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Luftbildanalyse und Fernerkundung

8. Einheit – 25. November 2004

+ 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

+ LV am 9. Dezember 2004 entfällt!

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Auswertung von Luft- u. Satellitenbildern

Auswertung = alle Vorgänge, die dem Ziel dienen, das im LB gespeicherte Informationspotential nutzbar zu machen

Grundaufgaben

1. Visuelle Bildinterpretation

2. Photogrammetrische Auswertung

3. Digitale Bildauswertung

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Interpretationsvorgang

• Bereich des SEHENS (= Reizaufnahme durch das Auge)

• Bereich des IDENTIFIZIERENS (= Reizverarbeitung durch das Gehirn = Erkennen

• Bereich des BEWUSSTSEINS (= Denken + Interpretieren)

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Photograph.Prozess

Wahrnehmungs-Prozess

Objekt

Interpretation

Reizaufnahme(Auge)

Bewusstsein

Reizquelle(Bild)

physikalisch

physiologisch

psychologisch

Interpretationskette Stationen der Wahrnehmung

Reizverarbeitung(Gehirn)

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Interpretation geht über den eigentlichen Wahrnehmungsprozess hinaus

• Objekte + Erscheinungen der Landschaft in ihrem funktionellen Zusammenhang (Beziehungsgefüge)

• Jede Interpretation vermehrt die Erfahrung des Interpreten

– Auswirkung auf den Wahrnehmungsprozess– Iterativer Prozess

• Interpretationsergebnis abhängig von

– Qualität des LB

– Wahrnehmungsvermögen des Interpreten

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Interpretationsvorgang

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Was heißt Interpretation von LB

• Interpretation von LB heißt eine Aussage über den Bildinhalt zu machen, den Bildinhalt zu deuten.

• Die Deutung sollte sich nicht nur auf das unmittelbare Sichtbare beschränken, sondern darüberhinaus auch räumliche Zusammenhänge erfassen.

• Der Übergang vom Identifizieren von Objekten zur eigentlichen Interpretation ist fließend und nicht klar voneinander zu trennen

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Das Identifizieren eines Berges ist noch keine Interpretation!!

Interpretation heißt z.B. das Erkennen, Kartieren und Klassifizieren von Gesteinsunterschieden, Typen von Oberflächenformen, Böden, Vegetationstypen, Baumarten, von Siedlungstypen und Flurformen etc.

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Vorgang der Interpretation (Phasen oder Stationen)

• Phase der Beobachtung (Detection): visuelle Erfassung

• Phase des Erkennens und Identifizierens (recognition and identification)

• Phase der Analyse (analysis): sinnvolle Gruppierung der Erscheinungen und räumliches Abgrenzen durch Kartieren

• Phase der Klassifikation (classification)

Die einzelnen Phasen sind in der Praxis aber nicht streng voneinnader zu trennen!

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Arbeitsgänge einer Bildinterpretation

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vom Allgemeinen zum Speziellen

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Klassifikation

Zusammenfassung vongleichen Objekten zu Objektgruppen

je nach Anforderung,Fragestellung &Genauigkeitsanspruch

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Interpretation ist kein mechanischer Vorgang!!

• Abhängig von:

– persönlichen Voraussetzungen des Interpreten (= Fachwissen, Erfahrung, Kreativität, Geduld)

– Bildqualität

– Bildmaßstab

– Geländekomplexität

– Jahres- und Tageszeit der Aufnahme

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Die Interpretation kann in keinem Fall die Geländearbeit ersetzen!

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Was wird interpretiert ?

• Zur systematischen Betrachtung der LB werden folgende Merkmale und Erscheinungen in Kombination herangezogen:

– Grau- und Farbton

– Bildmuster (air photo pattern)

• Regelhaftigkeit der räumlichen Anordnung von Erscheinungen (vgl. Flurformen, Siedlungsformen). Wichtig, wie z.B. Grauwerte zur Abgrenzung von Raumeinheiten (vgl. Landnutzungseinheiten, Feldfrüchte, Baumarten etc..)

– Form und Gestalt

– Textur (Feinstruktur oder Feinmusterung)

– Schattenwurf

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Hilfsmittel f. analoge Auswertung

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Interpretationsschlüssel

• Warum Interpretationsschlüssel?

– „gleiche“ Funktion wie Legende einer Karte (aber keine gleichbleibenden Signaturen; zeitliche und räumliche Einschränkung)

– Legende = bildhafte Beispiele von Strukturen, Texturen, Grau-(Farb-)tönen

– Erleichterung des Interpretationsvorganges

– Beschleunigung

– „Zwang“ zur systematischen und konsequenten Vorgehensweise (flächendeckend)

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Gültigkeit des Interpretationsschlüssels

• Im Gegensatz zur Legende einer Karte muß quasi für jedes LB (zumindest aber für eine Befliegung) ein neuer Interpretationsschlüssel (= Legende) erstellt werden, da:

– Änderung der äußeren Bedingungen: Jahreszeit, Tageszeit, Beleuchtungsverhältnisse, etc.

• Abhängigkeit des Interpretationsschlüssels von der Aufgabenstellung

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Notwendigkeit der Beiziehung von Schlüsselunterlagenzur besseren Interpretation

• Profile

• Blockdiagramme

• Grundrisse

• terrestrische Ansichten bzw. Aufrisse

• Beispielkartierungen

• großmaßstäbige Karten

• Schrägluftbilder

• Beispiele von Feinstrukturen und Texturen

• etc..

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Fotointerpretationsschlüssel

• Nach der Vorgangsweise bei der Erstellung unterscheidet man 2 Hauptgruppen

– Beispiel- oder Auswahlschlüssel

– Eliminationsschlüssel

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Beispiel- oder Auswahlschlüssel

geben eine bildliche, beispielhafte Darstellung und Beschreibung der untersuchten Gebiete oder Objekte.

Der Interpret vergleicht die Beispiele mit seinem LB:– Feinstrukturen (Texturen) von Agrarflächen: Kulturarten– Gewässernetztypen– Baumkronentypen– Industrieanlagen– städtische Verbauungstypen– phänologische Schlüssel: Baumblüte, Gelbreife, Laubfärbung– LB-Archäologie (Boden-, Schattenmerkmale)– etc...

Beispielschlüssel sind in ihrer Anwendbarkeit meistens auf einen bestimmten Raum beschränkt!!!

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Schematische Darstellung der Kronenformen einheimischer Baumarten senkrecht von oben und im Aufriss (Nadelbäume)

Beispielschlüssel

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Schematische Darstellung der Kronenformen einheimischer Baumarten senkrecht von oben und im Aufriss (Laubbäume)

Beispielschlüssel

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Sonderformen - Beispielschlüssel

• Analogieschlüssel

– Anwendung bei der Interpretation unbekannter oder nicht betretbarer Gebiete.

– Erstellung von Interpretationsschlüssel mit Hilfe von LB aus vergleichbaren Gebieten = Gegenüberstellung

• Assoziationsschlüssel

– Aus sichtbaren Bildelementen kann häufig auf nicht erkennbare Erscheinungen geschlossen werden (z.B.: aus der Dichte des Gewässernetzes auf die Geologie, militärische Aufklärung)

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Eliminationsschlüssel

• ein systematisches Verfahren: vom ALLGEMEINEN zum SPEZIELLEN– schrittweise Einengung der Deutungsmöglichkeit bis nur mehr

eine Interpretationsmöglichkeit übrigbleibt

Gabelschlüssel (je 2 Alternativen zur Auswahl)– Problem: eine falsche Deutung führt zu falschen Aussagen!!– Anwendung: z. B. in der forstwirtschaftlichen LB-Interpretation

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Wahrnehmung

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Wahrnehmung von Formen

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zeitlicheUnterschiede

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räumliche Wirkung (Bsp. Reliefumkehr)

30zusätzliche Information aus Schatten

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Strukturen(Bsp. Entwässerungen)

vgl. Interpretationsschlüssel

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Muster (Bsp. Vegetation betont Geologie)

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Photogrammetrische Bildauswertung

im wesentlichen Bildmessung mit professionellen Auswertegeräten (Bsp.: BEV, topogr. Karten – Isohypsen)

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Digitale Bildauswertung

Bei der Interpretation und Analyse von digitalen Fernerkundungsdaten geht es grundsätzlich darum, raumbezogenen Informationen zu gewinnen, welche später in thematische Karten überführt oder mit anderen punktuell gewonnenen Geodaten verknüpft werden.

Neben der visuellen Interpretation von digitalen Bildern können multispektrale Aufnahmen auch zielgerichtet und automatisiert hinsichtlich der Verteilung von definierten Geo-Objektklassen untersucht werden.

Eine Objektklasse stellt eine vom Interpreten definierte Gruppe von Geo-Objekten dar, welche für die Zielsetzung der Analyse relevant ist (z.B. Nadelwälder, Laubwälder, Ackerflächen, Bebauung, Gesteinstypen, Bodenarten, etc.).

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Im Idealfall (!) ist jede Objektklasse durch eine ihr typische multispektrale Signatur im digitalen Bild gekennzeichnet.

Diese Multispektralsignatur wird durch die statistische Verteilung der Pixel einer jeden Klasse hervorgerufen, so daß man versuchen kann, mit Hilfe mathematischer Algorithmen die Pixel eines multispektralen Bildes im Hinblick auf ihre Homogenität sowie räumliche Verteilung (und damit die Verteilung von Objektklassen) zu untersuchen.

Die mathematisch-statistische Analyse wird mit Hilfe von Klassifikatoren unüberwacht, selbständig (unsupervised) oder überwacht, interaktiv (supervised) am Rechner durchgeführt; man spricht deshalb auch einer multispektralen Klassifikation digitaler Fernerkundungsdaten.

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Die Güte einer Klassifikation hängt wesentlich davon ab, wie eindeutig die Multispektralsignatur jeder Objektklasse ist, wie stark die stichprobenhafte Geländekenntnis (ground truth) in einem Testgebiet mit den Ergebnissen der Klassifikation harmonisiert und mit welchem Typ von Klassifikation gearbeitet wird.

Im Regelfall führen unüberwachte Klassifikationen von multispektralen Fernerkundungsdaten zu keinen befriedigenden Ergebnissen , da kaum eine Objektklasse eindeutig im Bild gekennzeichnet ist (Mischpixel = Mixel!).

Deshalb setzt man überwiegend auf überwachte, interaktive Klassifikationsschritte , welche maßgeblich von den Interpreten gesteuert werden können und, gestützt durch individuelle Sach- bzw. Geländekenntnisse, deutlich bessere Klassifikationsergebnisse erbringen.

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Interaktive Auswertung

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MultispektraleKlassifizierung

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Klassifizierungen 1

Cluster-Analyse (unüberwacht)

Minimum-Distance- oder auch Nearest-Neighbour-Klassifikation (überwacht)

Parallelepiped-Bildung oder auch Quader- bzw.  'Box'-Klassifikation (überwacht)

Klassifkation der „Größten Wahrscheinlichkeit“ oder auch Maximum-Likelihood (überwacht)

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Klassifizierungen 2

Hierachische bzw. Verzweigungsklassifikation (Folge von Iterationsschritten)

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Beispiel einer Multispektral-klassifikation

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Landnutzungsklassifizierung (CORINE)basierend auf LANDSAT(Überlagerung von Landsat Daten und Klassifizierungspolygonen)

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Landnutzungsklassifizierung (CORINE) mit Legende

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Die Güte einer Klassifikation kann durch den Einsatz zusätzlicher Daten in Form 'künstlicher Kanäle' gesteigert werden. Dabei fließen Informationen wie weitere Fernerkundungsdaten (z.B. Luftbilder), Geologie, DGM, Bodentyp, Niederschläge etc. in die Klassifizierung ein.

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Luftbild

Niedere Tauern

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Anaglyphenbild

Niedere Tauern