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IAPG: Projekte

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Filterverfahren zur Extraktion der Geländeoberfläche aus luftgestützten Laserscannerdaten

AGIP-Forschungsprojekt: Digital Elevation Data Analysis (DESI)
H. Kuhn und K. Schmidt

Projektbeschreibung

Digitale Geländemodelle (DGM) geben ein Abbild der Erdoberfläche wieder und dienen für unterschiedlichste Anwendungen als Grundlage. Neben bauplanerischen Maßnahmen wie z.B. Trassenplanung oder Standortplanung von Funkanlagen werden DGM für Gefahrenssimulationen wie z.B. Überflutungs- oder Erosionsszenarien, für Flächen- und Volumenanalysen wie z.B. Beurteilung von landwirtschaftlich genutzten Flächen oder Wind-Strömungsanalysen bis hin zu dektonischen Anwendungen wie z.B. Driftungen von Kontinentalplatten (Erdbebenanalyse) oder Auffinden von Bodenvorkommen verwendet.

Eine wirtschaftliche Geländeaufnahme zur Erstellung von großflächigen DGM setzt ein luftgestütztes Verfahren voraus. Neben der Photogrammetrie und der Radarmetrie hat sich das relativ junge Laserscanningverfahren behaupten können. Bei diesem aktiven System wird die Distanz zwischen Flugobjekt und Boden mittels eines ausgesandten und am Boden reflektierten Laserstrahls ermittelt. Das Ergebnis einer Scanneraufnahme sind 3D Meßpunkte, dessen Lage sich sowohl auf der Erdoberfläche als auch auf Vegetationen, Bauwerken usw. befinden. Um Aussagen über die Geländestruktur zu erhalten, sind lediglich die Meßpunkte der Erdoberfläche von Bedeutung. Sämtliche anderen Störpunkte sind somit aus dem Datensatz zu eliminieren. Aufgrund der Fülle der Meßdaten kann selbst eine semi-automatische Filterung sehr zeitintensiv ausfallen.

Luftbild Laserbild Eliminierung der Störobjekte Lückeninterpolation

Abb.1:   a) Luftbild,  b) Laserbild,  c) Eliminierung der Störobjekte,  d) Lückeninterpolation;
je heller die Grauwerte, desto höher das Gelände. Das Laserbild des leicht bebauten Testgebietes weist in den hellen Bereichen Gebäude auf, welche nach der automatischen Filterung eliminiert werden.

Der Schwerpunkt im Projekt DESI liegt in der weitgehend automatischen Eliminierung dieser Störpunkte mittels der Rasterverarbeitung. Für eine DGM-Erstellung werden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:

  • Rasterung der unregelmäßig verteilten 3D Meßpunkte (Abb. 1b)
  • Selektierung der Bodenpunkte durch Eliminierung der Störpunkte (Abb. 1c)
  • Interpolationen von Lücken bzw. von Aussparungsflächen (Abb. 1d)
  • Ausgabe und Visualisierung in Form eines DGM


Für die Filterung der Störpunkte werden neben bereits vorhandenen Filter der Bildverarbeitung wie z.B. Kantenfilter (Kuan, Sobel) und Glättungsfiltern (Median) neue Spezialfilter entwickelt. Dabei führt der Trend zu sich regional anpassenden Filtern bezüglich Geländestruktur und Nutzungart. Solche 'intelligente' Filter arbeiten lediglich in ihren eigenen Spezialbereichen z.B. nur in Siedlungen oder in  Wäldern. Die Abbildung 2 zeigt ein ungefiltertes und ein bereinigtes DGM eines Waldgebietes. Bei der Eliminierung der Bäume bleiben wesentliche Strukturen, wie z.B. die dreieckige Wiese von der Filterung unberührt.

ungefiltertes DGM gefiltertes DGM

Abb. 2: ungefiltertes und gefiltertes DGM eines Waldgebietes

Für eine optimale Filterung eines Laserscan-Datensatzes gibt es keinen Universalfilter. Er wird durch mehrere hintereinander geschaltete Einzelfilter ersetzt, welche jeweils ein thematisches Resultat erzeugen. Im Projekt DESI kommen zur Zeit folgende Filter zum Einsatz:

  • Filter für positive Ausreißer (extrem hochliegende Meßpunkte z.B. Hochspannungsleitungen, Antennen...)
  • Filter für negative Ausreißer (zu tief liegende Meßpunkte z.B. Kellereingänge, Mehrwegeffekte bei der Aufnahme ...)
  • Filter für Gebäude (großflächige, unregelmäßige Störobjekte, wobei z.B. Innenhöfe berücksichtigt werden müssen)
  • Filter für Vegetationen (Bäume und bodennaher Bewuchs)
  • Glättungsfilter zur Homogenisierung des Geländes


Nach einem Filtereinsatz sind die Ergebnisse auf Stimmigkeit zu überprüfen. Hiefür können verschiedene Berechnungsbilder wie. z.B. ein Höhenänderungsbild zur visuellen Kontrolle herangezogen werden. Neben einer automatisierten Auswertung kann auch in Zukunft auf eine manuelle Prüfung und eventuelle Nachbearbeitung nicht verzichtet werden. Das Ziel ist es jedoch, diese Arbeiten auf ein Minimum zu beschränken.

Weitere Schwerpunkte von DESI liegen in der Zusammenarbeit mit der Kooperationsfirma Airobotics GmbH aus Bremen. Der sich in Entwicklung befindliche Flugroboter Jumbo soll ausgehend von einer geringen Flughöhe hochauflösende Laserscanner-Daten erzeugen. Für anstehende Kalibirierungs-zwecke des Einzel- als auch des Gesamtsystems erfolgten Einmessungen verschiedenartiger Testgebiete mit reflektierenden Paßpunkten.

Das Forschungsprojekt wird im Februar 2002 mit dem Ziel auslaufen, eine Software entwickelt zu haben, welche grundsätzliche Filteralgorithmen als auch Kalibrierungsberechnungen für das Laserscanningverfahren abdeckt. Das Modul Laserscanning ist in IDL (Interactive Data Language) programmiert und stellt in unabhängiger Verbindung mit dem hyperspektralen Auswerteprogramm ENVI ein umfassendes Analyse-Tool dar.

 

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