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IAPG: Projekte

Projekt „HiReSens“

Räumlich hochauflösende Erfassung von Dachflächen und Wärmebrücken mittels Airborne Laser Scanning, thermaler und hyperspektraler Sensorik

Projekt von Thomas Luhmann, Johannes Piechel und Thorsten Roelfs

Projektbeschreibung

Seit Juli 2009 fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung ein Projekt am IAPG, das in Kooperation mit der Fachhochschule in Dessau bearbeitet wird. In dem dreijährigen Vorhaben sollen mittels hochauflösender luftgestützter Aufnahmen geometrische Informationen und energierelevante Merkmale gewonnen werden. Eingesetzt werden unterschiedliche Sensoren, aus deren Kombination und Fusion wesentliche Fortschritte erwartet werden, wobei auch materialrelevante Merkmale abgeleitet und nutzbar gemacht werden sollen.

An der Jade Hochschule liegt der Schwerpunkt dieses Projektes auf geometrischen Fragestellungen (Sensor-kalibrierung, 3D-Modellierung, Datenfusion), während die Arbeitsgruppe in Dessau auf multi- und hyperspektrale Analysen spezialisiert ist. Die weiteren Projektpartner aus Wirtschaft und Verwaltung steuern ihr fachspezifisches Know-how bei, z.B. das Oldenburger Energiecluster OLEC und Fachdienste der Stadt Oldenburg. Auch Universitätsinstitute, Software-Unternehmen und Luftbildfirmen sind an der Kooperation beteiligt.

RGB Luftbild mit 9cm Bodenauflösung
RGB-Luftbild (Bodenauflösung 9 cm)

Ein Testgebiet in Oldenburg wurde definiert mit einer Größe von 3,8 x 1,8 km². Es besteht aus einer Mischung von Innenstadtbereich, Büro- und Gewerbegebäuden, Wohnviertel, Hochschul-Campus. Erste Befliegungen durch die Firmen Milan Geoservice und Alpha Luftbild fanden im März, April, Juni und Oktober 2010 statt. Parallel dazu erfolgten örtliche Referenzmessungen auf ausgewählten Dächern – sowohl thermal als auch spektral, jeweils zeitgleich zu den Bildflügen. Weitere örtliche Messungen von Passpunkten per DGPS sorgen für den absoluten Bezug im System UTM/WGS84.

Thermalbild mit 55cm Bodenauflösung
Thermalbild (Bodenauflösung 55 cm), pan-geschärft

Während herkömmliche Thermalbefliegungen auf großflächige klimatologische Untersuchungen abzielen, steht hier eine hohe geometrische Auflösung im Vordergrund, zu erreichen durch niedrige Flughöhen (mind. 500 m über Stadtgebieten) und den Einsatz modernster Sensoren. Dazu gehören Luftbildkameras, Wärmebildkameras, Hyperspektralsensoren und Laserscanner, ergänzt durch vorhandene 3D-Gebäudemodelle und ALK-Grundrissdaten.
Die Sensoren müssen zunächst kalibriert werden, bevor sie nach einer Georeferenzierung pixelgenau miteinander verknüpft werden können, um möglichst detaillierte Gebäudestrukturen zu extrahieren, Wärmebrücken zu erkennen und Oberflächenmaterialen zu klassifizieren. Die RGB-Luftbilder wie auch die Thermalaufnahmen erlauben wegen ihrer hohen Längs- und Querüberdeckungen eine klassische Aerotriangulation mit einer Vielzahl von gut verteilten Verknüpfungspunkten. Dies ermöglicht simultan, mit Hilfe zusätzlicher Parameter, eine hochwertige und aktuelle Kalibrierung der Kameras.
Eine zusätzliche Überprüfung der geometrischen Kalibrierung der Thermalkamera erfolgte mit einem am IAPG speziell entworfenen Testfeld.

Hyperspektralaufnahme mit 70cm Bodenauflösung
Hyperspektralaufnahme (Bodenauflösung 70 cm)

Dagegen handelt es sich beim Hyperspektralsystem um einen Zeilensensor, der in Flugrichtung keine oder nur eine geringe Überlappung erzeugt. Die Querüberdeckung wird vor allem zur Kontrolle, Stützung und Verbesserung der Georeferenzierung genutzt, eine Analyse der inneren Geometrie der Kamera ist dadurch kaum möglich.
Die geometrische Kalibrierung des Hyperspektralsensors erfolgte daher durch separate Laborversuche, in denen ein geplottetes Streifenmuster als Messobjekt diente und durch 20 bis 30 Aufnahmen aus unterschiedlicher Richtung erfasst wurde. Die anschliessende Auswertung mit einer speziell entwickelten Software liefert die ausgeglichenen Parameter der inneren Orientierung.
Nach Berücksichtigung dieser speziellen Kalibrierung verbleiben noch geringe Restfehler von wenigen Pixel, die über flächenhafte Ansätze – mithilfe der RGB-Bilder und zahlreicher Passpunkte – beseitigt wurden.

Klassifizierte Dachpunkte aus Laserscan mit RGB-Bild überlagert
Laserscan: Klassifizierte Dachpunkte, dem RGB-Bild überlagert

Die Orientierung der RGB-Luftbilder erfolgte durch klassische Aerotriangulation. Dann lassen sich durch Matching-Verfahren Digitale Oberflächenmodelle (DOM) ableiten. Zusätzlich stehen die Daten der Laserscan-Befliegung zur Verfügung, so dass Vergleiche und Kontrollen möglich sind.
Mit den RGB-Bildern, den Orientierungsdaten und den DOMs wurden Orthophotos in mehreren Varianten er-stellt und zu Mosaiken vereinigt. Diese wiederum sind Grundlage für die o.g. verbesserte Georeferenzierung der Hyperspektraldaten über Flächenpolynome.

3D-Gebäudemodell und ALK-Grundrissdaten
3D-Gebäudemodell und ALK-Grundrissdaten

Auch für die Thermalaufnahmen lassen sich Bündelblockausgleichungen berechnen – mithilfe manuell gemessener Passpunkte in den Thermalbildern und in den bereits orientierten RGB-Bildern. Unter Einbeziehung der Laserscan-Höhen wurden Orthophotos erzeugt, die sich zu einem Thermal-Mosaik kombinieren lassen und damit eine Basis für folgende Datenfusionen bilden.
Ein erstes Beispiel hierfür stellt das pan-geschärfte Mosaik dar, dessen Detailstrukturen aus den RGB-Bildern stammen, während die Farbinformationen den Temperaturverteilungen entsprechen.
Als weitere Datenquelle stellt die Stadt Oldenburg Grundrissdaten (ALK) zur Verfügung, die zur Trennung der Dachflächen von der Umgebung nützlich sind.
Bereits vorhandene 3D-Stadtmodelle des Landes Niedersachsen werden auf Tauglichkeit für Datenfusionen untersucht und ggf. erweitert, um sie nach energetischen Gesichtspunkten zu nutzen, z.B. zur Detektion von Wärmebrücken.

 

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