Auswertung von Orthofotos

Automatische Auswertung von Orthofotos zur Bestimmung des Befestigungsgrades von Einzugsgebieten

Rolf Fankhauser

Hintergrund

Für viele Fragestellungen in der Siedlungshydrologie (GEP-Bearbeitung, Niederschlag-Abfluss-Modellierung etc.) werden mehr oder weniger detaillierte Informationen über die Oberflächenbedeckung (z.B. Anteil an Strassen, Dächern und Grünflächen oder nur die gesamte befestigte Fläche) des Untersuchungsgebietes benötigt. Diese Daten werden bis jetzt von Hand aus Plänen, Luftbildern und vor Ort aufgenommen. Diese manuelle Aufnahme beansprucht insbesondere für grössere Einzugsgebiete mit hohem Befestigungsgrad sehr viel Zeit und ist dementsprechend kostspielig.

Die Abteilung Ingenieurwissenschaften der EAWAG hat deshalb neue Methoden zur Erfassung der Oberflächenbedeckung untersucht und entwickelt, insbesondere die automatische Auswertung von Satelliten- und Luftbilder. Dabei hat die automatische Auswertung von Farbluftbildern gute Resultate im Vergleich zur manuellen Digitalisierung gezeigt.

Zielsetzung

Das Ziel des Projektes ist es, eine möglichst automatisierte Auswertung von Farb- und Infrarot-Luftbildern zur Bestimmung der befestigten Fläche im Siedlungsgebiet zu entwickeln und diese in Zusammenarbeit mit einem Ingenieurbüro in der Praxis zu testen.

Methode

Die im folgenden vorgestellte, automatische Erfassung der Oberflächenarten aus Farbluftbildern erlaubt nur die Unterscheidung zwischen undurchlässigen (oder befestigten) und durchlässigen Flächen.

Multispektrale Klassifizierung

Als Grundlage wird ein digitales Farbluftbild oder Orthophoto (entzerrtes Farbluftbild mit den geometrischen Eigenschaften einer Karte) verwendet. Dieses besteht aus einzelnen quadratischen Bildpunkten (Pixel) einer bestimmten Auflösung (0.2-1.5 m). Das digitale Bild entsteht durch Scannen eines analogen Luftbildes (23x23 cm), das mit einer Kamera in einem bestimmten Massstab aufgenommen wurde. Scannerauflösung und Massstab bestimmen die Auflösung des digitalen Bildes. Jedes Pixel beinhaltet eine Farbinformation in Form von drei Zahlen, die den jeweiligen Helligkeitswert in den drei Grundfarben rot, grün und blau (R, G, B) angeben. Bei Satelliten- oder Infrarotbildern sind zusätzlich Helligkeitswerte von anderen Spektralbereichen (sog. Kanäle) der elektromagnetischen Strahlung vorhanden (nahes und fernes Infrarot, Wärmestrahlung).

Mit einer multispektralen Klassifizierung wird nun versucht, jedes Pixel aufgrund seiner Farb- bzw. Spektralinformation einer bestimmten Oberflächenart (Klasse) zuzuordnen. Anhand von Gebieten (sog. Trainingsgebieten) mit bekannter Oberflächenart, die von Hand ausgewählt werden, wird für jede Oberflächenart eine Helligkeitsverteilung in jeder Grundfarbe bestimmt. Aufgrund dieser Helligkeitsverteilungen wird mittels der Methode der maximalen Mutmasslichkeit (Maximum Likelihood) jeder Bildpunkt des Luftbildes einer Oberflächenklasse zugeordnet. Anschliessend werden die detaillierten Oberflächenklassen in die beiden Klassen «durchlässig» und «undurchlässig» zusammengefasst. Abb.1 und 2 zeigen das ursprüngliche Luftbild und das Klassifikationsergebnis.

Abb.1: Ursprüngliches Farbluftbild
Abb.2: Auswertung  grün: durchlässig, rot: undurchlässig, schwarz: Schatten)

Resultate

Die Methode wurde an verschiedenen Einzugsgebieten getestet. Der Vergleich mit der Handdigitalisierung der befestigten Flächen zeigt Abweichungen kleiner als 10%.

Zusammenarbeit mit folgenden Partnern
André Rotzetter + Partner AG, Zug
Swissphoto Vermessung AG, Watt