Manuelle Erstellung von TrueDOP: Produkte aus der Prozesskette

Die SURE-Software macht die manuelle Erstellung von True Orthophotos ĂŒberflĂŒssig. Dadurch gewinnen die Luftbildaten an völlig neuer Bedeutung.

Das Potenzial von True Orthophotos (TrueDOP) ist seit langem bekannt. So können bauliche Strukturen und Vegetation ohne Umklappeffekte und lagegetreu dargestellt werden. Doch in die tĂ€gliche Praxis von Behörden, Kommunen und Industrieunternehmen kommen sie erst seit kurzem. Bisher konnten sie nur manuell oder bestenfalls teil-automatisiert hergestellt werden und waren demnach kostenintensiv, fehleranfĂ€llig und benötigten lange in der Produktion. Eine neue Generation Photogrammetriesoftware kann bei Luftbildern nun vollautomatisch Lage und Höhe fĂŒr jedes Pixel bestimmen und damit zum Beispiel TrueDOP ableiten. „Diese vollautomatische Auswertung ermöglicht neue Anwendungsfelder, die Verarbeitung von grĂ¶ĂŸeren Datenvolumen in kĂŒrzerer Zeit und eine Wertsteigerung von Luftbilddaten“, fasst Konrad Wenzel zusammen. Der Photogrammetrie-Experte ist GeschĂ€ftsfĂŒhrer und GrĂŒnder von nFrames, also jenem Unternehmen, das die SURE-Software seit 2014 global vermarktet. Durch neue Verfahren aus der Forschung in den Bereichen Photogrammetrie, Computer Vision und Machine Learning wird ein Verarbeitungsprozess von Luftbilddaten ermöglicht, innerhalb dessen neben TrueDOP eine ganze Reihe weiterer (3D)-Datenprodukte generiert werden können.

Mittlerweile werden diese „High-end”-Luftbilder zum Standard, da „die immer höhere Auflösung der Bilder sowohl die Nutzungsmöglichkeiten als auch die Automatisierung steigert”, sagt Wenzel. TrueDOP lösen nicht nur Verdeckungen auf, wie zum Beispiel neben GebĂ€uden und Vegetation. Durch ihre Georeferenzierung und Lagetreue werden FlĂ€chen und Distanzen im Bild messbar. Damit wird sowohl eine Konsistenz mit Katasterdaten als auch die direkte Vergleichbarkeit zwischen den Befliegungen möglich. „Durch die Automatisierung werden Vorteile unter anderem in der Wirtschaftlichkeit der Produktion zugunsten höherer Auflösung gewonnen. Daten sind mit der SURE-Software nicht erst nach Monaten oder einem Jahr verfĂŒgbar, sondern können Tage nach der Befliegung geliefert und einfacher aktualisiert werden. Diese VerfĂŒgbarkeit und AktualitĂ€t machen TrueDOP daher zu einer besonders wertvollen Quelle fĂŒr zum Beispiel die Stadtplanung.” So werden die aus Luftbilddaten abgeleiteten, hochaktuellen Datenprodukte einer breiteren Masse und fachfremden Industriezweigen zugĂ€nglich.

Blick unter die „Motorhaube”

Die SURE-Software kann Luftbilder von beliebigen Kameras verarbeiten, um fĂŒr jedes Pixel eine dreidimensionale Position zu bestimmen und anschließend ein Digitales OberflĂ€chenmodell extrahieren. Anhand dieses Digitalen OberflĂ€chenmodells werden die Originalbilder von der perspektivischen Verkippung befreit und ĂŒbereinandergelegt. Durch den automatischen Ausgleich von Differenzen in Farbe und Helligkeit, sowohl in den Luftbildern als auch lokal zwischen den Ausschnitten, kann ein konsistentes synthetisches Bild erzeugt werden. Algorithmen unterstĂŒtzen die sensible Erkennung von feinen Strukturen oder verbessern Bruchkanten. „Dabei reagieren die Algorithmen robust sowohl auf unterschiedliche Auflösungen und Überlappungen, als auch auf variierende radiometrische QualitĂ€t wie bei texturarmen FlĂ€chen und Unterbelichtung“, so Wenzel.

Traditionelles Orthophoto mit Umklappeffekten und verdeckten Bereichen und rechts True Orthophoto automatisch – ĂŒberlagert mit GebĂ€udegrundrissen – aus der SURE Software. Foto: Aerowest GmbH

Traditionelles Orthophoto mit Umklappeffekten und verdeckten Bereichen und rechts True Orthophoto automatisch – ĂŒberlagert mit GebĂ€udegrundrissen – aus der SURE Software. Foto: Aerowest GmbH

Die Software ist skalierbar hinsichtlich Datenvolumen und dem Einsatz der IT. Mehrkernprozessierung und optionale Grafikkarten beziehungsweise verteiltes Rechnen werden unterstĂŒtzt. Dieser Aspekt war bei der Gesamtkonzeption und -entwicklung der Software wichtig. „Aus diesem Grund wird sie sowohl bei privaten Bildflugunternehmen weltweit als auch im öffentlichen Bereich, beispielsweise der Mehrzahl der deutschen BundeslĂ€nder und mehreren europĂ€ischen Bundesbehörden, eingesetzt“, beschreibt Wenzel. Um die hohe QualitĂ€t des OberflĂ€chenmodells zu gewĂ€hrleisten, wird in den Algorithmen fĂŒr jedes Pixel ein separater Tiefenwert bestimmt. DarĂŒber hinaus werden Kantenerkennungsverfahren und mehrstufige Ausreißerfilter angewendet. Der QualitĂ€tssteigerung dienen auch Methoden bei der Komposition der True Orthophotos. Dabei werden parallaxenarme Bildteile bevorzugt, um die Verzerrungen zu minimieren und kleine Details sauber wiedergeben zu können. Gleichzeitig werden die einzelnen Bildteile ineinander gewichtet ĂŒberblendet, um maximale Auflösung ohne sichtbare ÜbergĂ€nge zu ermöglichen.

Anforderung an die Befliegung

EinschrĂ€nkend auf die QualitĂ€t (besonders in Bezug auf die Tiefeninformation) können auch Abschattungen sein. Diese können durch hinreichende Überlappung der Bilder minimiert werden. Die SURE-Technologie kann nach Angaben des Unternehmens bereits ab 60 Prozent VorwĂ€rtsĂŒberlappung und ohne QuerĂŒberlappung rechnen. Empfohlen wird jedoch eine MindestĂŒberlappung von 80 Prozent vorwĂ€rts- und 40 Prozent quer. „Bei 50 Prozent QuerĂŒberlappung können bereits deutlich weniger Abschattungen zwischen den Streifen vorhanden sein, je nach Bebauungsart“, weiß Wenzel. Im innerstĂ€dtischen Bereich mit HochhĂ€usern werden 80 Prozent QuerĂŒberlappung angeraten.

Eine wichtige Rolle spielt auch die Radiometrie, die durch die Lichtmenge pro Pixel und demnach auch die SensorqualitĂ€t (SensibilitĂ€t, Rauschen, Dynamikumfang) bestimmt wird, auch atmosphĂ€rische Effekte gelte es bei der Befliegung zu berĂŒcksichtigen. „Bei Dunst beispielsweise sollte die Flughöhe 2500 Meter nicht ĂŒberschreiten“, empfiehlt Wenzel.

Bei der SURE-Software sind hier verschiedene Workflow-Möglichkeiten vorhanden. Zum einen können bestimmte Schritte einzeln wiederholt werden: Dabei können einzelne Bilder ausgeschlossen oder ein korrigiertes OberflĂ€chenmodell in verschiedenen Formaten wieder eingespeist werden, um die Bearbeitung mit beliebiger Software zu ermöglichen. Alternativ kann der SURE Editor eingesetzt werden. Mit ihm können nach Angaben des Unternehmens ganze Lose oder StĂ€dte flĂŒssig visualisiert und effizient editiert werden. Dabei werden Shapefiles lagegetreu in die Geometrie gezeichnet, die exportiert und wiederverwendet werden können.

Deep Learning inside

Die SURE-Software hat bereits Methoden des Deep Learning implementiert. Ab der SURE Version 4.1, die in diesem FrĂŒhjahr erscheinen soll, gibt es eine zusĂ€tzliche Funktion zur automatischen Erkennung von WasserflĂ€chen, also einem Themengebiet, das die Photogrammetrie schon immer vor besondere Herausforderungen gestellt hat, weil entweder bewegtes oder auch transparentes Wasser die Bestimmung von Uferlinien erschwerte.

Ein SURE-Workflow ermöglicht dazu bereits den Import von Shapefiles zu Korrektur-Zwecken des OberflĂ€chenmodells im Uferbereich. Via Vermaschung des Polygons kann dies auch fĂŒr GewĂ€sser mit GefĂ€lle implementiert werden. Die SURE Version 4.1 macht diese manuellen Schritte ĂŒberflĂŒssig, und zwar durch die Deep-Learning-basierte Funktion zur automatischen WasserflĂ€chenerkennung. „GegenĂŒber klassischen Verfahren ist die Erkennung zuverlĂ€ssiger, da sie auch Kontextinformationen wie die Beschaffenheit der UfersĂ€ume lernt“, beschreibt Wenzel. Das macht sich insbesondere in der Trennung zwischen Wasser und Schatten bemerkbar und ermöglicht die Erkennung fĂŒr RGB-Bildmaterial ohne Informationen im nahen Infrarotbereich. (sg)

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