Nationalpark Niedersächsisches Wattenmeer

Nationalpark Niedersächsisches Wattenmeer
Lebensraumkartierung
unter den Rahmenbedingungen
des Trilateralen Monitoring Programms (TMAP)
und der FFH-Berichtspflicht
auf der Grundlage der
Fernerkundung
N. Hecker 02/2005
Gliederung
• Digitale Kameras
• Bildflugbedingungen der NLPV
• Probleme der digitalen Bildflüge 2002 - 2004
• FFH - Lebensraumkartierung
N. Hecker 02/2005
Welche Fernerkundungsdaten werden zur
Beantwortung der Fragestellung gebraucht?
•
Analoge panchromatische, CIR oder RGB-Luftbilder?
•
Digitale Luftbilder?
•
Werden im Projekt digitale Luftbilder eines matrix- oder eines
zeilenbasierten Systems benötigt?
Bedingt durch:
- durch die Methode der Bilddaten-Auswertung?
- unterschiedliche oder einheitlich hohe Zeilen-Auflösung pan / ms ?
- werden Einzelbilder mit z.B. 60 %-iger Überlappung benötigt oder
ein homogenes Bildmosaik?
- welche Auswirkungen auf die Radiometrie ergeben sich, wenn
digitale Luftbilder eines Matrixsystems zu homogenen Bildern
mosaikiert werden?
•
Welche Kanäle sind für die Beantwortung der Fragestellung
notwendig?
•
Welche geometrische und radiometrische Auflösung müssen die
Luftbilder haben?
N. Hecker 02/2005
Vorteile digitaler photogrammetrischer
Luftbildkameras
•
Die hohe Auflösung und gleichzeitig grosse Schwadbreite
•
Die hohe geometrische Präzision der Lagemessung
•
Die zeitgleiche Erfassung multispektraler und panchromatischer
Daten
•
Die schnelle Verfügbarkeit der Daten
•
Der erhöhter Dynamikbereich durch 12 bit anstatt 8 bit
•
Das signifikant bessere Rauschverhältnis zu analogen Daten
----------------------------------------
•
Der gemessene Grauwert ist im Gegensatz zu analogen Systemen
reproduzierbar, d.h. er ist mit physikalisch relevanten
Umgebungsparametern messbar
Zur Reproduzierbarkeit müssen
•
die Sensoren radiometrisch kalibriert und
•
die Multispektralen Kanäle absolut radiometrisch kalibriert sein
N. Hecker 02/2005
Vorteile und Nachteile matrixorientierter Systeme
Vorteile
•
Sie bilden stabile Geometrien ab
•
Geometrische Fehler sind beim Postprocessing korrigierbar
Nachteile
•
Die flächenhaften Detektorarrays sind relativ klein
•
Die Synchronisierung der Sensoren ist schwierig, so dass sich
Fehler bei der Nachbearbeitung ergeben können
•
Die Orthorektifizierung von Luftbildern mit automatisch erzeugten
DLMs ist noch fehlerbehaftet und daher mit Vorsicht zu geniessen.
N. Hecker 02/2005
Vor- und Nachteile von Zeilenkameras
Vorteile
• Für alle Zeilen wird nur eine Optik verwendet
• Der gesamte Aufnahmebereich wird mit einem Detektorarray erfasst
Nachteil
• Die Messung der äußeren Orientierung mittels Intertialer
Messeinheiten (IMU) ist schwierig aber auch zwingend erforderlich.
• Die Eigenbewegung des Flugzeugs führt zu Verzerrungen, die beim
postprocessing mit Hilfe der DGPS- und Intertial-Daten geometrisch
korrigiert werden.
N. Hecker 02/2005
Verfügbare Kameras
HRSC-AX
ADS40
DMC
Ultracam
High Resolution
Stereo CameraAirborne
Airborne Digital
Sensor
Digital Mapping
Camera
Large Format
Digital Aerial
Camera
Anbieter
DLR
Z/I Imaging
Verfügbar seit
2000
Leica Geosystems
2000
Vexcel
Imaging
2003
Kanäle
Sensortyp
5 pan
4 ms
Triplet Stereo
4 pan
4 pan
4 ms
4 ms
Matrix CCD Matrix CCD
Zeilenauflösung (Pixel)
12172
3 pan
4 ms
Triplet
Stereo
12000
Radiometrische Auflösung
12
Bodenauflösung in cm bei
3000 m Flughöhe
Streifenbreite im m bei 3000
m Flughöhe
23 Px
13 Py
1572
2002
12
13800 pan
3000 ms
12
11500 pan
4008 ms
12
15
30
27
3600
4140
3105
N. Hecker 02/2005
Digitale photogrammetrische Kameras
im Normenentwurf E DIN 18740-4
Folgende Schwerpunkte behandelt der Entwurf:
• Anforderungen an digitale photogrammetrische
Kameras
• Anforderungen an Bildflüge mit digitalen
Kameras
• Anforderungen an das digitale Luftbild
• Prüfung der digitalen Bilder
http://www.informatik.hu-berlin.de/~reulke/Publikationen/040917_Doerstel_Reulke_Schwebel_DGPF_Halle.pdf
N. Hecker 02/2005
Leybucht
DMC 2003
N. Hecker 02/2005
Bildflug-Bedingungen der NLPV
Zeitfenster
• zwischen Juli und Mitte September
• möglichst an einem einzigen Tag
Witterungsbedingungen
• konstante, ruhige Lage
• Sonnenstand > 30°
• mindestens 95 % Wolkenfreiheit
Besonderheiten im Wattenmeer
• das Quellerwatt sollte optimal entwickelt sein
• Niedrigwasser-Flug
Maßstab oder Bodenpixelauflösung
• Maßstab 1 : 10.000 (analoger Bildflug)
• Pixelauflösung 32 cm x 32 cm (digitaler Bildflug)
N. Hecker 10/2003
Welche Auswirkungen haben inhomogene
Bildflug-Rahmenbedingungen
Der Aufwand für die nachfolgende Datenauswertung erhöht
sich u.U. enorm
Die in den Bilddaten zu analysierenden Objekte weisen bei
inhomogenen Rahmenbedingungen unterschiedliche
Rückstreuungsverhalten auf.
N. Hecker 02/2005
Probleme aus den Befliegungen mit der
HRSC-AX und der DMC
HRSC-AX-Bildflug der Ostfriesischen Inseln vom 01.10.2002
• Teilbewölkung
• Starker Schattenwurf
• Rauschen in den multispektralen Kanälen, so dass die Daten umfassend
nachprozessiert wurden (ergebnislos)
• Die Nachbefliegung der Inseln fand am 09.09.2004 statt
DMC-Bildflug des Ostfriesischen Küstenvorlandes und des Jadebusens
vom 07.08.2003
• Die ersten Orthophoto-Lieferungen wiesen geometrische Fehler und
Verzerrungen auf, die in den Originalen nicht vorhanden waren.
• Das liegt daran, dass auch die DMC-Höhendaten fehlerhaft waren.
• Verzerrungen in den Orthophotos entstehen dann, wenn sie auf der Grundlage eines fehlerhaften automatisch erzeugten DLM berechnet werden.
• Die gesamten DMC-Daten mussten wegen zahlreicher Fehler (Lage / Projektion) mit zusätzliche Passpunkten von Grund auf neu berechnet werden.
• Das Digitale Oberflächenmodell DOM musste mit hohem manellem
Aufwand korrigiert werden.
N. Hecker 02/2005
Norderney
Beispiel Rauschen in den HRSC-AX-Daten vom
01.10.2002
Ein starkes Rauschen (wechselnde Helligkeiten in den Kanälen) tritt
auf folgenden Inseln auf
• Baltrum
• Norderney
• Spiekeroog
• Juist
N. Hecker 02/2005
Geometrische Verzerrungen in DMC-Daten
Bei der OrthobildBerechnung wurde ein
fehlerhaftes digitales
Oberflächenmodell
verwendet, das
automatisiert erzeugt
wurde
Gründe
• Die automatische Korrelation ist im strukturarmen Projektgebiet sehr
schwierig
• Bei manueller Nachbearbeitung sind feine Strukturen nur sehr schlecht zu
erkennen
• Die Qualität überlappender Bilder ist sehr unterschiedlich
• Reflektionen an feuchten Flächen führen zu fehlerhaften Höhendaten
• Die DMC war zum Aufnahmezeitpunkt noch nicht ausgereift
N. Hecker 02/2005
Aus der Befliegung mit der DMC ist folgendes
Fazit zu ziehen
• Automatisiert erzeugte digitale Oberflächenmodelle
sollten aufgrund der hohen Fehlerquote in den
Höhendaten bei der Orthobildberechnung nicht
verwendet werden
• Zur Berechnung der Orthophotos empfiehlt die Nds.
Landesvermessung (LGN) digitale Geländemodelle der
Landesvermessung zu verwenden
N. Hecker 02/2005
Die angewendete Methode bei der
Orthobildberechnung ist entscheidend für die
Qualität der Orthobilder
• die Methode „cubic convolution“ sollte angewendet werden, da
• die Methode „nearest neighbour“ zu unnötigen Treppeneffekten führt
N. Hecker 02/2005
Radiometrie
Die DMC-Daten wurden radiometrisch nachbearbeitet.
Postprozessing-Schritte werden sowohl bei Matrix- als
auch bei Zeilen-Systemen durchgeführt.
• Nachbearbeitungen sind immer mit Informationsverlust verbunden
• Nachbearbeitungen führen zu einer neuen Information, die im
Extremfall mit dem Original nicht mehr vergleichbar ist, wie die
nachfolgenden Histogramme belegen
Original
LGN
nachbearbeitet
N. Hecker 02/2005
Salzwiesen Wangerooge
HRSC-AX 2004
N. Hecker 02/2005
FFH-Kartierung terrestrischer Bereiche
mit Bewertung des Erhaltungszustandes
1. FFH-Lebensraumtypen
1130 Brackröhrichte der Ästuare
1150 Lagunen
1310 Quellerwatt
1320 Schlickgraswatt
1330 Atlantische Salzwiese
2110 Primärdünen
2120 Weißdünen mit Strandhafer
2130 Graudünen mit krautiger
Vegetation
2140 Krähenbeer-Heiden der Küsten
2150 Caluna-Heide auf Küstendünen
2160 Sanddorngebüsch
2170 Kriechweidengebüsch
2180 Bewaldete Küstendünen
2190 Feuchte Dünentäler
7120 Sehestedter Außendeichsmoor
Die Bewertung des Erhaltungszustandes erfolgt auf der Grundlage stichpunktartiger
Flächenbegutachtung, Gebietsbetrachtung sowie einer Einschätzung basierend auf
Ortskenntnissen
N. Hecker 02/2005
2. Erfassung ergänzender TMAP-Typen
•
Vegetation der besonders schutzwürdigen feuchten Dünentäler
a. Anmoorheiden, TMAP-Code H.3.1
b. Kalkflachmoor-Vegetation, TMAP-Code H.2.2
c. Strandlings-Vegetation, TMAP-Code H.1.3
•
Vegetation, die im Küstenbereich problematisch zugenommen hat:
a. Quecken-Bestände der Salzwiesen, TMAP-Code S.3.7
b. Kartoffelrosen-Bestände der Dünen, TMAP-Code X.7.4
3. Erfassung des Grünlandes und des
Siedlungsbereiches ohne innere Differenzierung
N. Hecker 02/2005
Ziele
• Verringerung des Zeitaufwandes bürogebundener
Arbeitsschritte
• Vermeidung unkalkulierbare Fehler aus
- klassischer Interpretation
- Georeferenzierung
- Digitalisierung gezeichneter Folien
• Verlagerung der Kosten aus Georeferenzierung und
Digitalisierung auf die Qualität der Bilddaten
• Verbesserung der Qualität der Ergebnisse bezüglich
a) Lagegenauigkeit linienhafter und flächiger Elemente
b) Inhaltlich, durch verstärkte Geländearbeit
N. Hecker 10/2003
Projektbearbeitung „Lebensraumkartierung“
per Werkvertrag
Auftragnehmer:
nature-consult
Kooperationspartner
GDF Hannover
Projektzeitraum:
Mai 2004 bis Oktober 2005
N. Hecker 02/2005
Projekt-Ablauf
•
24.05.2004
Projektbeginn
•
Mai 2004
Übergabe der HRSC-AX- und DMC-Daten
•
Ende Juni 2004
Die geometrische und radiometrischen Qualität
der DMC-Daten wird beanstandet
•
01.07.2004
Vollständige Neubearbeitung der DMC-Daten
•
ab 10.08.2004
sukzessive Lieferung von homogenen Orthophoto-Mosaiken durch die Bildflugfirma
•
Mai - Oktober 2004 Arbeitsschritte zur Fernerkundung sowie
vegetationskundliche Feldarbeit mit Zustandsbewertung gemäß FFH-Berichtspflicht
•
ab Oktober 2004
Beginn der Nachbearbeitung der Feldblätter im
GIS
•
Januar 2005
Bericht zur Fernerkundung
•
Oktober 2005
Projektende
N. Hecker 02/2005
Arbeitsschritte
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ausmaskierung nicht zu klassifizierender Gebiete
Erstellen von Masken für die Einheiten Salzwiesen, Dünen, Grünland
Festlegen von repräsentativen Trainingsgebieten,
Einlesen der Luftbilder
Vorklassifikation mit der freien Software GRASS
Raster- und Vektor-basierte Filterung der Vorklassifizierung
Erstellen von Geländekarten im Maßstab 1 : 3.000 (Luftbild überdeckt
mit dem Endprodukt (Vektoren) der Klassifikation
Geländearbeit
- zur Überprüfung und Korrektur der klassifizierten Geometrien und
der Inhalte
- zur gebietsweisen Bewertung des FFH-Erhaltungszustandes
Digitalisierung der Korrekturen aus der Geländearbeit
N. Hecker 02/2005
Beispiel für die (Aus-) Maskierung der
Obereinheiten
N. Hecker 02/2005
Gründe für die Maskierung von Objekten
•
Masken dienen der Verringerung der klassifizierbaren Einheiten in
einer Obereinheit
• Unterschiedliche Objekte können die selben spektralen
Eigenschaften besitzen
- Masken verhindern fehlerhafte Zuordnungen bei der
Klassifikation
- Masken erleichtern die Fehlererkennung und -Korrektur
• Masken reduzieren die Rechenzeit für eine KlassifizierungsSession
-------------------------------------------------------------------Ausmaskiert wurden:
• Verkehrswege, Flugplätze, Parkplätze
• Siedlungsflächen, Einzelgehöfte
• Hauptpriele, Seen
Klassifizierungsmasken wurden gebildet für die Obereinheiten:
Salzwiesen, Dünen, Grünland
N. Hecker 02/2005
Beispiel Trainingsflächen
Beispiel der Attributstruktur der Trainingsflächen
ID Serie
TMAP Serie_ID
All_ID TMAP_ID
0 Xero
X.7.1
1
171
71
1 Hygro
H.5
2
25
5
2 Halo
S.1.1
3
311
11
N. Hecker 02/2005
Trainingsflächen
•
Sie müssen einen repräsentativen Querschnitt der spektralen Eigenschaften
der zu klassifizierenden Vegetationstypen abdecken.
•
Sie müssen homogene Stichproben der zu erfassenden Einheiten sein und
gleichzeitig deren spektrale Variabilität so exakt wie möglich wiederspiegeln.
•
Die Qualität der Trainingsflächen ist entscheidend für die Qualität der
Klassifizierung
------------------------------------------------
•
Sie wurden im Projekt in engem Zusammenspiel zwischen den Spezialisten
der Fernerkundung und der Vegetationskunde erarbeitet.
•
Sie wurden aus vegetationskundlichen Projektdaten der Jahre 2001 bis 2003
gebildet.
•
Sie wurden am Monitor mit der Hintergrunddarstellung des RGB-Komposites
digitalisiert.
--------------------------------------------------
•
Das methodische Vorgehen bei der Referenzflächen-Bestimmung ist sehr
stark durch die straffe Projektabwicklung im Jahr 2004 geprägt.
•
Eine fehlerfreie Trainingsflächen-Auswahl ist m.E. nur im Gelände möglich.
N. Hecker 02/2005
Analyse-Schritte der Fernerkundung
• Vor der Analyse wurde die geometrische Auflösung der Luftbilder von 32 cm
auf 64 cm reduziert.
• Die Rechenzeit bei der Klassifizierung verringert sich dadurch erheblich.
Inhaltliche oder qualitative Einbußen entstehen dadurch nicht.
•
Analysen wurden innerhalb der Obergruppen-Masken ausschließlich
mit den spektralen Kanälen blau, grün, rot, infrarot und
panchromatisch durchgeführt.
•
Textur- und Relief-Analysen wurden insbesondere mit den
Luftbildern der Inseln vom 01.10.2002 getestet.
Die Fehler in den Bilddaten (Rauschen) und in den Höhendaten
lassen keine Textur- und Relief-Analysen zu.
•
Schattenanalysen wurden mit den HRSC-AX-Daten der Inseln
ansatzweise durchgeführt und waren bei der Analyse von
Nachbarschaftsbeziehungen erfolgreich.
N. Hecker 02/2005
Klassifizierungsmethode in GRASS
In der freien Software GRASS fand eine hierarchische Vorklassifikation
statt
Dafür wurde der
“Sequential Maximum a Posteriori” (SMAP)
multispektrale Segmententierungsalgorithmus
zusammen mit dem
“Multiscale Random Field” (MSRF) Modell angewendet.
Diese Klassifizierung arbeitet nicht pixelorientiert, sondern als
Pyramidenklassifizierung.
Dabei werden sowohl radiometrische als auch geometrische
Informationen einbezogen und Nachbarschaftsbeziehungen zwischen
Pixeln berücksichtigt.
N. Hecker 02/2005
Filterung nach der Vorklassifikation
Die Filterschritte wurden zwischen den Spezialisten der
Fernerkundung und der Vegetationskunde empirisch festgelegt.
•
Es wurden 9 rasterbasierte Filterungen in GRASS vorgenommen:
- 7 Filterungen mit 5 x 5 Pixeln nach der Methode nearest neighbour
- 2 Filterungen mit 9 x 9 Pixeln
•
Anschliessend wurden die Klassifizierungsergebnisse der Dünen
und Salzwiesen zu einem einzigen Rasterdatensatz
zusammengefügt.
•
Der letzte Schritt in GRASS war die Vektorisierung der Rasterdatei.
•
In ArcGIS folgte eine abschliessende Vektor-basierte Filterung, um
zu einer sinnvollen minimalen Flächengrösse (200 m²) zu gelangen.
•
Mit diesem Ergebnis wurden die Feldkarten im Maßstab 1 : 3.000 im
Format DIN A4 erstellt.
N. Hecker 02/2005
Beispiel einer Feldkarte aus dem Bereich Jadebusen
N. Hecker 02/2005
Vorläufiges Ergebnis
• Die Verwendung digitaler photogrammetrischer Kamerasysteme ist bei
vergleichbaren Projekten aufgrund der technische Entwicklung sinnvoll.
• Die Methode, die digitalen Luftbilder zu klassifizieren, bringt brauchbare
Ergebnisse.
• Die digitalen Luftbilddaten des terrestrischen Bereichs des Nationalparks
konnten im Projekt in einer Vegetationsperiode in Relation zu klassischen
Kartiermethoden in relativ kurzer Zeit ausgewertet werden.
Für zukünftige Projekte gilt:
• Die Orthobilderstellung mit automatisch gerechneten DOMs ist noch mit
Vorsicht zu geniessen.
• Korrekte Bilddaten digitaler Systeme müssen schneller verfügbar sein.
• Gleichzeitig zur Befliegung müssen im Gelände Trainingsflächen für
die nachfolgende Klassifizierung erfasst werden.
• Die Methode der Klassifizierung zur Analyse von terrestrischen
Küstenhabitaten muss weiter verfeinert werden.
• Textur- und Reliefanalysen müssen zukünftig intensiver genutzt
werden.
• Die Weiterentwicklung des Analyseverfahrens ist vielversprechend
N. Hecker 02/2005
Lüttje Hörn
N. Hecker 02/2005