Amtliche Vermessung mit Sentinel-Daten
Die Change-Detection-Software DLM-Update von EFTAS vergleicht ATKIS-Basis DLM-Daten mit aktuellen Copernicus-Fernerkundungsdaten und unterstützt so Vermessungsämter bei der Aktualisierung der Digitalen Landschaftsmodelle.
Alle drei Jahre müssen die deutschen Landesvermessungen die Daten des digitalen Landschaftsmodells (Basis–DLM) umfassend und flächendeckend aktualisieren. Allein die in diesem Zeitraum neu bebaute Fläche beträgt rund 750 Quadratkilometer, was in etwa der Fläche von Hamburg entspricht. Hinzu kommen Veränderungen innerhalb der bebauten und noch unbebauten Flächen, wie etwa Waldgebiete, Acker- oder Gewerbeflächen. Üblicherweise müssen diese unzähligen und oft kleinteiligen Veränderungen per Hand analysiert werden – ein Vorgang, der sehr zeitund arbeitsintensiv für das zuständige Vermessungsamt ist.
Eine schnellere und vor allem genauere Alternative bietet nun die Software-Komponente DLM-Update des Münsteraner GeoIT-Anbieter EFTAS GmbH. Die Lösung basiert auf dem Prinzip der Change-Detection – einem Verfahren zur Erfassung und Kartierung von Veränderungen des Zustandes der Erdoberfläche zwischen zwei oder mehr aufeinanderfolgenden Fernerkundungsaufnahmen. Die Software aktualisiert nicht die Geobasisdaten, aber sie gibt den Verantwortlichen zuverlässige Hinweise, wo Aktualisierungen notwendig werden, ohne dass diese vor Ort sein müssen. Der erste Prototyp wurde im Rahmen eines FuE-Projekts gemeinsam mit dem Landesamt für Vermessung und Geoinformation Schleswig-Holstein (LVermGeo SH) entwickelt und ist dort seit Ende des Projekts im Jahr 2016 auch in das amtliche EDV-System integriert.
Sentinel-2-Daten
DLM-Update vergleicht teilautomatisiert aktuelle Satellitendaten des entsprechenden Gebiets mit den Daten der tatsächlichen Nutzung aus dem ATKIS- Basis-DLM. Die bewerteten Objekte und ihre Attribute entsprechen dabei den Vorgaben des ATKIS-Objektartenkatalogs. Nach einer Analyse erhält der amtliche Vermesser Hinweise darüber, wo die tatsächliche Nutzung aktualisiert werden muss. Zudem erzeugt DLM-Update eine geometrische Abgrenzung der veränderten Flächen und zeigt diese in dem jeweiligen 3A (AFIS-ALKIS-ATKIS)-Dateneditor der Behörde an.
Die Grundlage der DLM-Update-Komponente bilden digitale Orthofotos kombiniert mit Satellitendaten. Während man sich zu Projektbeginn bei dem Prototyp in Schleswig Holstein noch mit Landsat-8-Daten in einer Auflösung von dreißig Metern pro Pixel behelfen musste, stehen hierfür inzwischen die Daten der europäischen Sentinel-2-Satelliten mit einer Auflösung von zehn Metern kostenfrei zur Verfügung. Mittels integriertem Downloader kann der Anwender direkt auf das Copernicus-Datenarchiv der ESA zugreifen. „Wir planen zudem auch einen Anschluss an die Copernicus Data and Exploitation Platform – Deutschland (CODE-DE)“, so der verantwortliche Projektleiter Andreas Völker.
Lernende Software
Im ersten Schritt erzeugt die Software sogenannte Trainingsdaten. Dabei werden vorhandene ATKIS-Daten und die Fernerkundungsdaten miteinander abgeglichen. „Der Fokus liegt dabei auf der automatischen Auswahl von Pixeln, die charakteristisch für die jeweilige Landbedeckung sind. So ,lernt’ die Software quasi Pixelwerte in den Fernerkundungsdaten richtig zu interpretieren“, erklärt Andreas Völker.
Im zweiten Schritt werden die spektralen Informationen in den Fernerkundungsdaten auf Grundlage der Trainingsdaten sieben Landbedeckungsklassen zugewiesen: Versiegelung, Grünland, Acker, Wald/Gehölz, Wasser, Feuchtflächen sowie Sand/Offenboden. Anhand einer Überführungsmatrix werden diese sieben Klassen nach festen Regeln mit den Objektarten der tatsächlichen Nutzung des DLM abgeglichen. Daraus leitet die Software Änderungshinweise ab, die dann vom Nutzer strukturiert abgearbeitet werden können. Wenn vorhanden, können inzwischen auch Höhendaten eines Digitalen Gelände- oder Oberflächenmodells (DGM/DOM) in den Prozess integriert werden. „So ist es leichter bei der Klassifikation der Fernerkundungsdaten zwischen Grünland und Wald zu unterscheiden.” Andreas Völker erwartet, dass sich die Qualität der Ergebnisse in naher Zukunft weiter verbessern wird. „Da inzwischen zwei baugleiche Satelliten im Einsatz sind, rechnen wir künftig mit längeren und dichteren Zeitreihen aus den Sentinel-2-Daten. Außerdem haben wir bereits erste Konzepte für die Integration von Radardaten der Sentinel-1-Satelliten entwickelt.“
Damit das DLM-Update auch weiterhin als nützliches Werkzeug akzeptiert wird, achtet EFTAS besonders darauf, dass keine tatsächlichen Änderungen übersehen werden. „Wir sind da aber sehr zuversichtlich. Schon jetzt behandelt die Software-Komponente 92 Prozent der ATKIS-Objekte strategisch korrekt. Im Klartext bedeutet dies, dass tatsächliche Änderungen und unveränderte Objekte korrekt erkannt oder im Zweifelsfall dem Bearbeiter zur Prüfung vorgelegt wurden“, so Völker weiter.
Mittlerweile laufen auch in Thüringen und Mecklenburg-Vorpommern erste Test-Installationen von DLM-Update. Zudem arbeitet EFTAS gemeinsam mit den Landkreisen Lippe und Warendorf an Anpassungen und Weiterentwicklungen der DLM-Update-Komponente zur Aktualisierung von Daten des Automatisierten Liegenschafts-Kataster Informations-System (ALKIS). Inzwischen kooperiert EFTAS außerdem mit der AED-SICAD AG sowie der ibR GmbH und der M.O.S.S. GmbH, um DLM-Update in die führenden 3A-GIS-Lösungen zu integrieren.
Regionale Datennutzung
Seit den Anfängen der Copernicus-Initiative hilft EFTAS bei deren Etablierung und Operationalisierung durch Technologieentwicklung und Netzwerkarbeit. Damit die Copernicus-Daten auch auf regionaler Ebene gewinnbringend genutzt werden können, konzentriert sich EFTAS nicht ausschließlich auf die Satellitendaten. „Die Satelliten sind ein wichtiges Werkzeug, nicht mehr und nicht weniger. In den meisten Anwendungsfällen kommt es darauf an, Daten aus mehreren Quellen zu den jeweils benötigten Geoinformationen zusammen zu führen“, erläutert Dr. Andreas Müterthies als Leiter des F&E-Bereichs bei EFTAS. „Die Copernicus-Daten und -Dienste sind in dieser Hinsicht also nur eine weitere, wenn auch attraktive Datenquelle.“ Insbesondere in situ-Daten, wie UAV-Luftbilder, amtlichen Geodaten oder Feldkartierungen spielen laut EFTAS eine wichtige Rolle dabei, die Copernicus-Daten für den Bedarf regionaler Nutzer nutzbar zu machen.
„Die Kombination mit in situ-Daten ist quasi die Stellschraube, mit der Copernicus-Daten für verschiedenste Maßstabsbereiche skaliert werden können. Unterschiedlichste Datensätze also, die mit unterschiedlichsten GeoIT-Lösungen thematisch und technologisch mit Copernicus-Daten fusioniert werden können“, erklärt Dr. Müterthies.
Copernicus-Dienste nutzbar machen
Aktuell ist EFTAS noch in weitere Projekte zur Nutzbarmachung der Copernicus- Dienste eingebunden. So hat die Europäische Umweltagentur (European Environment Agency (EEA)) ein aus EFTAS, GAF und GeoVille bestehendes Unternehmenskonsortium mit der großflächigen Kartierung weiterer über Europa verteilter Grünland-dominierter Natura 2000 Gebiete beauftragt. Für das Bundesamt für Naturschutz (BfN) wertet EFTAS alle für das Bundesgebiet verfügbaren Sentinel-2-Daten von 2016 aus, um die Auswirkungen der Energiewende auf Natura 2000 Gebiete zu analysieren. Zudem untersucht EFTAS derzeit im Rahmen zweier Projekte, wie Methoden der Fernerkundung den Feuerwehren helfen können. Dabei geht es um verlässliche Lagebeurteilungen, wenn die individuellen Ortskenntnisse einer Einsatzleitung nicht mehr ausreichen, wie zum Beispiel bei großflächigen Schadenslagen. Im Rahmen des Projekts SenSituMon wird EFTAS künftig gemeinsam mit con terra und 52North an der Entwicklung von (nahe) Echtzeit-Informationsprodukten für das automatisierte großflächige Monitoring von Überflutungsgebieten aus Satelliten- und in situ-Sensordaten arbeiten. Um Gewässermonitoring geht es auch in den Kooperationsvorhaben WaCoDiS und Mudak-WRM, in denen EFTAS gemeinsam mit Partnern webbasierte Monitoringwerkzeuge zur Bestimmung der Wasserqualität entwickelt.