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1 Georeferenzierung Proseminar Geoinformation WS 2002/03 Andreas Weinberger 13.01.2003.

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1 1 Georeferenzierung Proseminar Geoinformation WS 2002/03 Andreas Weinberger

2 2 Gliederung Problemstellung der Georeferenzierung Transformationen Georeferenzierung - Toolbar Vorgehen in ArcMap Aufgabe 1 Rektifikation, Resampling Aufgabe 2

3 3 Problemstellung Luftbild hat keinen Raumbezug, d.h. keine Weiterverarbeitung, z.B. Abgreifen von Koordinaten möglich. Luftbild eines Gebietes:Karte eines Gebietes:

4 4 Erklärung Georeferenzierung Georeferenzierung: Herstellen eines Bezuges von geometrischen Sachverhalten ohne Raumbezug, mit solchen, die in einem bekannten Referenzsystem vorliegen. Beispiel: Luftbild (ohne Raumbezug) Bezug zur amtl. Topographische Karte Georeferenzierung Über identische Punkte müssen die beiden Bilder zur Deckung gebracht werden TRANSFORMATION

5 5 Bezugherstellung Um einen Bezug herzustellen, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: Rasterdaten und raumbezogene Daten eines Gebietes müssen vorhanden sein Identische Punkte (Passpunkte) müssen erkennbar sein In ArcMap heißen diese Punkte links Passpunkte sind z.B.: - Straßenkreuzungen - Gebäudeecken - Vermessungspunkte

6 6 Transformation Unterschiedliche Skalierung ScherungRotationTranslation Affine Transformation reicht für die meisten Georeferenzierungen aus. ArcMap unterstützt: Affinität Ähnlichkeit Projektivität Affinität beinhaltet:

7 7 Transformationsparameter Affinität: x = Ax + By + C y = Dx + Ey + F x,y = berechnete Koordinaten des Pixels auf der Karte x = Spaltennummer eines Bildpixels y = Zeilennummer eines Bildpixels A = Dimension eines Pixels in Karteneinheiten in x-Richtung B,D = Rotation E = Dimension eines Pixels in Karteneinheiten in y-Richtung C,F = Translation, x und y Kartenkoordinaten der Pixelmitte der linken oberen Ecke In Matrizenschreibweise:

8 8 Auswahl der Passpunkte Punkte gleichmäßig über das Rasterbild verteilen Gefahr der Extrapolation Qualität der Transformation hängt u.a. ab von: Auflösung des Rasters Sorgfalt beim Anwählen der Passpunkte Genauigkeit des Referenzsystems Beschaffenheit des Geländes des Rasters Mehr Punkte als mindestens gefordert anwählen: große Fehler in den einzelnen links fallen dann nicht mehr so stark ins Gewicht wie bei geringerer Anzahl von links Optimal: Punkte in den Bildecken

9 9 Anzahl der Passpunkte In ArcMap wird eine Transformationsmatrix aufgestellt, die die Koordinaten konvertiert Kommando Rectify - Resample (wird später behandelt) Je nach der order der Transformation ist eine Mindestanzahl von links nötig. Diese lässt sich mit folgender Formel berechnen: ((t+1)(t+2))/2, t ist hierbei die order Für die möglichen Transformationen ergeben sich : 1st-order:mind. 3 Passpunkte (Affinität) 2nd-order:mind. 6 Passpunkte 3rd-order:mind. 10 Passpunkte

10 10 RMS (root mean square) Bei Transformationen treten Fehler auf, d.h. transformierte Punkte stimmen nicht zu 100% mit den Ausgangskoordinaten überein. e1 = Koo Soll - Koo Trans RMS=, n = Anzahl der links RMS-Fehler: Dieser gibt die mittlere Lagegenauigkeit der einzelnen links an Maß für die Genauigkeit Werden mehr als drei links verwendet gibt es Restfehler (residuals), weil Eindeutigkeit nicht mehr vorliegt.

11 11 Georeferencing-Toolbar Add Control Points View Link Table Auswahl des Rasters Werkzeug in ArcMap um das zu georeferenzierende Bild an das gewünschte Kartenformat anzupassen. View – Toolbars - Georeferencing oder Tools – Rechtsklick - Georeferencing Shift, Rotate

12 12 Funktionen der Werkzeugleiste Bestimmung der identischen Punkte Anzeige der identischen Punkte (RMS-Betrachtung, Auswahl der links kann verändert werden) Dreht und verschiebt das Raster (Ermöglicht leichteres Auffinden von Passpunkten)

13 13 Vorgehen in ArcMap Raster und raumbezogene Daten in einen Frame legen Erkenntnis: Straßennetz des Luftbildes passt nicht zu dem raumbezogenen Straßennetz des Shapefiles Ziel ist es das Raster zu georeferenzieren, die Straßennetze zur Deckung zu bringen

14 14 Suchen der Passpunkte Suchen der Passpunkte: Erleichterung durch Vergrößerung Link ist hier eine Kreuzung Erst Punkt auf Raster, dann Punkt auf Karte wählen, Verschiebevektor wird sichtbar. Ergebnis: Punkte sind jetzt übereinander (Translation des Rasters) Add Control Points:

15 15 Genauigkeitsbetrachtung View Link Table des georeferencing toolbars Fehler der einzelnen links Gesamte mittlere Lagegenauigkeit Je kleiner der RMS, desto besser die Transformation Schlechte Punkte können wieder gelöscht werden Nach Anwählen der Mindestanzahl +1, kann die Güte der Transformation betrachtet werden. Vorher ist der RMS-Fehler = 0. Faustregel:

16 16 Manuelle Eingabe von Koordinaten Erlaubt es die Auflösung des Bildes, können Koordinaten auch manuell eingegeben werden: 1.Möglichkeit:Link in Raster anwählen (hier Gebäudeecke), Rechtsklick, dann amtliche Koordinaten eingeben.

17 17 Manuelle Eingabe von Koordinaten 2.Möglichkeit: Passpunkt wie beschrieben bestimmen, View Link Table, XMap und YMap können durch Doppelklick angewählt und eingegeben werden.

18 18 Speichern der Transformation Ist man mit der Transformation zufrieden, kann sie gespeichert werden: 3. Transformation wird als txt-Datei gespeichert 1. View Link Table Datei sieht aus wie das obige Fenster, hat aber keine Linknummer 2. Save

19 19 Laden der Transformation Die eben gespeicherten Transformationspunkte können immer wieder benutzt werden, z.B, wenn man: unabsichtlich die Transformation löscht die beiden Layer später noch mal aufruft, zwischenzeitlich aber eine andere Georeferenzierung abspeichert Punkte hinzufügt, die das Ergebnis verschlechtern View Link Table - Load und die entsprechende.txt-Datei aussuchen Bild wird nun wieder angeglichen, nicht georeferenziert!

20 20 Aufgabe 1 Das Raster soll mit drei links transformiert, nicht georeferenziert werden! Speichert die Transformation ab! Kopiert Euch den Ordner V:\Georef\Aufgabe1 in Euer eigenes Verzeichnis! Öffnet dann in ArcMap das Raster photo und roads.shp! Das Raster zeigt ein Luftbild von Horse Cave, Kentucky, das Shapefile einen Teil des Straßennetzes des Ortes. Einfache Transformation und Speicherung

21 21 Werkzeugleiste 2 Update Georeferencing: Bild wird belassen, wie es ist – Georeferenzierung in separater Datei Rectify: Das Bild wird mit der Information entzerrt, interpoliert, und als neue Datei abgespeichert Transformation: Auswahl von 1st, 2nd oder 3rd-order Transformation Auto Adjust: Nach jedem Link wird das Bild angepasst ( zu empfehlen) Update Display: Wirkung wie Auto Adjust, falls dieser nicht aktiviert ist Delete Control Points: alle links werden gelöscht Reset Transformation: Transformation wird gelöscht, links bleiben aber erhalten

22 22 Was sind 1st, 2nd, 3rd-order? Entscheidend: - Anzahl der Passpunkte - Beschaffenheit des Geländes Bei 2nd-order oder höher, werden Geraden nicht mehr als Geraden abgebildet - nicht - geradentreue Transformationen 1st-order = affine Transformation Die order ist der Grad des Polynoms, d.h. der höchste Exponent 1st-order Transformation: linear 2nd-order Transformation: nichtlinear

23 23 Rektifikation - Rectify Wieder eine neue Auswahl: Was ist Resample Type ? Der Prozess, mit dem ein Bild aus Bildkoordinaten in Weltkoordinaten konvertiert, d.h. entzerrt und umgerechnet wird. Eine Speicherung ist möglich in den Formaten: TIFF ERDAS IMAGINE ESRI GRID

24 24 Resampling Vorgang, durch den bei geometrischer Transformation von Bildern aus einer vorliegenden Grauwertmatrix eine neue berechnet wird. Er ist mit einer Interpolation zwischen den vorliegenden Grauwerten des Eingabebildes verbunden. links Input-Raster Output-Raster Rectify Resampling Transformation Resampling weist den Pixeln des Output-Rasters die Pixelwerte des Input-Rasters zu.

25 25 Interpolation 1) Nearest Neighbor Assignment: (für diskrete Daten) Bezogen auf den Mittelpunkt der neuen Zelle wird der Wert der nächsten alten Zelle genommen, um den Wert der neuen Zelle zu bestimmen. 2) Bilinear Interpolation: (für kontinuierliche Daten) Hier wird der Wert des gewichteten Mittels der vier nächsten alten Zellen genommen, um den Wert der neuen Zelle zu bestimmen. 3) Cubic Convolution: (für kontinuierliche Daten) Wie bei 2), nur werden hier die nächsten 16 Zellen berücksichtigt. Beim Resampling unterscheidet man drei Verfahren:

26 26 Erzeugte Dateien Erzeugte Dateien nach dem Rectify-Befehl: 2..aux (auxiliary): enthält zusätzliche Informationen, die nicht im Raster selbst abgespeichert werden können, z.B. die Farbe, Projektion 3..rrd (reduced resolution dataset):,wenn vorher Pyramiden gebaut wurden. Pyramiden spielen eine große Bedeutung bei der Darstellung eines Rasters, wenn vergrößert, bzw. verkleinert wird (siehe Vortrag Raster) 1..tif: das georeferenzierte Raster wird hier als neues Raster abgespeichert 4..tfw-Datei: sogenannte World-Datei (nächste Folie)

27 27 Inhalt der.tfw-Datei (Namensgebungskonvention für Arbeitsbereiche 8.3) Der erste und dritte Buchstabe wird übernommen, anschließend mit einem w ergänzt. Im Falle von.tif wird daraus.tfw Die.tfw-Datei enthält die sechs bestimmten Transformationsparameter A-F, in der Reihenfolge A, D, B, E, C, F

28 28 Aufgabe 2 Georeferenzierung eines Rasters Das Raster ist mit 6 Passpunkten zu transformieren! Rektifiziert das Raster, und resampelt es mit der bilinearen Intepolation! Gebt dem neuen Raster einen Namen, und ladet es danach wieder in ArcMap! Vorher ist das alte Raster zu entfernen! Kopiert Euch den Ordner V:\Georef\Aufgabe2 in Euer eigenes Verzeichnis! Öffnet dann in ArcMap das Raster photocopy und roads.shp!


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