Genauigkeits- und Qualitätsmodelle für die Geo-Kodierung von Flugzeugscanneraufnahmen.

Digitale Aufnahmesysteme, welche die Erdoberfläche zeilenweise abtasten, werden Scanner genannt. Diese werden nicht nur in der Satellitenfernerkundung erfolgreich eingesetzt, sondern immer mehr auch in Anwendungen, wo Scanner von Flugzeugen getragen werden. Durch ein zum Teil sehr spezielles Systemdesign können Scanner die Anforderungen verschiedenster Anwendungen erfüllen; z.B. mit einem Rotationsscanner kann zusätzlich auch Thermalstrahlung registriert werden, und digitale Dreizeilenkameras sind wegen ihrer Fähigkeit, entlang ihrer Flugbahn Stereo-Bilder aufzunehmen, besonders interessant. Voraussetzung für die weitere Verwendung von Fernerkundungsdaten, zum Beispiel in einem Geo- Informationssystem, ist deren Geo-Kodierung, wodurch der Bezug zum Landeskoordinatensystem hergestellt wird. Für die Geo-Kodierung von Flugzeugscanneraufnahmen gibt es derzeit noch keine Genauigkeits- und Qualitätsmodelle (ähnlich der schon vorhandenen Modelle für photographische Luftbilder). Für Flug- und Projektplanung sind derartige Modelle jedoch wertvolle Hilfsmittel für Genauigkeitsüberlegungen und in der Folge für Zeit- und Kostenabschätzungen. Ziel dieses Projekts ist es nun, Genauigkeits- und Qualitätsmodelle für die Geo-Kodierung von Flugzeugscanneraufnahmen zu erstellen. Am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Wien wurde eine universell einsetzbare Methode entwickelt, welche sich zur Geo-Kodierung von Aufnahmen aller gängigen Scannertypen (Rotationsscanner oder digitale Zeilenkameras mit einer oder mehreren Detektorzeilen) eignet. Basierend auf einer Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate werden die Orientierungsparameter für jede einzelne Bildzeile bestimmt, wobei die Flugbahn durch Splinefunktionen modelliert wird. Neben Punkten können auch Geradenstücke und allgemeine linienhafte Elemente (beschrieben durch Polynome oder Splinefunktionen) als Paß- und Verknüpfungsinformation einbezogen werden. Weiters können auch direkte Beobachtungen der Flugbahnparameter durch Global Positioning System (GPS) oder Inertial Navigation System (INS) berücksichtigt werden. Diese entwickelte Methode eignet sich daher sehr gut für Genauigkeitssimulationen, aus denen Genauigkeits- und Qualitätsmodelle für die Geo- Kodierung von Flugzeugscanneraufnahmen abgeleitet werden sollen.

Im Rahmen dieses Forschungsprojektes wurden Genauigkeitsaspekte der Geo-Kodierung von multispektralen Flugzeugscanneraufnahmen untersucht. Multispektrale Flugzeugscanner sind Aufnahmesysteme, welche die Erdoberfläche von Flugzeugen aus zeilenweise abtasten (scannen). Solche Aufnahmesysteme gewinnen z.B. im Bereich des Umwelt-Monitorings immer mehr an Bedeutung. Vorraussetzung für die weitere Verwendung der multispektralen Scanneraufnahmen (z.B. in einem Geo-Informationssystem) ist deren Geo-Kodierung (Umbildung bzw. Resampling der Scanneraufnahmen in das Landeskoordinatensystem). Der Prozess der Geo-Kodierung von multispektralen Scanneraufnahmen kann in zwei Schritte unterteilt werden: a) Bestimmung der Orientierungsparameter (Position und Stellung des Aufnahmesystems im Raum) der Scanneraufnahmen entlang allen Flugbahnen im Rahmen einer Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate. In die Ausgleichung können als Beobachtungen Pass- und Verknüpfungsinformationen einfließen sowie direkte Beobachtungen der Orientierungsparameter, welche mittels eines integrierten GPS/INS-Systems (Global Positioning System bzw. Inertial Navigation System) während des Fluges aufgezeichnet werden. Als mathematisches Model für die Flugbewegung können zusammengesetzte kubische Polynome (kurz Splines) verwendet werden. b) In einem zweiten Schritt erfolgt die Umbildung der Scanneraufnahme in das Landeskoordinatensystem, wobei als Eingangsdaten die Orientierungsparameter entlang der Flugbahn, die Scanneraufnahme und ein digitales Geländemodell dienen. Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konnten zwei Datensätze von Flugzeugscanneraufnahmen von Wien aus dem Jahr 1997 und 2000 geo-kodiert und die Ergebnisse näher untersucht werden. Bei beiden Datensätzen kam der multispektrale Rotationsscanner DAEDALUS AADS 1268 (ATM) zum Einsatz; Dateneigentümer ist das Österreichische Bundesinstitut für Gesundheitswesen. Ein wesentlicher Unterschied der beiden Datensätze aus 1997 und 2000 ist, dass 1997 noch kein integriertes GPS/INS-System verfügbar war, während bei der Datenaufnahme im Jahr 2000 schon ein GPS/INS-System zum Einsatz kam. Als wesentliche Erkenntnisse der Geo-Kodierung dieser beiden Datensätze lässt sich kurz zusammenfassen: Die qualitativ hochwertige Geo-Kodierung von Flugzeugscannerdaten ohne GPS/INS-Unterstützung ist sehr aufwendig aber unter der Vorraussetzung machbar, dass flächendeckend Pass- und Verknüpfungsinformation bereitgestellt werden kann. Dieser Punkt ist vor allem in Zusammenhang mit älteren Scanneraufnahmen zu sehen, welche für Zeitreihen im Bereich des Umweltmonitorings sehr wertvoll sein können. Obwohl GPS/INS-Systeme inzwischen technologisch schon sehr ausgereift sind, wurden im Rahmen der Geo-Kodierung des Datensatzes aus dem Jahre 2000 Inhomogenitäten in den GPS/INS-Beobachtungen festgestellt. Durch Erweiterung des mathematischen Modells der Ausgleichung (Bestimmung von Driftpolynomen) war es möglich, die qualitätsmindernden Effekte der GPS/INS-Inhomogenitäten zu korrigieren bzw. zumindest zu dämpfen. Die Erkenntnisse der Projektbearbeitung wurden und werden bei verschiedenen internationalen Symposien präsentiert. Nähere Details können aus diesen Publikationen (http://www.ipf.tuwien.ac.at/) entnommen werden.