Analyse digitaler Oberflächenmodelle aus multitemporalen hochauflösenden optischen Satellitendaten

Kurzfassung

Das Segment der hochauflösenden (VHR), optischen Satellitensysteme ist über die letzten Jahre stark angewachsen, und vergrößert sich weiterhin. Mit der Anzahl der Aufnahmesysteme werden auch die Archive der Satellitenprovider immer größer. Gegenstand dieser Arbeit ist daher, zu untersuchen, wie das große Potential dieser Archive für die Satellitenbildphotogrammetrie nutzbar gemacht werden kann. Dafür werden mehrere zeitlich auseinanderliegende Aufnahmen zu digitalen Oberflächenmodellen (DSM) verarbeitet sowie die Ergebnisse bezüglich Genauigkeit und Vollständigkeit analysiert. Nur ein Bruchteil der VHR Aufnahmen wird im Stereomodus (bei dem zwei Aufnahmen kurz nacheinander getätigt werden) durchgeführt. Für die Vermittlung des Prinzips, wie DSMs aus Satellitendaten erzeugt werden, wird in der Arbeit auf das Aufnahmeprinzip von optischen VHR Satelliten eingegangen. Dabei werden verschiedene Effekte vorgestellt, die vor oder bei der Prozessierung eines DSM aus optischen VHR Daten auftreten können. Um zu zeigen, wie aus zwei Bildern ein Tiefenbild bzw. ein DSM prozessiert wird, werden die Grundlagen der Computervision erläutert. Schwerpunkte bilden dabei die verschiedenen Ansätze zur Lösung des Korrespondenzproblems, Ähnlichkeitsmaße und die Semi-global Matching (SGM) Technik. Aufnahmen, die kurz nacheinander aus einem Orbit aufgenommen werden (along-track stereo), besitzen nur wenige Unterschiede in ihrem Bildinhalt. Aufnahmen hingegen, die mehrere Tage, Monate oder Jahre auseinanderliegen (across-track stereo), weisen deutlich mehr Unterschiede auf. Dadurch, dass für die Erstellung von DSMs korrespondierende Punkte in mindestens zwei Bildern gefunden werden müssen (Matching), ist dieser Vorgang bei Aufnahmen mit großen zeitlichen Abständen schwierig und oft nicht erfolgreich. Durch die SGM Technik kann in Verbindung mit robusten Ähnlichkeitsmaßen ein qualitativ hochwertiges und genaues DSM abgeleitet werden. In dieser Arbeit wird mit Testdaten analysiert, unter welchen Umständen eine erfolgreiche Erstellung von Höhenmodellen aus across-track Aufnahmen möglich ist. Als Testdaten standen jeweils fünf Szenen des Satelliten Worldview-2 für zwei Testgebiete in Madrid und Tripolis zur Verfügung. Als Referenz dient im Testgebiet Madrid ein Lidar-Geländemodell. Für die Analyse werden unterschiedliche Kombinationen von Aufnahmen verschiedener zeitlicher Abstände durch SGM zu DSMs prozessiert und quantitativ sowie qualitativ überprüft. Für diese Analysen werden robuste statistische Maße und etablierte Techniken zur visuellen Analyse verwendet. Die Analysen kommen zu dem Ergebnis, dass across-track erzeugte DSMs unter bestimmten zeitlichen und die Aufnahmewinkel betreffenden Voraussetzungen eine Qualität erreichen können, welche along-track DSMs ebenbürtig sind. Der zeitliche Abstand wirkt sich primär auf die Vollständigkeit bestimmter Objekttypen der resultierenden Höhenmodelle aus. Es wird neben den Ergebnissen der Analyse ein Vorschlag abgegeben, mit welchen Kriterien und auf welche Weise across-track Aufnahmen für eine erfolgreiche Erzeugung eines Höhenmodells ausgewählt werden können.