Verein "Dr. Maria Reiche - Linien und Figuren der Nasca-Kultur in Peru" e.V.

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH)
Fachbereich Vermessungswesen/Kartographie

"Erstellung eines Satellitenbildmosaiks vom Gebiet der Pampa von Nazca
in Peru mit Daten des Satelliten Ikonos und dem System Geomatica 9"

Diplomarbeit: Claudia Stürzl

Gutachter: Prof. Dr. Bernd Teichert

2004

Im Rahmen des Forschungsprojektes "Nazca" der Hochschule für Technik und Wirtschaft in Dresden (HTW)und des Vereins "Dr. Maria Reiche – Linien und Figuren der Nazca-Kultur in Peru" e.V. wurden 8 IKONOS- Satellitenbildszenen erworben, welche die Pampa von Nazca abbilden. Aus ihnen sollte für verschiedene Einsatzmöglichkeiten, z.B. zu Präsentationszwecken, eine Satellitenbildkarte hergestellt werden, die auch eine Ergänzung des in mehreren Diplomarbeiten entstandenen NazcaGis darstellen sollte. Zur Bewältigung dieser Aufgabe stellte die Firma CGI Systems GmbH, in Seeshaupt/Bayern eine zeitlich begrenzte Studentenlizenz des Programms Geomatica 9 zur Verfügung. Dieses Programm der kanadischen Firma PCI Geomatics bietet eine Komplettlösung für die Orthorektifizierung, Mosaikierung und Layoutgestaltung der Satellitendaten.

Ziel:

Diese Diplomarbeit befasste sich hauptsächlich mit dem Problem der Mosaikierung der 8 Satellitenbildszenen. Dafür wurden folgende Arbeitsschritte durchgeführt:

• Sichtung und Bewertung des Datenmaterials - der 8 Satellitenbildszenen, der ASCII-Datei für das digitale Höhenmodell und der Autocad-Datei aus dem NazcaGIS.

• Beschreibung der Software Geomatica 9, mit der die Bilddaten bearbeitet, zu einem Mosaik zusammengesetzt und schließlich als Karte ausgegeben werden

• Generierung eines digitalen Höhenmodells

• Sammeln der Passpunkte und Verknüpfungspunkte zur Orthobildherstellung

• Orthobildgenerierung

• Fehlerbetrachtung der Restklaffen

• Darstellung verschiedener Möglichkeiten des "Mosaikierens" mit der Software Geomatica 9 und die Bewertung der Ergebnisse

• Beschreibung und Anwendung von Bildverbesserungsmethoden

• Herstellung eines Kartenlayouts und einer Plotdatei

Die Qualität der Satellitenbilddaten war gut. Bildfehler waren nur sehr wenige zu finden, Zeilenausfälle kamen gar nicht vor. Lediglich die überbelichteten Stellen, vor allem am Bildrand links, bereiteten Probleme beim Einstellen des Kontrasts und der Helligkeit.

Es gilt allgemein,dass die Kombination von panchromatischen und multispektralen IKONOS-Daten die hohe Auflösung von 1 m mit guter Interpretierbarkeit durch die Farbgebung vereint. Für die Herstellung von Satellitenkarten bedeutet dies, dass große Maßstäbe möglich sind (bis 1:5000) und zusätzlich durch die Farbe ein ansprechendes Kartenbild entsteht.

Im Gegensatz hierzu waren die Daten, die zur Entzerrung und Orthobildgenerierung der Satellitenbilder vorhanden waren, stark verbesserungswürdig. Die Passpunktsuche gestaltete sich sehr schwierig. Wirklich gute Passpunkte konnten mit diesen Daten nicht gefunden werden. In manchen Bildabschnitten konnten überhaupt keine Punkte identifiziert werden, so dass die Regel, die Passpunkte gleichmäßig über das ganze Bild zu verteilen, nicht eingehalten werden konnte.

Das Ergebnis waren sehr hohe Residuen von bis zu 20 m und somit ein RMS-Wert von knapp 9 m. Diese Fehlerwerte machten es notwendig, die Orthobilder vor dem Mosaikieren nochmals geometrisch anzupassen, um den Versatz zu korrigieren.

Generell liegt das Genauigkeitspotenzial der IKONOS-Daten sehr viel höher, nämlich bei 1 bis 2 m. Dafür braucht man allerdings sehr gute Passpunkte und ein engmaschiges DGM mit einer Höhengenauigkeit von 0,5 m. Die Lagegenauigkeit der Passpunkte sollte ebenfalls nicht unter 0,5 m liegen. Dieses Genauigkeitsniveau kann mit GPS-Messungen erreicht werden. Solche Messungen wurden im Sommer 2004 von der HTW Dresden durchgeführt und werden momentan ausgewertet.

Ein Bildmosaik lässt sich mit dem Modul OrthoEngine des Programms Geomatica 9 sehr zuverlässig herstellen. Je nach vorliegender Datenqualität kann das Mosaik auf verschiedene Weise erstellt werden. Das automatische Mosaikieren erfordert dabei den geringsten Arbeitsaufwand, bringt aber nur mit viel Erfahrung und guten Ausgangsdaten auch gute Ergebnisse. Bei einer großen Anzahl von Bildern ist dies die erheblich weniger aufwändige und daher unbedingt empfehlenswerte Methode.

Da jedoch in dieser Diplomarbeit die Bilder aus oben genannten Gründen (v.a. hohe RMS-Werte) geometrisch nicht so gut zusammenpassten, wurden sie mit Hilfe des Moduls GCPWorks zuerst angepasst und danach mosaikiert. Das Ergebnis ist ein homogen wirkendes Mosaik, in dem keine Nahtstellen sichtbar sind.

Das Kartenlayout wurde im Modul Focus der Software Geomatica 9 erstellt (diese Software bietet alle hierfür notwendigen Tools). Mit Linien und Signaturen wurde allerdings sparsam umgegangen, um den Bildeindruck der Karte nicht zu zerstören. Als Lageübersicht dienten drei Karten aus dem Produkt "Encarta Weltatlas" von Microsoft.

Um das Erscheinungsbild zu verbessern, wurden verschiedene Bildverbesserungsmethoden angewandt. Das Mosaik konnte mit einem Medianfilter geglättet werden, ohne dabei die Konturen zu verlieren. Durch eine "adaptive" Histogrammspreizung entstand ein natürlicher Bildeindruck. Resampled wurde es mit der bikubischen Interpolation, um die beste Bildqualität zu erreichen. Außerdem wurden die LUTs so verändert, dass die vorherrschenden Farbtöne wärmer und realistischer wurden.

Die Wahl des Kartenmaßstabs war eine Entscheidung zwischen der Abbildung des erstellten Mosaiks und der Nutzung des größtmöglichen Kartenmaßstabs. Die Entscheidung fiel zugunsten der Abbildung des Mosaiks, da dies eine Fortsetzung der bis dahin erbrachten Arbeit bedeutete; um nur einen Ausschnitt als Karte auszugeben, wäre keine Mosaikierung nötig gewesen. Mit der Karte des ganzen Mosaiks soll jedoch auch ein Stück Dokumentation der Arbeit geleistet werden. [Zum Vergrößern der Karte bitte auf das Bild (900 KB) klicken]

Arbeitsmittel:

• Geomatica 9

• NazcaGis

Dresden, Dezember 2004