Download pdf - Methoden der Fernerkundung Methoden der Fernerkundung Prof ... · Methoden der Fernerkundung Prof. N. Oppelt WS 2010/11 6. Passive Systeme I. Photographische Systeme Grundlage der

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IMethoden der Fernerkundung

Vorlesung für geographischen StudiengängeModul MNF-Geogr. 14Passive Aufnahmesysteme I

Prof. Dr. Natascha Oppelt

Arbeitsgruppe Fernerkundung & UmweltmodellierungGeographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu [email protected]

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Passive Aufnahmeverfahren

1. Photographische Systeme Kamera Filme und Filter Neue Entwicklungen

2. Digitale Verfahren Opto-mechanische Scanner Opto-elektronische Scanner Array Sensoren

3. Bildgeometrie Allgemein Luftbild Scanner

(Quelle: Albertz, 2001)

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Photographische Systeme

Grundlage der klassischen photographischen Aufnahmen von Luft- und Satellitenbildern

Photographische, lichtempfindliche Schicht eines Filmes dient als analoges Speichermedium

Passives Verfahren, das Strahlung im VIS und NIR (400-1000 nm) je nach Filmempfindlichkeit aufnimmt

Klassische Luftbildtechnik relativ preisgünstig und ermöglicht individuelle Flächenerfassung

Nachteile: - schwierige radiometrische Kalibrierung,- geringe spektrale Auflösung,- analoger Primärzustand der Daten (Negativ/Positiv) aufwendige Wandlung zur digitalen Weiterverarbeitung

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Bsp. Reihenmesskammer (RMK):

systematische Aufnahme von senkrecht aufgenommenen Bildreihen

Objektiv für hohe Aufnahmefrequenzen bei kurzen Verschlusszeiten

Filmansaugung durch Vakuum für zentralperspektivische Abbildung und Behebung der Bildwanderung

Filmkassette wechselbar (120m)

Bildformat 23 x 23 cm bei variabler Brennweite Maßstabsbereich 1 : 10.000 – 30.000

(Quelle: Albertz 1991)

Photographische Systeme - Kamera

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Äußere Orientierung = Lage der Kamera im Raum in Bezug auf den Aufnahmegegenstand

GPS für Navigation

Bestimmung durch GPS und der Bilddrehung durch INS

Innere Orientierung = Position des Projektionszentrums auf der Bildebene

Lage des Bildhauptpunktes H‘

Photographische Systeme - Kamera

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Bildmittelpunkt M

Photographische Systeme – Aufbau des Luftbildes

(Quelle: Kraus 2004)

Bildhauptpunkt H‘= Fußpunkt des Lotes durch das Projektionszentrum O

Kammerkonstante C‘= Abstand vom Projektionszentrum O von H‘

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Photographische Systeme – Flugplanung

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Photographische Systeme – Filter und Filme

(Quelle: verändert nach Elachi & Zyl 2006)

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Spektrale Empfindlichkeit im VIS und NIR (bis 700 nm)

Ausblenden einzelner Spektralbereiche durch Filter (λ<400 nm werden durch Objektivglas absorbiert)

Auf Filmnegativ wird Strahlungsfluß in Graustufen abgebildet (Gradation)

Fotos bilden menschliches SW-Sehvermögen nach

Photographische Systeme – Panchromatisch


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Photographische Systeme – Panchromatisch IR

Infrarotempfindliche Schichten bis > 700 nm empfindlich

Häufig Ausblendung kurzwelligerer Strahlung durch Filter

Grundlage ist Gradation

Grautöne weichen vom visuellen Empfinden des Menschen ab

IR-Bilder eignen sich besonders zur Unterscheidung von Laub- und Nadelbäumen, zur Ermittlung des Verlaufes von Wasserflächen und Uferlinien


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Photographische Systeme – Farbfilme

Farbfilme sind aus drei Film-Schichten aufgebaut

Subtraktives Farbmodell

Belichtete Film-Schichten spiegeln Strahlungsfluß in den drei Wellenlängenbereichen des VIS wieder (Quelle: Albertz 1991)

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Eine Filmschicht wird durch eine IR- sensible Schicht ersetzt, Ausschalten kurzwelliger EMS durch Filter

Photographische Systeme – Farbinfrarot


Strahlungsfluß im NIR Teil der Endfarbmischung

Falschfarbenaufnahme (CIR = Coloured IR)

Grauwerte des NIR liefern Aussage über Typ und Vitalitätsgrad der Vegetation

NIR-Farbfilme v.a. in der Vegetationsuntersuchung

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Photographische Systeme – Neuere Entwicklungen

Ende des analogen Zeitalters

Übergang zu digitalen Messkammern auf CCD-Basis

z.B. ADS-Systeme (Airborne Digital Sensor)

(Quelle: Eckhardt 2002)

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Analoges Luftbild Digitales Luftbild

Optisches Verfahren GradationFilmentwicklung

Photoeffekt am CCD,AD-Wandlung

Geom. Auflösung l/mm m/pixel

Farbmodell Subtraktiv Additiv

Abbildungsgeometrie Zentralperspektive Zentralperspektive

Vorteile • Großes Bildformat

• Kartographische Genauigkeit

• Weiter Wellenlängenbereich

• Digitales Bildformat

Nachteile • Transmission des Films

• Großer FOV

• Gefahr des Schmierens

• Inhomogenität des Arrays

• Großer FOV

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Digitale Verfahren – Aufnahmeprinzip

Bestandteile eines typischen Aufnahmesystems: 1. Anordnung, die den Ort wählt, an dem der

Strahlungsfluß gemessen wird (Schlitz, Linsen, Spiegel)

2. Gerät, das die Wellenlänge wählt, die gemessen werden soll (Gitter, Filter) oder in einzelne Wellenlängen aufspreizt (Prisma)

3. Anordnung, die den Strahlungsfluß in einen proportionalen Strom umwandelt (Kristall)

4. AD-Wandlung, die gemessenen Strom in digitale Einheiten (DN) übersetzt und auf ein Speichermedium (Magnetband, Festplatte) überträgt

5. Gerät, das die abgespeicherten Einheiten anzeigt (Monitor)

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Strahlungsfluß wird direkt als elektrischer Impuls gespeichert

Digitales Speichermedium

Radiometrische Auflösung bestimmt Anzahl der möglichen numerischen Grauwerte pro Kanal

Zerlegung der EMS in einzelne Spektralbereiche bzw. Kanäle

Geometrisch identische, aber spektral unterschiedliche Daten in den einzelnen Kanälen

Speicherung jedes Kanals auf separatem Speicherplatz

Bearbeitung der einzelnen Kanäle


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Vorteile

Differenzierte Abbildung und Analyse der Grauwerte

Digitale Aufzeichnung der Messwerte

Vielfältige Wellenlängenbereiche

Separate Erfassung verschiedener Spektralbereiche in einzelnen Kanälen

Nachteile:

Einzelbeobachtung der Strahlung auf kleinen Bildelemente

Flächenhafte Abbildung größerer Geländeflächen erfordert Zusammenfügung der Bildelemente

Digitalspeicherung und Verarbeitung erfordert digitale Technik zur Bildbearbeitung und -auswertung


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Digitale Verfahren – Opto-mechanische Scanner

Rotierendes spiegeloptisches System tastet zeilenweise Erdoberfläche ab

Einfangspiegel rotiert um eine zur Flugbahn parallele Achse

Aufgenommenes Flächensegment (Pixel) wandert quer zur Flugrichtung über das Gelände

Across-Track oder WhiskbroomScanner

z.B. Landsat

(Quelle: Elachi & Zyl 2006)

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z.B. SPOT (Systeme Probatoire d'Oberservation de la Terre)

Bildaufnahme mittels zeilenweise angeordneter Halbleiter-Bildsensoren (CCD)

Verschiebung der Ladung zum Ausgang des CCDs, wodurch eine Bildzeile in Form eines Videosignals entsteht

Eigenbewegung des Sensors führt bei entsprechender Aufnahmefrequenz zur zeilenhaften Abbildung des Geländes

Along-track oder Pushbroom Scanner

Digitale Verfahren – Opto-elektronische Scanner


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Digitale Verfahren – Array Kameras

Bildaufnahme mittels Array Sensoren

Verschiebung der Ladung zum Ausgang des CCDs oder CMOS (bei CMOS Auslesen jedes Pixels)

Geländeausschnitt auf der Erdoberfläche wird zeitgleich aufgenommen

Framing Camera System

z.B. CHRIS/Proba oder ADS


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Digital passive Verfahren

Opto-mechanisch Opto-elektronisch Array

Datenerfassung Rotierender Spiegel CCD–Zeile CCD- oder CMOS Array

Datenaufnahme pixelweise zeilenweise bildweise

Vorteile • Einfacher Detektor• Schmale FOV-Optik• Einfach für viele

Wellenlängen

• Einfache Geometrie across-track

• Simultane Aufnahme einer Bildzeile

• Lange Lebensdauer der Detektoren

• Einfache Geometrie• Simultane Aufnahme

eines Bildes• Großer möglicher

Wellenlängenbereich

Nachteile • Schwierige Bildgeometrie

• Zeitlich versetzte Aufnahme einer Bildzeile

• Spiegelmechanik anfällig

• Kurze Lebensdauer der Mechanik

• Weiter FOV • Weiter FOV

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Bildgeometrie - Allgemein

Objektabbildung erfolgt bei optischen Systemen durch Zentral- oder Parallelprojektion

Beziehungen zwischen erfasster Geländeoberfläche und Fernerkundungsaufnahme ist abhängig vom Sensor Abbildungsbedingte Verzerrung der Geländefläche

Verzerrung der sphärischen Geländeoberfläche (3D) durch Verebnung (2D) bei der Projektion

Kenntnis der geometrischen Bildeigenschaften ermöglicht die geometrische Korrektur

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Jedes FE-Bild weist verschiedene geometrische Fehler auf Größe und Ausprägung der Fehler abhängig von Faktoren

wie z.B.:

- Sensoroptik (Perspektive)

- Bewegung(srichtung) des Aufnahmesystems

- Bewegung und Instabilität der Sensorplattform

- Höhe, Ausrichtung und Geschwindigkeit der Sensorplattform

- Geländetopographie

- Erdkrümmung

- Erdrotation

Bildgeometrie - Allgemein

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Zentralperspektivisch

Geländepunkte oberhalb einerBezugsfläche werden radial nach außen versetzt

Vertikale Objektlinien (Bäume, Türme etc.) konvergieren zum Bildmittelpunkt

(Quelle: modifiziert nach Albert 1991)

Luftbildgeometrie

(Quelle: Albertz 1991)(Quelle: CCRS/CRT)

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Exakt definiert bei Senkrechtaufnahme in ebenem Gelände im Nadir

Konstant bei Senkrechtaufnahme in ebenem Gelände (bei konstanter Flughöhe über Grund)

Unterschiedlich bei Senkrechtaufnahme in reliefiertem Gelände− Maßstab M bei Geländepunkten oberhalb Bezugsebene größer

− Maßstab M bei Geländepunkten unterhalb Bezugsebene kleiner

'B

HMf

=

(Quelle: Asche 2004)

Luftbildgeometrie - Bildmaßstab

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Luftbildgeometrie - Bildmaßstab

Maßstab auch unterschiedlich wenn keine Senkrechtbilder

Horizontale Geländeoberfläche wird inGeneigtbild in uneinheitlichem Maßstababgebildet

Abbildung als Viereck

Reliefierte Geländeoberfläche wird inNadirbild maßstäblich verzerrt

Umsetzung durch Koordinatentransfor-mation der Bildebene auf die Grundrissebene

Methoden: z.B. Passpunktentzerrung(Quelle: Asche 2004)

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Jedes FE-Bild weist verschiedene geometrische Fehler auf Größe und Ausprägung der Fehler abhängig von Faktoren

wie z.B.:

- Sensoroptik (Zentral vs Parallelprojektion)

- Bewegung(srichtung) des Aufnahmesystems

- Bewegung und Instabilität der Sensorplattform

- Höhe, Ausrichtung und Geschwindigkeit der Sensorplattform

- Geländetopographie

- Erdkrümmung

- Erdrotation

Scannergeometrie - Allgemein

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Bildaufnahme erfolgt pixel-, zeilen-, oder bildweise

z.T. jedes Bild stammt von anderer räumlicher Sensorposition

Kombination aus Zentral- und Parallelprojektion

Array scanner

Zentralprojektion (wie Luftbild)

Scannergeometrie - Allgemein

(Quelle: modifiziert nach Albert 1991)

Wiskbroom & Pushbroom

Parallelprojektion in Flugrichtung

Zentralprojektion across-track

Geländepunkte werden across-track nach außen versetzt

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Zwei Möglichkeiten zur Berechnung des mittleren Bildmaßstabes

1. Vergleich einer Strecke (Karte, gemessen) mit der Anzahl der Pixel im Bild

2. Berechnung über den IFOV

Scannergeometrie - Bildmaßstab

NxB=

hIFOVB *=

B = Pixelgröße [m]X = gemessene Strecke [m]N = Anzahl der Pixel

IFOV = IFOV [rad]h = Flughöhe [m]

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Scannergeometrie – Versatz durch Erdrotation

= Earth Rotation Skew

Zeilen-und Pushbroom- Scanner benötigen für die Aufnahme einer Szene eine bestimmte Zeit ts

Während der Aufnahme dreht sich Erde ostwärts

Startpunkt der letzten Zeile westlich vom Startpunkt der ersten Zeile

(Quelle: Mauser Vorlesung „Physik der Fernerkundung“ LMU München)

(Quelle: Richards 1999)

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Orbit nicht exakt N-S, sondern in best. Winkel (Inklination)

Beispiel Landsat Earth Rotation Skew

L = Frame (185 km)ω0 = Winkelgeschw. Sat (1.014 mrad s-1)

∆xe = Skewve = Oberflächengeschw. Erde

Während der Aufnahme eines Landsat-Frames bewegt sich die Erde bei Sydney um 10.82 km nach Osten

Korrektur der Inklination (breitenkreisabhängig, bei Sydney 11 )

∆x = Skew korrigiert für Orbitneigung

ωe = Winkelgeschw. Erde (72.72 µrad s-1)re = Erdradius (6387 km)λ = geogr. Breite (Sydney 33.8 = 0.5899rad)

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Scannergeometrie – Versatz durch Erdrotation

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Scanner – Versatz durch Erdrotation

xL = Versatz pro ZeileNL = Anzahl Zeilen TM (5760)

- Spitzbergen: alle 89 Zeilen- München: alle 23 Zeilen - Kairo: alle 18 Zeilen

Versatz pro Zeile

mNxx LL 8781./ =∆=

16/ == LL xRD

Jede DL-te Zeile wird um 1 Pixel nach Westen verschoben

R = Geometrische Auflösung TM (30 m)

Beispiel Landsat Earth Rotation Skew

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Scanner-Panoramaverzerrung

(Quelle: Asche 2004)

Der IFOV bleibt gleich, aber der Abstand zum Gelände wächst

Von einem Pixel erfasste Fläche wächst zu den Seiten hin

Im Bild erscheint Fläche gestaucht

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(Quelle: Mauser Vorlesung „Physik der Fernerkundung“ LMU München)

P = Pixel dimensionβ = IFOV re = Erdradius (6387 km)θ = Scan-Winkelsec = secans (sec θ = 1/cos θ)

Landsat TM:

θmax = ± 7.5°, pθ = 30.26 m = 1.02 p

d.h. das Randpixel enthält 2% mehr Fläche als das Nadirpixel

Weiter FOV, z.B. Flugzeug (FOV = 80°):

θmax = ± 40°, pθ = 1.7 p

d.h. das Randpixel enthält 70% mehr Fläche als das Nadirpixel

Scanner-Panoramaverzerrung

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Scanner – Versatz durch Erdkrümmung

… bei Sensoren mit großem FOV wird die aufgenommene Fläche durch die Erdkrümmung am Bildrand deutlich verändert

(Quelle: Richards 1999)

P = Pixel dimensionβ = IFOV re = Erdradius (6387 km)θ = Scan-Winkel relativ zum Sensorφ = Scan-Winkel relativ zum Erdmittelpunktsec = secans (sec θ = 1/cos θ)

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Sensorartefakte, z.B. durch pixelweise Abtastung

Opto-mechanische Scanner (Landsat) benötigen ein bestimmtes Zeitintervall zur Erfassung einer Bildzeile


Während dieses Zeitintervalls bewegt sich der Satellit vorwärts

mvtSTS gs 213=⋅=

STS = Scan Time Skewts = Scan time (Landsat MSS 33 ms)vg = Gechwindigkeit über Grund (Landsat MSS

6467 m s-1)

Das letzte Pixel einer Landsat MSS Zeile liegt 213m gegenüber dem Zeilenanfang versetzt

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(Quelle: verändert nach Richards 1999)

Spiegel schwenkt mechanisch (z.B. Landsat 13 x pro sec)

Beschleunigung und Abbremsung

Nichtlineare Spiegelgeschwindigkeiten

Veränderung der geom. Auflösung

Keine Unterschiede der Spiegelbeschleunigung bei rotierenden Spiegeln (z.B. NOAA AVHRR)

Sensorartefakte, z.B. durch Spiegelmechanik

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Scanner - Sensorhöhe und/oder Geschwindigkeit

Effekte können für Satellitensysteme korrigiert werden, daTelemetriedaten vorhanden, bei Flugzeugdaten oft problematisch


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Aufzeichnung des Geländes (dunkle Objekte) in Bildzeilen

Bilddarstellung des aufgezeichneten Geländes



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Overlay AVIS - IKONOS 1m


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Verzerrung = Lageveränderung der Flächenelemente einer Fernerkundungsaufnahme bei der Abbildung durch optisches System

Entzerrungprojektive Transformation eines Bildes bzw. Bildteils auf eine Ebene (Grundrissebene) Methode: Einpassen eines Bildes auf Passpunkte (z.B. Karte) oder differenziell

Keine Lagetreue, keine Längentreue, keine Flächentreue

Georeferenzierung

Bildgeometrie – Korrektur

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3. Bildgeometrie Allgemein Luftbild Scanner Korrektur der geometrischen Artefakte

4. Bildradiometrie
