Flugzeuggestützte Laseraltimetrie und Interferometric SAR GIS-Seminar 2000 / 2001 Referent: Olaf Bromorzki

Zwei moderne Meßprinzipien zur 3D-Erfassung der Erdoberfläche schaffen neue Anwendungsgebiete und lassen die Photogrammetrie „im Dunkeln“ stehen !? Laserscanning flugzeuggestützte Laserimpulsmessung ALTM, ALSS SAR (Synthetic Aperture Radar) Flugzeug- und satellitengestützte Messung mit Mikrowellen (STAR-1, STAR-3i, AeS-1; JERS, ERS-1, ERS-2, Radarsat) 2 Meßprinzipien, die einige Vorteile gegenüber der Photogrammetrie haben, aber dennoch ohne sie nicht auskommen. Zeitersparnis, weniger Logistik, wenige trerrestrische Messungen Kostengünstiger Unabhängig von der Jahreszeit, Tageszeit, Wetter (SAR) Weniger genauigkeitsbeeinflussende Faktoren SIND ABER NICHT VIEL GENAUER; WENN ÜBERHAUPT Laserscanning: Entwicklung Anfang der 80er Erste praktische Einsätze Mitte der 80er SAR: Erster SAR-Satellit: Landsat 1978 Gehen wir einen Schritt zurück und überlegen, was benötigen wir für 3D-Koordinaten???

Anforderungen an 3D-Koordinaten LVA: DGM 5 Max. 10m-Raster, Höhengenauigkeit: ± 0,5m Flächendeckend Strukturdaten (Gerippelinien, Geländekanten) Telekommunikation, Planungsbüros Gebäudestrukturen Umweltverbände Biomassen, Vegetationsvolumen Trend: Keine reinen Höhenmodelle, sondern aktuelle verknüpfte Modelle aus Koordinaten + Topographie + Information Topographie: Gebäude, Vegetation, Verkehrswege, Gerippelinien ...

Laserscanning und SAR-Messung Aktive Messverfahren Direkte Koordinatenbestimmung aus Richtungs- und Steckenmessung Bestimmung der Flugzeugkoordinaten D-GPS, INS (Inertiales Navigationssystem) Lagegenauigkeit: ± 0,1m bei v = 70 - 120m/s Satellit: ± 0,5m Intensitätsmessung der Echos Reflexionsgrad bestimmt Beschaffenheit der Geländeoberfläche Alle Messungen sind zeitsynchronisiert Photogrammetrie passives Verfahren Indirekte Messung bei der durch stereoskopische Betrachtung oder digitale Bildkorrelation Geländehöhen bestimmt werden Echtzeitauswertung möglich

Richtungsmessung INS: Richtung der Laserimpulse: Kreiselmeßsystem (s = ± 0,02mrad) Messung der Drehbewegung um Raumachsen Auf Messplattform befestigt Richtung der Laserimpulse: Hin- und herschwingender Ablenkspiegel Optisches System mit Glasfaserkabel Rotierendes Polygonprisma Palmer-Scan (in Verwendung mit Phasenmessung) Richtung der Radarimpulse: Aussendung der Radarsignale zu einer Seite Registrierung an der Empfängerantenne

Distanzmessung Scanner: SAR: Impulslaufzeitmessung First pulse / last pulse-Messung Phasenmessung SAR: Multifrequenzen-Messung (l = 3 ... 67 cm) Laufzeitmessung SAR: Auflösung in Entfernungsrichtung ist abhängig von Frequenz, Bandbreite, Impulslänge und Reflektionsstärke Auflösung in Flugrichtung bestimmt die synthetische Apertur, durch die geradlinige Bewegung wird eine lange Antenne aus vielen Positionen entlang des Weges simuliert.

Gegenüberstellung Technischer Daten Herstellerangaben Topscan ALTM 1020 TopoSys Flughöhe 330 - 1000 m < 1000m Scanprinzip "Schwingender Spiegel" Glasfaseroptik Scanfrequenz 1 - 35 Hz 630 Hz Scanwinkel +/- 0 – 20° +/- 7° Steifenbreite 0 – 730 m 230 m EDM Impulslaufzeit Messrate 65 – 5000 Hz 83000 Hz Messgenauigkeit < 0,1 m < 0,2 m Laser 800 mW

Interferometrisches SAR Vermessung der gleichen Szene von fast gleichen Beobachtungspunkten B(Satellit) = wenige 100m B(Flugzeug) = wenige Meter Phasendifferenzmessung der interferierenden Wellen Stereoskopische Auswertung Multi-pass interferometry (ERS1/2) Single-pass interferometry (SRTM, Flugzeugmessung) Genaue Bahndatenkenntnis erforderlich Beim InSAR werden Interferogramme zweier Phasenmessungen der gleichen Geländeszene, aber von geringfügig unterschiedlichen Beobachtungspositionen durchgeführt. Unterschiedliche Punkte auf der Erdoberfläche führen zu unterschiedlichen Weglängendifferenzen, die über Phasendifferenzmessung bestimmt werden. Abstand der Beobachtungspositionen: Satelliten: wenige 100m, Flugzeug: wenige Meter. Rückstreuverhalten der Bodenelemente muss bei erster und zweiter Messung gleich sein. Multi-Path-Messungen: Zwei Sender und zwei Empfänger an fast gleichen Beobachtungsstandpunkten. Beispiel: ERS-1-Mission: Satellit benötigte 35 Tage bis zur Wiederholung der Subsatellitenbahn, Tandemmission ERS-1/2: ca. 24 Std. Single-Path-Messungen: Ein Sender und zwei Empfänger: SRTM und flugzeuggestützte Systeme, immer gleiche Rückstreueigenschaften, somit bessere räumliche Auflösung. Zur Absoluthöhenbestimmung werden Radarwinkelreflektoren aufgestellt, deren Reflexionen eindeutig identifizierbar sind, ebenso können Küstenlinien verwendet werden. Differentielles InSAR: Subtraktion zweier InSAR-Modelle. Ermittlung von vertikalen Deformationen zwischen zwei Messepochen mit cm-Genauigkeit vom Satelliten aus. Deformationen größer als die halbe Wellenlänge sind nicht mehr erfassbar. Seismische Deformationsmessungen nur in ariden Gebieten möglich, da z.B. in Mitteleuropa schwankende Bodenfeuchte Deformationen verursacht. Genaue Bahndaten des Satelliten im dm-Bereich sind erforderlich Differentielles InSAR Deformationserfassung zwischen zwei Messepochen durch Differenzbildung der Interferenzbilder (< 1cm)

SAR, Scanner, Photogrammetrie Erfahrungswerte Satelitten SAR Airborne SAR Laser-Scanner Photogram-metrie Streifenbreite max. 100 km max. 14 km max. 700 m 4 km² Flughöhe 785km (ERS) Max. 6800m Max. 1000m 4000 m Pixelgröße / Gitterweite 20m x 5m 1m² - 9m² 0,4 - 25m² 0,3 x 0,3 m² Auflösungs-vermögen abh. v. Frequ. u. Bandbreite Abh.v.opt.Syst. Höhen-genauigkeit 5m – 15m 0,5m 0,3m 3D-Genauigkeit 1m Deformations-erfassung < 0,01m Keine Refraktion Je größer die Bandbreite, desto besser die Auflösung

Scanner und SAR-Anwendungen Erstellung von topographischen und thematischen Karten bis zum Maßstab 1:2000, DGM Stadt- u. Verkehrsplanung, Erzeugung von 3D-Stadtmodellen Funknetzplanung, Stadtklimamodelle, Lärmschutzmodelle Überwachung von Hochspannungfreileitungen Massenberechnungen von Deponien und Halden Messung von Vegetationsvolumen, Biomassen Flugsicherung Katastrophenschutz, Humanitäre Zwecke Umweltschutz, Renaturierung, Rekultivierung Echtzeitmonitoring von Gewässeroberflächen (Pegelstände, Fließgeschwindigkeit), nur SAR Hochgenaue Deformationsmessung, nur d-InSAR Für Karten im Maßstab 1:1000 und größer ist die Kartierungenauigkeit kleiner als die Meßgenaugkeit Massenberechungen von Halden werden sonst mit kinematischem GPS durchgeführt Humanitäre Zwecke Planung von Hilfslieferungen, Prüfung der Befahrbarkeit von Straßen Deformationsmessungen Tektonische Deformationsmessungen durch InSAR sind nur in ariden Gebieten sinnvoll, da z.B. in Mitteleuropa wechselnde Bodenfeuchte Deformationen hervorrufen

Laserscanner und SAR-Projekt Auftraggeber: Landesvermessungsämter Telekommunikation Stadtplanungsämter Energieversorgungsunternehmen Land- und Forstwirtschaft . . . Projektplanung: GPS-Bodenstationen Kontrollflächen Befliegungsplan (Karten und Orthophotos) Punktdichte (Scanwinkel, -frequenz, Fluggeschwindigkeit, Streifenüberlappung) Kostenerrechnung GPS Bodenstationen Mind. 2 Referenzstationen im Befliegungsgebiet schreiben die LVA vor, max. Abstand des Flugzeug zum Referenzpunkt: 50km Kontrollflächen Mittels kinematischen GPS eingemessen (Sportplätze, Breite Straßen mit wenig Neigung) Dienen zur Kontolle und gegebenenfalls zur Kalibrieung der Meßergebnisse LVA Niedersachsen kalibriert nicht, wenn STABW >0,35m, dann Wiederholung des Fluges Werden zu Beginn und zum Ende überflogen um zeitabhängigen systematischen Fehler des INS zu ermitteln Befliegungsplan Flugsimulation Streifenbreite und Überlappungsgebiet Je nach Auftrag und Genauigkeitsanforderungen wird mehrmals oder aus unterschiedlichen Richtungen übeflogen, vermeidet Abschattungen Kosten: LVA Niedersachsen spart 2/3 der Kosten gegenüber der Photogrammetrie

Laserscanner und SAR-Projekt Befliegung: zu jeder Jahreszeit, zu jeder Tageszeit, über den Wolken, nur SAR Besonders empfohlen für bewaldete Gebiete, in denen terrestrische Messungen nicht oder nur schwer durchführbar sind Gleichzeitige Aufnahme von Boden- und Vegetationspunkten Scanner: First- / Lastpulse-Messung SAR: Multifrequenzen Intensitätsmessung Bildflugplanungsprogramm und Autopilot Videounterstützung oder RGB-Zeilensensor Tages- und jahreszeitunabhägig Aktive Systeme benötigen kein Sonnenlicht Photogrammetrie ist ein passives System Keine Chance bei Jungwaldschonungen (Nadelwald) Intensitätsmessung: Unterscheidung der Bodenbedeckung Vereinfacht Farbgebung und Kartenherstellung Autopilot sichert präzise Flugmanöver Scannermessungen mit Propellerflugzeugen SAR mit Learjets möglich Bildflugplanungsprogramm startet und stoppt Messungen zur Vermeidungen

Laserscanner und SAR-Projekt Auswertung Überprüfung auf Vollständigkeit aller Messdaten GPS-Auswertung Systemkalibrierung Berechnung der Koordinaten aller Laserpunkte Automatisierte Selektion und Klassifizierung der Laserpunkte (Bodenpunkt oder Vegetationspunkt) Auswertung der Radarechos (auch in Echtzeit mögl.) => 20.000 km²/Woche GPS-Auswertung: Datumstransformation Systemkalibrierung: Kontrollflächen, Überlappungsbereiche, Zeitsynchronisierung der Daten Klassifizierung der Punkte Mittels mathematischer Algorithmen Auswertung der Radarechos in Echtzeit ermöglichen Überfliegungen von 20.000km²/Woche

Laserscanner und SAR-Projekt Graphisch Interaktive Überarbeitung Korrektur fehlerhafter Klassifizierungen am PC Generierung von Bruchkanten und Gerippelinien bei der Scannerauswertung noch nicht automatisiert möglich; mit Hilfe von digitalen Karten und Luftbildern Bruchkantendetektion bei SAR-Messungen automatisiert Bruchkantendetektion ähnlich der Photogrammetrie

Christo ??? Rastergraphische Perspektivansicht des Kölner Doms

Bonn

Flughafen Lissabon Höhenabhängige Färbung

Aufmessung der Vegetationsoberfläche First-Pulse oder X-Band-SAR Aufmessung der Geländeoberfläche Last-Pulse oder L-Band-SAR

X-SAR l = 3,1cm Aufl.: 1,5m L-SAR l = 23cm Aufl.: 1,5m P-SAR l = 67 cm Aufl.: 8m

Jeder Tag, an dem Du nicht lächelst, ist ein verlorener Tag. C. Chaplin

Farbgebung kann abhängig von der Reflexionsintensität sein, keine Angabe Beleuchtung (Schatten) des Modells ist nachträglich bearbeitet Mannheim back

Differentielles Interferogramm back

Fiberglasoptik Scanlinien liegen bei 400 km/h 18cm parallel zueinander versetzt. Parallele Scanlinien orthogonal zur Flugrichtung aufgrund hoher Scanfrequenz (630Hz) back

Palmerscanner back

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First pulse Last pulse Vegetationsvolumen Baumhöhenbestimmung zur Flugsicherung Last pulse back

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Berechnung differentieller SAR-Interferogramme zur Ermittlung von Bodenbewegungen back