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Physikalische Grundlagen der multispektralen Fernerkundung

(eine Arbeitsgruppe von CENSIS)

Universität Hamburg II. Institut für Experimentalphysik

Mitarbeiter:


Kontakt:

Projekt: Multispektrale Fernerkundung für den Open Skies Vertrag

unterstützt durch die Volkswagen-Stiftung

Publikationen im Projekt Beispiel: klassifizierte Szene

<<-- Zoom in ein Luftbild hinein !
Hier gibt's ein bißchen Software:



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Kontaktanschrift:
Prof. Hartwig Spitzer, Tel: 8998 2313
Luruper Chaussee 149, 22761 Hamburg
Fax: 040 8998 3282
E-mail: hartwig.spitzer@desy.de

Arbeitsschwerpunkte - Gruppenprofil

Multispektrale Fernerkundung

->postscript version (38 kB)

Die Erdbeobachtung mithilfe von Luft- und Satellitenbildern gewinnt in Forschung und Anwendungspraxis stetig an Bedeutung. Dabei werden verstärkt Sensoren eingesetzt, die in verschiedenen Spektralbereichen abbilden (sichtbares Licht, verschiedene Infrarotkanäle, Radar). Im Rahmen der 'Arbeitsgruppe für Naturwissenschaft und Internationale Sicherheit in der Universität Hamburg (CENSIS)' beschäftigt sich ein Projekt des II. Instituts für Experimentalphysik unter Leitung von Prof. Dr. Hartwig Spitzer mit den physikalischen Grundlagen der Fernerkundung und der Methodenentwicklung für die rechnergestützte Bildauswertung. Das Projekt soll einen Beitrag zur digitalen Aufbereitung und Verarbeitung von multispektralen Fernerkundungsbildern liefern. Ziel der Arbeit ist es, physikalische Aspekte der Bildentstehung, die bei Klassifizierung von Objekten in fernerkundeten Multispektralbildern von Bedeutung sind, zu berücksichtigen und Klassifizierungsverfahren weiterzuentwickeln. Der Anwendungsbezug der Arbeiten richtet sich auf zwei Gebiete:

  1. Klassifizierung städtischer Flächen für die Stadtplanung
  2. Änderungsdetektion für Anwendungen in der Rüstungskontrolle und bei vertrauensbildenden Maßnahmen (z.B. Open-Skies-Vertrag)
Zur Zeit werden folgende Teilprojekte durchgeführt:

Folgende Projekte sind abgeschlossen:

Problemstellung und Vorgehen

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich vorrangig mit signalnahen Fragestellungen bei der Bildentstehung. Für die Änderungsdetektion muß zunächst die Vergleichbarkeit verschiedener Aufnahmen derselben Szene gewährleistet werden. Insbesondere muß das aufgenommene Bildsignal auf physikalische Reflektanzen zurückgeführt werden, um Aussagen machen zu können, die unabhängig von der Beleuchtungsstärke durch Sonne, diffuses Licht und Luftlicht sowie Transmission der reflektierten Strahlung durch die Atmosphäre sind. Hierzu werden zunächst die aktuellen Kalibrationsdaten der einzelnen Spektralkanäle des Sensors benötigt, um die Grauwerte in Strahldichten umzuwandeln.
Zur Feststellung von Änderungen ist es weiterhin wichtig, die intrinsische Variabilität künstlicher Objekte abzuschätzen, die von ihren bidirektionalen Reflektanzeigenschaften bezüglich Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung und ihrer Ausrichtung zu Sonne und Himmelslicht abhängt. Nur mit dem Wissen um die intrinsische Variabilität eines Objekts kann die Signifikanz einer Änderung beurteilt werden. In der Fernerkundung ist es üblich, die Winkelabhängigkeit der Reflektanz durch die sogenannte 'Bidirectional Reflectance Distribution Function' (BRDF) zu beschreiben. Sie ist definiert als der Quotient aus reflektierter Strahldichte und einfallendem Strahlungsfluß der jeweiligen Richtung.
Bei der Klassifizierung wird jedes Bildelement durch statistische Anpassungs- bzw. Sortierverfahren einer Objektklasse zugeordnet. Zur Validierung der Zuordnung sind Testgebiete mit genau bekannten Objektklassen erforderlich. Diese Klassen werden entweder bei Bodenbegehungen erhoben oder hochaufgelösten Luftbildern entnommen.

Kurzbeschreibung der durchgeführten Experimente

Seit Projektbeginn haben wir einen Bestand an eigenen Bilddaten von jeweils demselben Gebiet aufgebaut. Bildflugkampagnen über Nürnberg wurden im August 1991, April 1992, Oktober 1994, Juli 1995 und August 1997 durchgeführt. Damit stehen Multispektralbilder aus drei Jahreszeiten und aus fünf Jahren zur Verfügung. Es können sowohl durch Bautätigkeit veränderte Objekte als auch die jahreszeitliche Variabilität unveränderter Objekte untersucht werden.
Verwendet wurde der Multispektral-Scanner DAEDALUS AADS 1268 des Deutschen Forschungszentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), Wessling. Dieser Scanner hat elf Spektralkanäle vom Sichtbaren bis zum thermischen Infrarot mit einer radiometrischen Auflösung von Δ λ ≥ 0.02 µm und einer geometrischen Auflösung von 2.5 mrad, entsprechend einer Bodenauflösung von 75 cm bei einer Flughöhe von 300 m. Bei wolkenlosem Himmel wurden Multispektralbilder aus unterschiedlichen Höhen (300 m, 900 m, 1800m), sowie Schwarz-Weiß-Photographien (1991/92) bzw. Falschfarbenphotographien (ab 1994) aufgenommen. Die überflogenen Gebiete umfassen das Nürnberger Flughafengelände, Gewerbe- und Wohngebiete sowie Grün- und Flußgebiete.
Während die Überfliegungen der Vorjahre um die Mittagszeit (12.00 - 13.00 Uhr) durchgeführt wurden, wurden 1997 zwei zusätzliche Bildflüge um 6.00 Uhr (vor Sonnenaufgang) und um 9.00 Uhr vorgenommen. Hierdurch kann die tageszeitliche Variation des thermischen Signals besser erfaßt werden. Zur Kontrolle wurde die Oberflächentemperatur von Testflächen auch mit Bodensensoren gemessen.
Im Januar 1999 wurde eine zweiwöchige Meßkampagne zur Bestimmung der BRDF von städtischen Oberflächen durchgeführt. Hierzu wurde ein Goniometer des 'Joint Research Center' der Europäischen Union in Ispra, Italien, genutzt. Diese Einrichtung erlaubt Reflektanzmessungen mit frei wählbaren Beobachtungs- und Beleuchtungsrichtungen. BRDF-Werte von insgesamt 18 Proben wurden hyperspektral mit einer Halogenglühbirne als Leuchtquelle bestimmt. Für 3 Proben wurden die Reflektanzen unter Berücksichtigung der Polarisation bestimmt, wobei ein HeNe Laser als Lichtquelle diente.

Im Gegensatz zu photographischen Aufnahmen sind luftgestützte Scanneraufnahmen entschieden schwerer zu entzerren als Photographien, da sie von der Bewegung des Flugzeugs über einen längeren Zeitraum abhängen. Zu einer durch Paßpunkte bestimmten Koordinatentransformation sind daher lokal adaptive Transformationsfunktionen notwendig. Unsere Arbeitsgruppe hat verschiedene Verfahren zur Geokodierung speziell von flugzeuggetragenen Scanneraufnahmen implementiert, verglichen und weiterentwickelt.

Die Arbeitsgruppe kooperiert mit Prof. Dr. Leonie Dreschler-Fischer im Arbeitsbereich `Kognitive Systeme' des Fachbereichs Informatik der Universität Hamburg und ist dort auch räumlich angesiedelt. Die Auswertung der Bilddaten und Meßergebnisse findet an einem Workstation-Cluster statt. Zur Zeit besteht die Arbeitsgruppe neben Prof. Dr. J. Bienlein und Prof. Dr. H. Spitzer aus drei Doktoranden und zwei Diplomanden. Publikationen (postscript files) und weitere Informationen können über den WWW-Server der Arbeitsgruppe abgerufen werden: http://kogs-www.informatik.uni-hamburg.de/projects/Censis.html

Kontakt:

Prof. Dr. Hartwig Spitzer
II. Inst. f. Experimentalphysik / CENSIS
Luruper Chaussee 149
22761 Hamburg
040 / 8998 2313
Hartwig.Spitzer@desy.de

Dipl.-Phys. Andre Rothkirch,
c/o FB Informatik / KOGS
Vogt-Kölln-Str. 30
22527 Hamburg
040 / 42883 2603
rothkirc@informatik.uni-hamburg.de

Dipl. Phys. Gerhard Meister
c/o FB Informatik / KOGS
Vogt-Kölln-Str. 30
22527 Hamburg
040 / 42883 2601
meister@informatik.uni-hamburg.de

Dipl. Phys. Ramon Franck
c/o FB Informatik / KOGS
Vogt-Kölln-Str. 30
22527 Hamburg
040 / 42883 2601
franck@informatik.uni-hamburg.de

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