Folie 1

Luftbildanalyse und Fernerkundung

6. Einheit – 11. November 2004

+ Beginn pünktlich 14:00 Uhr

+ Folien zur Vorlesung unterhttp://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!

Überblick zu Luft- und Satellitenbildern

+ Arten von Luft- & Satellitenbilden (Fortsetzung)

+ Möglichkeiten der Bildverarbeitung

+ Bezugsquellen + Kosten

Beispiele von Wettersatelliten

Meteosat, IR

s/w

Aufnahme des SatellitenMETEOSAT 5 iminfrarotenSpektralbereichDer Grauwert ist ein Maßfür die Temperatur:"weiß" bedeutet "kalt"und "schwarz" bedeutet"warm".

Hohe und hochreichendeBewölkung, z.B.Gewitterwolken,erscheinen daher weiß(sehr kalt), tiefliegendeWolken und Nebel sindgrau.

Meteosat, IR

farb

Aufnahme des SatellitenMETEOSAT 7 iminfrarotenSpektralbereichDer Grauwert ist ein Maßfür die Temperatur:"weiß" bedeutet "kalt"und "schwarz" bedeutet"warm".

Hohe und hochreichendeBewölkung, z.B.Gewitterwolken,erscheinen daher weiß(sehr kalt), tiefliegendeWolken und Nebel sindgrau.Landmassen sind indieser Darstellung grüneingefärbt,Wassermassen blau.

GOES, IR

man beachte:

Temperatur-

unterschiede

äquatoriale

Tiefdruckrinne

GOES, IR

GOES, VIS

Aufnahme desSatellitenMETEOSAT 7 imsichtbarenSpektralbereich.

Anders als iminfrarotenSpektralbereich,sind die Wolkenhier nur tagsüberzu sehen.

01.00 Uhr MEZ

10.00 Uhr MEZ

07.00 Uhr MEZ

04.00 Uhr MEZ

GOM, IR

Russische Daten – hochauflösend

Auf der russischen Raumstation MIR wurden optischeKameras mitgeführt, die fotografische Aufnahmen derErdoberfläche lieferten.

Die Filme wurden mit dem Shuttle "SOYUZ" zur Erdegebracht und die Aufnahmen können in Form von Filmenoder eingescannt als digitale Daten bezogen werden.

Die Besonderheit dieser Daten sind ihre hohe Auflösung. Esgibt sowohl Schwarz/Weiß-Aufnahmen als auchFarbaufnahmen. KFA 1000, MK 4 und KATE 200 nehmenmit einer Überlappung von 60 % auf und eignen sich daherzur Stereoauswertung (Digitale Geländemodelle).

MIR ist am 23. März 2001 zum Absturz gebracht worden.

Russische Daten sind auch vom Satelliten COSMOSverfügbar, der mit der KVR 1000 Kamera aufnimmt.

Dieser Satellit aus der russischen Militär-Generation kreist ineiner Höhe von 200 km um die Erde und nimmt nurpanchromatische Bilder auf.

Die Lebensdauer eines Satelliten beträgt lediglich 45 Tageaufgrund der limitierten Film- und Antriebsmittelvorräte.

Wegen des militärischen Charakters der Mission sindbestimmte Informationen über Aufnahmen des Satelliten nichtverfügbar.

Militärische Satelliten … was ist Stand der Technik?

Dass sich per Satellit die Nummernschilder von Autos und dieÜberschriften von Zeitungen auf den Straßen Moskaus entziffernlassen, gehört zwar ins Reich der Legenden.

Doch mit einer Auflösung von 10 Zentimetern übertrifft die Flotte der"Keyhole-12"-Satelliten die Fähigkeiten der kommerziellen Anbieterganz erheblich. Während sich auf den Ikonos-Bildern PKWs vonLastwagen unterscheiden lassen, können die Militärs auf denAufnahmen der KH-12-Satelliten sogar das Fabrikat der PKWsidentifizieren.

Die Amerikaner betreiben fünf oder sechs dieser himmlischenSpüraugen, jedes ist über eine Milliarde Dollar teuer, jedes übertrifft mitseinem vier Meter großen Spiegelobjektiv sogar das WeltraumteleskopHubble, dessen Spiegel nur 2,4 Meter groß ist.

Die KH-12-Satelliten besitzen ein eigenes Antriebssystem, mit dem sichihre Bahnen schnell den Bedürfnissen der Militärs anpassen lassen.

Die Auflösung dieser "Schlüsselloch"-Satelliten reicht zum Beispielaus, um uniformierte Soldaten von Zivilpersonen zu unterscheiden.

Militärische Radarsatelliten (wetterunabhängig, vgl. Wolken!)

Da die Auflösung von der Wellenlänge der verwendeten Strahlungabhängt, liefert die langwellige Radarstrahlung wesentlichschlechtere Bilder.

Werden mehrere Radarbilder miteinander kombiniert, die ein Satellitentlang seiner Bahn aufnimmt können die Ergebnisse erheblichverbessert werden.

Auf diese Weise erreichen zum Beispiel die geheimenamerikanischen "La-crosse"-Satelliten eine Auflösung von 1 Meter.

Abbildende Spektrometer, die multispektrale Daten in sehr engenSpektralbändern des sichtbaren Lichts, des nahen und mittleren Infrarotsaufzeichnen. Die hohe spektrale Auflösung der objektspezifischen spektralenSignaturen in mehr als 15, generell jedoch in 30-200 aneinandergrenzendenKanälen gestattet die Dokumentation eines nahezu kontinuierlichen Spektrumsfür jedes Bildelement.

Möglichkeiten der Bildverarbeitung

Vielzahl von Techniken

Es liegt aber nahe zwischen dem Vorgang der Bildverarbeitung undder eigentlichen Auswertung zu unterscheiden.

Bildverarbeitung:

alle jene Verfahren, die die Störeinflüsse der Daten reduzieren

 analoge Bildverarbeitungherkömmliche fotografische Techniken

(Kontrastveränderung, Entzerrung, ...)

 digitale Bildverarbeitung

Vielzahl von neuen Techniken

(digitale Bildverbesserung, Kontrastverbesserung, Filter,Transformationen, Farbcodierung, Kombination vonunterschiedlichen Kanälen und Bildern, ...)

Bildauswertung:

alle Verfahren, die dazu dienen, aus den vorliegenden Daten die fürden jeweiligen Anwendungszweck gewünschten Informationen oderProdukte abzuleiten.

 visuelle Interpretation/Auswertung

 photogrammetrische Auswertung

 digitale Bildauswertung

Allgemeines zur digitalen Bildverarbeitung

Unter digitaler Bildverarbeitung sind all jene Verfahren zuverstehen, welche die Rohdaten der Fernerkundung durchdigitale Bearbeitungschritte für eine geowissenschaftlicheInterpretation vorbereiten und optimieren.

Diese Schritte beinhalten auch das Digitalisieren vonAnalogdaten, deren Fehlerbereinigung und zielgerichteteManipulation.

Es können so feinste Unterschiede im Bildinhalt mit Hilfe desRechners verstärkt und ausgewertet werden.

Die Interpretation selbst ist streng genommen ein sichanschließender Schritt der Bildverarbeitung, und kann (teil-)automatisiert oder manuell erfolgen.

Die Zielsetzungen, die bei der digitalen Verarbeitung vonBilddaten verfolgt werden sind sehr verschieden.

Sie reichen von einfachen Kontrastveränderungen bis zukomplexen Analysen der Bild- oder Spektralsignaturen.

Für die Interpretation von Luft- und Satellitenbildern haben sichjedoch eine Anzahl von grundlegenden Operationen bewährt.

Softwarepakete für Bildbearbeitung & -auswertung:

+ ErdasImagine

+ Photoshop

+ ArcGis

+ etc.

Analoge und digitale Bilder

Luft- und Satellitenbilder liegen entweder primär analog (Foto) oderdigital (Datenträger) vor.

Beide Formen können über Digitalisierungs- oder Druckprozessseineinander überführt werden (Analog/Digital- bzw. Digital/Analog-Wandlung).

Fotografische Bilder speichern die Information analog in Form vonkontnuierlichen Grau- oder Farbwerten auf der fotografischen Schicht.

Manipulationen sind eigentlich nur während des Aufnahme- undEntwicklungsprozesses möglich.

Digitale Bilder bestehen stets aus matrixnumerisch kodiertenZahlenreihen bzw. -werten, die jederzeit erneut über Programmekopiert bzw. manipuliert werden können.

Man unterscheidet prinzipell zwei Arten von raumbezogenendigitalen Geometriedaten:

+ digitale Vektordaten

+ digitale Rasterdaten

Digitale Vektordaten können einzeln (Linien) oder verknüpft(Polygone) vorliegen.

Rasterdaten beinhalten unterschiedliche Einzelpixel oderrechteckig angeordnete Pixelhaufen.

Beide Datentypen werden in Geoinformationssystemenmiteinander kombiniert.

Vektor

Raster

graphischeAusgestaltung derbeiden grundsätzlichenDatentypen

In der Geofernerkundung spielen die Rasterdaten diewichtigste Rolle, da die Satellitensensoren (z.B. Scanner,SAR, CCD) diesen Datentyp primär generieren.

Vektordaten werden bei Bedarf immer erst sekundär demDatensatz hinzugefügt um linienhafte Geo-Ojekte (Isolininien,Strassen etc. ) zu kartographischen oder allg.Geoinformationszwecken mit den Fernerkundungsdaten zuverschneiden.

Auch fotografische Bilder müssen für die digitaleBildverarbeitung digitalisiert, d.h. ihre analoge Informationmuss in eine numerisch kodierte Rasterform überführtwerden.

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 indefinierte Geometrieeinheiten zerlegt (Pixel) von dem jedeeine Ziffer (Farb- oder Grauwertkodierung) erhält: Das Bildwird aufgerastert!

Die Überlagerung mit einem rechteckigen Raster quadratischerElemente führt zu der Frage, wie eng muß mein Raster sein,damit ich Objekte noch als solche erkennen kann?

Primäre Fernerkundungsrasterdaten (z.B. TM) besitzen ihreeigene Rastergeometrie (z.B. 180 km x 180 km bei 30m/Pixel ~6000 x 6000 Pixel).

Analoge Bildvorlagen besitzen eine andersartige Auflösung undmüssen deshalb so fein gescannt werden (Rasterweite), daßjedes Objekt im Rasterdatensatz gut erkannt werden kann.

Grundsätzlich geht bei der nicht hinreichend feinen RasterungInformation verloren, da Quadrate, die keine vollständigeGrauwertausfüllung haben, nicht mit Ziffern belegt werden; dieAbbildung wird blockhaft!

Scannen ... analog  digital

Prozess der Digitalisierung über einen Scanner

Prozess der Digitalisierung

DIGITALE BILDVERARBEITUNGNeue Dimension der Fotografie

•Fotografie kann heute - ca. eineinhalb Jahrhunderte nach ihrerErfindung - wesentlich mehr als nur naturgetreu wiedergeben.

•Die Bildverarbeitung kann ein analog, aber auch ein digitaleserzeugtes Bild weiterverarbeiten: ANALOG - DIGITAL, DIGITAL –ANALOG

–TV - Kamera oder ein Scanner tastet das optisch erzeugte BildPunkt 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)

verschiedene digitale Bildverarbeitungschritte

an Hand von ausgewählten Beispielen ...

Interpolation

Kontrast-

verbesser-ung

durch

Grauwert-veränderung

Filter

Hochpassfilter

(Verbesserung derDetailwiedergabe)

Tiefpassfilter

(Rauschunterdrückung)

Kontrastausgleich (Bsp. Wolkenschatten)

Farbcodierung von Grauwerten

Ratiobildungen

arithmetischeOperationen

Werte eines Kanalswerden durch dieWerte einesanderes Kanalsdividiert

 neueBilddatensätze

abgeleitete Daten

Redundante Information einzelner Kanäle bündeln  neueDatensätze mit wesentlichen Informationen (& Reduktion derDatenmengen)

häufige Methode: Hauptkomponenten-Transformation(engl. Principal Component Transformation)

Kombination mehrerer Bilder

Kombination

farbig

& pan

multitemporal

Wie kommen die Farben im Satellitenbild zustande?

Grauton-Bilder einzelner Spektralbereiche werden den3 Grundfarben zugeordnet

Aus den Daten des LANDSAT-TM, Kanäle 1,2,3 (=Sprektralbereiche: Blau, Grün, Rot) kann ein Echtfarbenbildkreiert werden

Messwerte-Klassen werden einer Farbskala zugeordnet

Einzelne Grauwerte-Bereiche werden bestimmten Farbenzugeordnet

Farbzuordnung von Oberflächenklassen wie bei einerthematischen Karte = rechnerische Klassifizierung (DigitaleBildverarbeitung)

Beschafftung von

Luft- und Satellitenbildern und deren Kosten

Bezugsquellen für Luftbilder (Bsp. Deutschland)

Luftbilder sind im Laufe der Zeit von den unterschiedlichsten Institutionen undFirmen in Auftrag gegeben, von den unterschiedlichsten Auftragnehmernangefertigt und schließlich von den unterschiedlichsten Nutzern verwendetworden. Ein Zentralarchiv für Luftbilder existiert in Deutschland nicht. Folglichkommen auch die unterschiedlichsten Quellen in Frage. In jedem Einzelfall ist zuprüfen, ob und wo Luftbilder eines bestimmten Gebietes und Zeitraumesvorhanden sind und ob sie nutzbar oder mit irgendwelchen restriktiven Auflagenbelegt sind. Mögliche Bezugsquellen sind:

Bundesarchive,Bundeswehrarchive,Hauptstaatsarchive,Kampfmittelräumdienste,Katasterämter,Landesvermessungsämter,Luftbildfirmen,Luftbildarchive der Alliierten,LuftbilddatenbankWürzburg,Ordnungsämter,

Regierungspräsidien,Staatsarchive,Stadtarchive,Umweltämter,Universitäten undVermessungsämter,

Ämter für Stadtplanung,und -entwicklung,

Orthofoto

Preisbeispiel

Bayern

Bezugsquellen für Orthofotos in Österreich

+ BEV (Bundesamt f. Eich- und Vermessungswesen)

+ Landesregierungen

vgl. www.geoland.at

+ Stadtverwaltungen

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

Bsp.

Farborthofotos

für

das

Stadtgebiet

von

Linz

oder 2.481,87 EUR in s/w

Wie komme ich zu Satellitenbilddaten?

•Im Gegensatz zum LB = staatliche Regelung, gelten fürSatellitenbilddaten praktisch einheitliche Bedingungen jenach 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 Staatenvgl. Fernerkundungsdatenzentrum in Österreich; (http://ofd.ac.at/ofd/hmofd.html, Fa. GEOSPACE in Salzburg)

–www.eurimage.com

Das Landsat-7-Programm wurde initiiert durch die U.S. PresidentialDecision Directive vom Mai 1994. Das Programm wird gemeinsam geleitetvon der National Aeronautics and Space Administration (NASA) und demU.S. Geological Survey (USGS).

Die Zuständigkeiten sind dabei wie folgt:

NASA ist verantwortlich für das technische Design, die Entwicklung, denStart und die Kontrolle des Satelliten im Orbit; den Entwurf,die Entwicklung und Installation des Bodensystems; und den Betrieb desSatelliten bis Oktober 2000.

USGS ist verantwortlich für den Empfang, die Verarbeitung und denVertrieb der Daten; das Management der Mission; den Betriebeines Langzeit-Archivs für Landsat-Daten; und übernimmt ab Oktober2000 den Betrieb des Satelliten.

Das Deutsche Fernerkundungsdatenzentrum (DFD) betreibt im Rahmen desEarthnet-Programms der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA) eine Bodenstationfür den Empfang und die Verarbeitung von Landsat 7 ETM+ Daten. Seit dem 28.Juli 1999 werden diese Daten regelmäßig empfangen und verarbeitet.