung von Bilddaten verfolgt werden sind sehr verschieden. Sie reichen von einfachen Kontrastveränderungen bis zu komplexen Analysen der Bild- oder Spektralsignaturen. Für die Interpretation von Luft- und Satellitenbildern haben sich jedoch eine Anzahl von grundlegenden Operationen bewährt. Softwarepakete für Bildbearbeitung & -auswertung: + ErdasImagine + Photoshop + ArcGis + etc. 23 Analoge und digitale Bilder Luft- und Satellitenbilder liegen entweder primär analog (Foto) oder digital (Datenträger) vor. Beide Formen können über Digitalisierungs- oder Druckprozessse ineinander überführt werden (Analog/Digital- bzw. Digital/Analog- Wandlung). Fotografische Bilder speichern die Information analog in Form von kontnuierlichen Grau- oder Farbwerten auf der fotografischen Schicht. Manipulationen sind eigentlich nur während des Aufnahme- und Entwicklungsprozesses möglich. Digitale Bilder bestehen stets aus matrixnumerisch kodierten Zahlenreihen bzw. -werten, die jederzeit erneut über Programme kopiert bzw. manipuliert werden können. 24 12
Man unterscheidet prinzipell zwei Arten von raumbezogenen digitalen Geometriedaten: + digitale Vektordaten + digitale Rasterdaten Digitale Vektordaten können einzeln (Linien) oder verknüpft (Polygone) vorliegen. Rasterdaten beinhalten unterschiedliche Einzelpixel oder rechteckig angeordnete Pixelhaufen. Beide Datentypen werden in Geoinformationssystemen miteinander kombiniert. 25 Vektor & Raster graphische Ausgestaltung der beiden grundsätzlichen Datentypen 26 13
In der Geofernerkundung spielen die Rasterdaten die wichtigste Rolle, da die Satellitensensoren (z.b. Scanner, SAR, CCD) diesen Datentyp primär generieren. Vektordaten werden bei Bedarf immer erst sekundär dem Datensatz hinzugefügt um linienhafte Geo-Ojekte (Isolininien, Strassen etc. ) zu kartographischen oder allg. Geoinformationszwecken mit den Fernerkundungsdaten zu verschneiden. 27 Auch fotografische Bilder müssen für die digitale Bildverarbeitung digitalisiert, d.h. ihre analoge Information muss in eine numerisch kodierte Rasterform überführt werden. Dieser Prozess wird Analog/Digital-Wandlung genannt (A/D- Wandlung) und von jedem Scanner durchgeführt. Der Umgekehrte Weg (D/A) führt zur Bildwiedergabe (Drucken). Bei der A/D-Wandlung werden fotografische Bilder in definierte Geometrieeinheiten zerlegt (Pixel) von dem jede eine Ziffer (Farb- oder Grauwertkodierung) erhält: Das Bild wird aufgerastert! 28 14
Die Überlagerung mit einem rechteckigen Raster quadratischer Elemente führt zu der Frage, wie eng muß mein Raster sein, damit ich Objekte noch als solche erkennen kann? Primäre Fernerkundungsrasterdaten (z.b. TM) besitzen ihre eigene Rastergeometrie (z.b. 180 km x 180 km bei 30m/Pixel ~ 6000 x 6000 Pixel). Analoge Bildvorlagen besitzen eine andersartige Auflösung und müssen deshalb so fein gescannt werden (Rasterweite), daß jedes Objekt im Rasterdatensatz gut erkannt werden kann. Grundsätzlich geht bei der nicht hinreichend feinen Rasterung Information verloren, da Quadrate, die keine vollständige Grauwertausfüllung haben, nicht mit Ziffern belegt werden; die Abbildung wird blockhaft! 29 Scannen... analog digital Prozess der Digitalisierung über einen Scanner Prozess der Digitalisierung 30 15
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DIGITALE BILDVERARBEITUNG Neue Dimension der Fotografie Fotografie kann heute - ca. eineinhalb Jahrhunderte nach ihrer Erfindung - wesentlich mehr als nur naturgetreu wiedergeben. Die Bildverarbeitung kann ein analog, aber auch ein digitales erzeugtes Bild weiterverarbeiten: ANALOG - DIGITAL, DIGITAL ANALOG TV - Kamera oder ein Scanner tastet das optisch erzeugte Bild Punkt für Punkt (= PIXEL) und Zeile für Zeile ab. Helligkeit und Grauwert (Farbe) der einzelnen Bildpunkte (Pixel) werden in elektrische Signale umgesetzt Im Computer wird das in elektrische Signale (Impulse) zerlegte = digitalisierte Bild nach Wunsch verarbeitet = ausgewertet. Darstellung auf Bildschirm oder Ausgabe als Hardcopy digitales Bild Interaktive Bearbeitung am Bildschirm (optimales Ergebnis) 33 verschiedene digitale Bildverarbeitungschritte an Hand von ausgewählten Beispielen... 34 17
Interpolation 35 durch Kontrastverbesserung Grauwertveränderung 36 18
Filter Hochpassfilter (Verbesserung der Detailwiedergabe) Tiefpassfilter (Rauschunterdrückung) 37 Kontrastausgleich (Bsp. Wolkenschatten) 38 19
Farbcodierung von Grauwerten 39 40 20
Ratiobildungen arithmetische Operationen Werte eines Kanals werden durch die Werte eines anderes Kanals dividiert neue Bilddatensätze 41 abgeleitete Daten 42 21
Redundante Information einzelner Kanäle bündeln neue Datensätze mit wesentlichen Informationen (& Reduktion der Datenmengen) häufige Methode: Hauptkomponenten-Transformation (engl. Principal Component Transformation) 43 44 22
Kombination mehrerer Bilder 45 Kombination farbig & pan 46 23
multitemporal 47 Wie kommen die Farben im Satellitenbild zustande? Grauton-Bilder einzelner Spektralbereiche werden den 3 Grundfarben zugeordnet Aus den Daten des LANDSAT-TM, Kanäle 1,2,3 (= Sprektralbereiche: Blau, Grün, Rot) kann ein Echtfarbenbild kreiert werden Messwerte-Klassen werden einer Farbskala zugeordnet Einzelne Grauwerte-Bereiche werden bestimmten Farben zugeordnet Farbzuordnung von Oberflächenklassen wie bei einer thematischen Karte = rechnerische Klassifizierung (Digitale Bildverarbeitung) 48 24
Beschafftung von Luft- und Satellitenbildern und deren Kosten 49 Bezugsquellen für Luftbilder (Bsp. Deutschland) Luftbilder sind im Laufe der Zeit von den unterschiedlichsten Institutionen und Firmen in Auftrag gegeben, von den unterschiedlichsten Auftragnehmern angefertigt und schließlich von den unterschiedlichsten Nutzern verwendet worden. Ein Zentralarchiv für Luftbilder existiert in Deutschland nicht. Folglich kommen auch die unterschiedlichsten Quellen in Frage. In jedem Einzelfall ist zu prüfen, ob und wo Luftbilder eines bestimmten Gebietes und Zeitraumes vorhanden sind und ob sie nutzbar oder mit irgendwelchen restriktiven Auflagen belegt sind. Mögliche Bezugsquellen sind: Bundesarchive, Bundeswehrarchive, Hauptstaatsarchive, Kampfmittelräumdienste, Katasterämter, Landesvermessungsämter, Luftbildfirmen, Luftbildarchive der Alliierten, Luftbilddatenbank Würzburg, Ordnungsämter, Regierungspräsidien, Staatsarchive, Stadtarchive, Umweltämter, Universitäten und Vermessungsämter, Ämter für Stadtplanung, und -entwicklung, 50 25
Orthofoto Preisbeispiel Bayern 51 Bezugsquellen für Orthofotos in Österreich + BEV (Bundesamt f. Eich- und Vermessungswesen) + Landesregierungen vgl. www.geoland.at + Stadtverwaltungen 52 26
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Preisbeispiel Orthofoto, Land OÖ 1 km2-0,25 m Auflösung 55 EUR farb/km2 35 EUR sw/km2 Ermässigungen: z.b. 75 % für Forschung & Bildung 55 Bsp. Farborthofotos für das Stadtgebiet von Linz 56 28
oder 2.481,87 EUR in s/w 57 Wie komme ich zu Satellitenbilddaten? Im Gegensatz zum LB = staatliche Regelung, gelten für Satellitenbilddaten praktisch einheitliche Bedingungen je nach Satelliten-, Sensorbetreiber Vertrieb der Landsat-Daten durch das USGS in den USA (= U.S. Geological Survey) weltweit Bodenstationen (die Daten empfangen + aufbereiten + vertrieben) viele Vertriebsorganisationen in den europäischen Staaten vgl. Fernerkundungsdatenzentrum in Österreich; (http://ofd.ac.at/ofd/hmofd.html, Fa. GEOSPACE in Salzburg) www.eurimage.com 58 29
Das Landsat-7-Programm wurde initiiert durch die U.S. Presidential Decision Directive vom Mai 1994. Das Programm wird gemeinsam geleitet von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und dem U.S. Geological Survey (USGS). Die Zuständigkeiten sind dabei wie folgt: NASA ist verantwortlich für das technische Design, die Entwicklung, den Start und die Kontrolle des Satelliten im Orbit; den Entwurf, die Entwicklung und Installation des Bodensystems; und den Betrieb des Satelliten bis Oktober 2000. USGS ist verantwortlich für den Empfang, die Verarbeitung und den Vertrieb der Daten; das Management der Mission; den Betrieb eines Langzeit-Archivs für Landsat-Daten; und übernimmt ab Oktober 2000 den Betrieb des Satelliten. Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) betreibt im Rahmen des Earthnet-Programms der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) eine Bodenstation für den Empfang und die Verarbeitung von Landsat 7 ETM+ Daten. Seit dem 28. 59 Juli 1999 werden diese Daten regelmäßig empfangen und verarbeitet. Worldwide Reference System (Landsat) Eine Szene durch Nummer der Umlaufbahn (PATH) + Nummer der Zeile (ROW) identifizierbar. 185 x 185 km 60 30
15 September 1999 Path 191, Row 027 This scene was acquired by the ETM+ sensor, which has a 15m panchromatic (black & white) band in addition to six 30m optical bands and a 60m thermal band. 61 11 July 1984 Path 191, Row 027 Landsat TM 62 31
www.eurimage.com, Quickbird-Szenensuche text 63 64 32
Aufgabe Machen Sie sich vertraut mit der Linkliste auf der hp 65 33