Manuelle Erstellung von TrueDOP: Produkte aus der Prozesskette
Die SURE-Software macht die manuelle Erstellung von True Orthophotos überflüssig. 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 tägliche 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, fehleranfällig und benötigten lange in der Produktion. Eine neue Generation Photogrammetriesoftware kann bei Luftbildern nun vollautomatisch Lage und Höhe für jedes Pixel bestimmen und damit zum Beispiel TrueDOP ableiten. „Diese vollautomatische Auswertung ermöglicht neue Anwendungsfelder, die Verarbeitung von größeren Datenvolumen in kürzerer Zeit und eine Wertsteigerung von Luftbilddaten“, fasst Konrad Wenzel zusammen. Der Photogrammetrie-Experte ist Geschäftsführer und Gründer 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 Gebäuden und Vegetation. Durch ihre Georeferenzierung und Lagetreue werden Flächen 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 verfügbar, sondern können Tage nach der Befliegung geliefert und einfacher aktualisiert werden. Diese Verfügbarkeit und Aktualität machen TrueDOP daher zu einer besonders wertvollen Quelle für zum Beispiel die Stadtplanung.” So werden die aus Luftbilddaten abgeleiteten, hochaktuellen Datenprodukte einer breiteren Masse und fachfremden Industriezweigen zugänglich.
Blick unter die „Motorhaube”
Die SURE-Software kann Luftbilder von beliebigen Kameras verarbeiten, um für jedes Pixel eine dreidimensionale Position zu bestimmen und anschließend ein Digitales Oberflächenmodell extrahieren. Anhand dieses Digitalen Oberflächenmodells werden die Originalbilder von der perspektivischen Verkippung befreit und übereinandergelegt. 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 unterstützen 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 Qualität wie bei texturarmen Flächen und Unterbelichtung“, so Wenzel.
Die Software ist skalierbar hinsichtlich Datenvolumen und dem Einsatz der IT. Mehrkernprozessierung und optionale Grafikkarten beziehungsweise verteiltes Rechnen werden unterstützt. 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 Bundesländer und mehreren europäischen Bundesbehörden, eingesetzt“, beschreibt Wenzel. Um die hohe Qualität des Oberflächenmodells zu gewährleisten, wird in den Algorithmen für jedes Pixel ein separater Tiefenwert bestimmt. Darüber hinaus werden Kantenerkennungsverfahren und mehrstufige Ausreißerfilter angewendet. Der Qualitätssteigerung 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 überblendet, um maximale Auflösung ohne sichtbare Übergänge zu ermöglichen.
Anforderung an die Befliegung
Einschränkend auf die Qualität (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 Vorwärtsüberlappung und ohne Querüberlappung rechnen. Empfohlen wird jedoch eine Mindestüberlappung von 80 Prozent vorwärts- und 40 Prozent quer. „Bei 50 Prozent Querüberlappung können bereits deutlich weniger Abschattungen zwischen den Streifen vorhanden sein, je nach Bebauungsart“, weiß Wenzel. Im innerstädtischen Bereich mit Hochhäusern werden 80 Prozent Querüberlappung angeraten.
Eine wichtige Rolle spielt auch die Radiometrie, die durch die Lichtmenge pro Pixel und demnach auch die Sensorqualität (Sensibilität, Rauschen, Dynamikumfang) bestimmt wird, auch atmosphärische Effekte gelte es bei der Befliegung zu berücksichtigen. „Bei Dunst beispielsweise sollte die Flughöhe 2500 Meter nicht überschreiten“, 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 Oberflächenmodell 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 Städte flüssig 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 Frühjahr erscheinen soll, gibt es eine zusätzliche Funktion zur automatischen Erkennung von Wasserflächen, 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 Oberflächenmodells im Uferbereich. Via Vermaschung des Polygons kann dies auch für Gewässer mit Gefälle implementiert werden. Die SURE Version 4.1 macht diese manuellen Schritte überflüssig, und zwar durch die Deep-Learning-basierte Funktion zur automatischen Wasserflächenerkennung. „Gegenüber klassischen Verfahren ist die Erkennung zuverlässiger, da sie auch Kontextinformationen wie die Beschaffenheit der Ufersäume lernt“, beschreibt Wenzel. Das macht sich insbesondere in der Trennung zwischen Wasser und Schatten bemerkbar und ermöglicht die Erkennung für RGB-Bildmaterial ohne Informationen im nahen Infrarotbereich. (sg)