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Hochauflösende Satellitendaten in Kartographie und Geo-Informationssystemen


Weil der Wert des Bodens steigt, wächst auch die Nachfrage nach Informationen über ihn. Die regelmäßige Datenerhebung aus dem Weltraum für zivile Zwecke begann vor 22 Jahren: Amerikanische Farmer forderten frühzeitige Erkenntnisse über die Landwirtschaft der damaligen Sowjetunion, um ihre Exportchancen besser einzuschätzen.

Seitdem wurden Qualität und Quantität von Weltraumbildern mehr und mehr verbessert, und heute erbringen sie jährlich rund 150 Millionen Mark Umsatz; mit ihrer Weiterverarbeitung verdienen überwiegend mittelständische Unternehmen weltweit nochmals etwa 750 Millionen Mark pro Jahr. Etwa 80 Prozent des Bedarfs decken seit 1984 die amerikanische Satellitenserie Landsat mit dem Sensor Thematic Mapper und seit 1987 die französische Serie SPOT.


Geo-Informationssysteme

Diese Entwicklung geht einher mit einer Veränderung in der Vermessung, Kartierung und Katastierung des Bodens. Die Papierkarte weicht digitalen Geodatenwerken; weil man sie interaktiv am Computerbildschirm manipulieren kann, lassen sich Informationen schneller darstellen und besser verknüpfen.

Erhalten hat sich aber ein Prinzip, das der in Leipzig, Tübingen und Heidelberg lehrende Geograph Alfred Hettner (1859 bis 1941) entwickelt hatte: die Schichtung verschiedener Arten kartographischer Information. Nur wird sie statt auf transparenten Folien mittlerweile elektronisch in Geo-Informationssystemen (GIS) vollzogen. Von der CAD-Technologie – dem Computer Aided Design von Konstruktionszeichnungen – der siebziger Jahre beeinflußt, können diese Systeme nicht nur Karten aus Vektordaten (aus Punkten und aus Linien bestehenden geometrischen Elementen) aufbauen, zu deren Darstellung lediglich Koordinaten und geometrische Formeln benötigt werden, sondern mittlerweile auch große, flächendeckende Rasterdatensätze verarbeiten (also Matrizen von Daten, wobei jeder Bildpunkt als Zahlenwert vorhanden ist und nicht mehr berechnet werden muß); ferner lassen sich auch Analysen zwischen den verschiedenen Informationslagen durchführen (Bild 1).

Indem man beispielsweise Meßbefunde über eine Ortsangabe verknüpft, kommt man von rein statistischen Angaben zu qualifizierteren Bewertungen und kann somit oft Ursache-Wirkung-Mechanismen erkennen; daraus ergeben sich wiederum Ansätze für steuernde Eingriffe. Eine rein statistische Aussage ist etwa "X Prozent der Waldes sind in Schadensklasse vier einzuordnen", aufschlußreicher dagegen "Waldschäden der Klasse vier herrschen dort vor, wo Bodenbeschaffenheit, Exposition, Höhe und Hangneigung die und die Werte annehmen".

Die Anwendungen von GIS sind vielfältig: Mit ihnen kontrolliert man Netzpläne von Ver- und Entsorgungssystemen, modelliert Maßnahmen der Regionalplanung und beschleunigt Umweltverträglichkeitsprüfungen; sie dienen der Optimierung extensiver Landwirtschaft sowie der Navigation im Straßen-, Übersee- und Luftverkehr. Infolgedessen expandiert der Markt, der nach übereinstimmenden Schätzungen derzeit ein Volumen von etwa 7,5 Milliarden Mark pro Jahr hat, bei Wachstumsraten um 20 Prozent auch zur Zeit der jüngsten weltweiten Rezession. Die einschlägigen Unternehmen und öffentlichen Dienstleistungseinrichtungen haben darum nun verschiedene Verbände gegründet, so den Deutschen Dachverband für Geo- Information (DDGI) und die European Umbrella Organization for Geo Infor-mation (EUROGI).

Satellitendaten kommen den Computer-Kartensystemen entgegen, weil sie schon in digitaler Form vorliegen. Normalerweise gewinnt man die Daten für ein GIS nämlich aus topographischen Basiskartenwerken der Landesvermessungsämter und darauf aufsetzenden Zusatzdaten für die jeweiligen Anwendungsbereiche. Dabei müssen meist Papiervorlagen mit Scannern digitalisiert und durch Feldmessungen ergänzt werden. Während der erste Weg keine aktuellen Informationen liefert, ist der zweite ausgesprochen personalintensiv. Die Kostenrelation Hardware:Software:Daten wird dementsprechend oft mit 1:10:100 angegeben.

Soweit es sich um Geometriedaten handelt (ein GIS speichert auch Sachinformationen zu den einzelnen Objekten), bietet es sich an, Luft- und Satellitenbilder auszuwerten. Einer Umfrage der NASA unter Nutzern von Geodaten zufolge haben Satellitendaten aber erst rund die Hälfte des Marktumfangs von Luftbildern erreicht, deren Gebrauch sich mit 75 Prozent auf die Bereiche Landwirtschaft, Verkehr und Entwicklung konzentriert. Ein wesentlicher Vorteil dieser Bildquellen ist, daß sich ihre photogrammetrische Auswertung zumindest theoretisch vollständig automatisieren läßt; dies ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung.


Die Kartographie in der Bundesrepublik

Vermessung, Kartierung und Katastierung werden in Deutschland bereits seit vor-napoleonischer Zeit besonders akribisch gehandhabt. Die Bundesrepublik ist denn auch eines der führenden Exportländer für entsprechende Techniken bis hin zu kompletten Systemen für die Luftbildaufnahme.

Diese Spitzenstellung war in Gefahr, als sich die Bundesländer nicht auf gemeinsame Standards für die landesweite und internationale Austauschbarkeit von digitalen Datensätzen einigen konnten. Erst 1987 kam die gemeinsame Norm ATKIS (Amtliches Topographisch-Kartographisches Informations-System) zustande. Dieses Kartenwerk mit – im Endausbau – 185 in einem Katalog des sogenannten digitalen Landschaftsmodells definierten Objektarten soll beispielsweise für Nordrhein-Westfalen in einer ersten Ausbaustufe (mit 70 Objektarten) 1995 flächendeckend fertiggestellt sein (Bild 2). Die Erstdatenerfassung stützt sich dabei auf die Deutsche Grundkarte 1:5000 und eine auf Luftbildern des Maßstabs 1:12500 beruhende Version davon. Das Werk soll zunächst im Fünfjahresturnus, später aber laufend aktualisiert werden; dafür sucht man effizientere und kostengünstigere Alternativen.

Der Detailreichtum sowie die Maßstäbe des ATKIS (1:25000 bei den Vermessungsämtern der einzelnen Bundesländer, 1:200000 beim bundeseigenen Institut für Angewandte Geodäsie) bewirkten, daß dieser Standard weltweit beachtet wird, zumal selbst in den Vereinigten Staaten, vor allem aber in Entwicklungsländern topographische Kartographie weit schlechterer Auflösung der Normalfall ist (Bild 3). Hochauflösende Flächendaten von Satelliten bieten Abhilfe, um Kartenwerke entwickelter Länder in hoher Qualität fortzuführen oder um infrastrukturell unterentwickelte Gebiete überhaupt erstmals zu erfassen.


Erdbeobachtung aus dem Weltraum

Satellitendaten haben gegenüber Luftbildern, die von Flugzeugen aus aufgenommen werden, zahlreiche Vorteile:

- Sie sind periodisch und dabei zu gleichen Beleuchtungsbedingungen verfügbar, was beispielsweise die Untersuchung von Zeitreihen oder saisonaler Phänomene begünstigt;

- die Information liegt in digitaler, geometrisch leicht korrigierbarer und bearbeitbarer Rasterform vor, meist auch in mehr Spektralbereichen als bei Filmen, wie sie heute für Luftaufnahmen verwendet werden;

- der Bildausschnitt ist größer und damit der Aufwand für die geometrische und radiometrische Anpassung benachbarter Szenen wesentlich geringer (erstere gewährleistet, daß gleiche Koordinaten in verschiedenen Bildern auch in denselben Bildpunkten abgebildet werden, letztere korrigiert unterschiedliche Helligkeiten, die sich bei Aufnahmen des gleichen Gebiets zu verschiedenen Zeitpunkten einstellen können);

- Satellitenbilder sind im Preis pro Quadratkilometer fünf- bis zehnfach günstiger;

- die Datenbasis ist zudem weltweit einheitlich.

Hingegen sind Luftaufnahmen noch bei Anwendungen überlegen, die Auflösungen im Meterbereich (das entspricht Kartenmaßstäben 1:25000 und darüber) sowie Informationen über das Gelände durch Stereoüberdeckung der Bilder verlangen. Dies kann sich jedoch bald ändern. Im Zuge der Konversion militärischer Technik in zivile Anwendungen werden seit 1992 schwarz-weiße Filmaufnahmen von russischen Militärsatelliten mit zwei Metern Auflösung angeboten. Weil solche Bilder aber nicht als Datensatz zu einer Bodenstation gesendet, sondern als Film jeweils abgeworfen werden, ist eine kontinuierliche Versorgung oder gar eine Lieferung auf Bestellung nicht möglich.

Anders verhält es sich in den USA. Deren Militärsatelliten arbeiten seit jeher nach dem Scanning-Prinzip, tasten also mit Sensoren den Erdboden zeilenweise ab. Die US-Regierung gab im März 1994 Daten mit Auflösungen im Meterbereich für den zivilen Gebrauch frei. Vermutlich erreicht die Auflösung amerikanischer Militärsatelliten sogar den theoretischen Grenzbereich weltraumgestützter Fernerkundung von wenigen Dutzend Zentimetern. Der Aufwand ist allerdings extrem hoch, weil man atmosphärische Einflüsse aufwendig aus den Daten herausrechnen, ein Gebiet wiederholt überfliegen und die Aufnahmen integrieren sowie von niedrigen Bahnen aus beobachten muß, auf denen die Restatmosphäre die Satelliten so stark abbremst, daß sie nur kurze Zeit im Einsatz bleiben. Amerikanische Firmen bereiten nun neue Missionen mit der freigegebenen Konversionstechnik für die Jahre 1996 und 1997 vor. Ähnliche Versuche sind aus Südafrika und Israel bekannt.


Die digitale Kamera MOMS

Im deutschen Weltraumprogramm gibt es eine Sensorentwicklung, die in verbleibende Lücken des internationalen Datenangebots vorstoßen könnte: der Modulare Optoelektronische Multispektrale Stereoabtaster (MOMS). Gebaut im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur (DARA) von der Deutschen Aerospace für Flughöhen um 300 bis 400 Kilometer, ist dieses System für Weltraumplattformen und Raumfähren geeignet. Damit sollen sowohl Stereo- als auch multispektrale Aufnahmen mit hoher Auflösung möglich sein.

Nachdem im Space Shuttle 1983 zunächst eine photographische Reihenmeßkamera aus deutscher Produktion zum ersten Mal im zivilen Bereich 20 Meter Auflösung erreichte, folgte 1984 eine erste Version des digitalen MOMS mit der gleichen Auflösung, aber in zwei Spektralkanälen. Das war auch der erste Scanner, der nach dem anschaulich benannten Kehrbesenprinzip (im Englischen pushbroom) arbeitete, also die Vorwärtsbewegung des Satelliten für die Aufzeichnung nutzte.

Eine weiterentwickelte zweite Version erreichte 1993 beim ersten Einsatz 4,50 Meter Bodenauflösung (Bild 5) in panchromatischem (alle Farben aufnehmendem) Betrieb und 13,50 Meter in vier Spektralkanälen (blau, grün, rot und nah-infrarot), die mit durchschnittlich 40 Nanometer Bandbreite zudem eine relativ hohe Farbauflösung haben, was der Vegetationserkundung entgegenkommt.

Ein Problem ist die begrenzte Datenübertragungsrate, so daß bei höherer Auflösung der beobachtbare Streifen Boden schmaler sein muß. Die zu erwartenden amerikanischen Systeme nehmen zwar vermutlich noch feiner auf, erfassen aber wohl nur wie Luftbilder zehn Kilometer Streifenbreite. Bei heute erreichbaren Datenströmen um 100 Megabit pro Sekunde bietet MOMS im hochauflösenden Kanal 40 Kilometer, in den übrigen Kanälen 80 Kilometer Streifenbreite; damit sind länderweite Abdeckungen in noch vernünftigen Zeiträumen zu erzielen. Auf den gewählten, nicht-polaren Bahnen liegt die Wiederholrate sogar im Bereich weniger Tage.

Mit seinen rund fünf Metern Auflösung erfüllt dieser Sensor gerade noch die Forderung des ATKIS, daß für die digitale Kartierung im wichtigen Maßstab 1:25000 linienhafte Objekte von nicht mehr als drei Meter Breite erkannt werden müssen: Weil Scanner die verfügbare Information in den Bildpunkten integrieren, bilden sich auch dominierende Strukturen von geringeren Abmessungen noch ab, pausen sich sozusagen durch (Bild 6).

Das Gerät ist modular aufgebaut (Bild 4): Die Farbkanäle verteilen sich auf zwei Objektive von je 24 Zentimeter Brennweite, die senkrecht nach unten schauen. Ebenfalls zum Fußpunkt des Satelliten ist das Zentralobjektiv des höchstauflösenden panchromatischen Kanals mit 66 Zentimeter Brennweite gerichtet. Ergänzend kommen zwei seitlich um je 21,4 Grad geneigte Objektive von wiederum 24 Zentimeter Brennweite hinzu, die dasselbe Gebiet nochmals in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung panchromatisch abtasten.

Die dritte Dimension eines Objekts wird berechnet, indem man vergleicht, wie es unter den drei Blickwinkeln aussieht. Ein in Flugrichtung ansteigender Hang bildet sich beispielsweise im Zentralobjektiv kürzer ab als in dem nach vorne blickenden, aber noch kürzer im Aufnahmefeld des nach hinten gerichteten. Bringt man diese drei Bilder zur Deckung, können Höhe und Neigung der Bergflanke errechnet werden.

So wird Bildelement für Bildelement aus der Geometrie der drei Aufnahmen ein Höhenprofil, das digitale Geländemodell, ermittelt (Bild 7). Dieses in Deutschland entwickelte Verfahren hat gegenüber der einfachen Stereo-Aufnahme mit zwei Objektiven den großen Vorteil, daß durch die zusätzliche Information des dritten Unsicherheiten nachträglich auszugleichen sind (denn mathematisch gesehen gibt es für die Bildverarbeitung hier mehr lösbare Gleichungen als Variablen).

Mit dieser Ausstattung ist MOMS gegenwärtig das einzige Weltraumsystem, aus dem ohne zusätzliche Bodendaten digitale Orthophotos – das heißt völlig entzerrte (von Einflüssen sowohl der Zentralperspektive als auch des Geländereliefs korrigierte) Abbildungen der Landschaft – hergestellt werden können, die heute zunehmend die Grundlage der Kartographie bilden. Dieser Prozeß wird derzeit vollständig automatisiert und soll pro Bild nur wenige Minuten Rechenzeit auf einer marktgängigen Workstation erfordern, wohingegen es einige Arbeitsstunden beim analogen Orthophoto sind.

Bei der erfolgreichen Erprobung während der deutschen Spacelab-Mission D2 im April und Mai 1993 hat das System in 1000 Szenen rund sieben Millionen Quadratkilometer Erdoberfläche aufgezeichnet (die Bilder 5, 6 und 7 entstammen dem von der DARA auf CD-ROM herausgegebenen Datenkatalog; an ihnen wirkten das GeoForschungszentrum in Potsdam, das DLR-Forschungszentrum in Oberpfaffenhofen und das Institut für Photogrammetrie der Universität Stuttgart mit). Nun bereitet die DARA in Kooperation mit ihrer russischen Partneragentur einen eineinhalbjährigen Flug auf der Plattform Priroda (russisch für Natur) vor. Für die Zeit danach hat die Industrie Interesse bekundet, MOMS-Missionen auch in kommerzieller Regie weiterzuführen.


Nutzungsprojekte der exakten Kartographie

Auf einen Aufruf der DARA zur Priroda-Mission im Frühjahr 1994 gingen mehr als 50 Vorschläge für Pilotprojekte ein, an denen sich Anwender in Firmen und Ämtern weitgehend mit eigenen Mitteln beteiligen wollen. So werden das nordrhein-westfälische Landesvermessungsamt sowie die Länder Baden-Württemberg und Niedersachsen den Einsatz im Rahmen der weiteren Arbeit am ATKIS testen.

Mit MOMS-Daten sollen automatisierte und teilautomatisierte Methoden zur Fortführung des digitalen Landschaftsmodells im Maßstab 1:25000 entwickelt und auf ihren praktischen Einsatz untersucht werden. Von diesen Daten abgeleitete Orthophotos überlagert man dabei den Vektordaten des bislang gespeicherten Modells, um zeitliche Veränderungen zu erkennen, zu lokalisieren und zu deuten. Aus panchromatischen Bildern sollen dazu linienhafte Objekte herausgefiltert werden, die sich mit den vorliegenden Vektordaten vergleichen lassen, während die Spektralkanal-Aufnahmen zur Interpretation flächenhafter Objekte beitragen.

Um beispielsweise Straßenzüge zu identifizieren, deren Achsen im Landschaftsmodell durch Vektorelemente beschrieben sind, projiziert man zunächst ein solches Element in das Orthophoto. Um die Straßenkanten automatisch zu verfolgen, sucht der Algorithmus unter Vorgabe eines Schwellenwertes in der Umgebung nach Kanten gleicher Richtung. Aus diesen sowie den Anfangs- und Endpunkten der Vektorelemente werden sodann Rechtecke gebildet, die erste Merkmale von Straßenzügen aufweisen. Falls keine zu Vektorelementen passenden Kanten gefunden werden (bei Unterführungen oder Straßen im Tunnel sind diese Elemente im Orthophoto zum Beispiel nicht sichtbar), lassen sich auch topologische Informationen hinzuziehen.

Anschließend führt der Algorithmus die Vektorelemente zu Objektteilen und diese zu Objekten entsprechend dem ATKIS-Datenmodell zusammen. Auch dabei prüft man die Plausibilität, denn an den Nahtstellen zwischen Objektteilen können sich erneut Hinweise auf Widersprüche oder Irrtümer ergeben.

Abschließend wird noch das gesamte Straßennetz einer Plausibilitätsprüfung unterzogen. Das Endergebnis zeigt auf, inwieweit Orthophoto und Landschaftsmodell übereinstimmen. Zuerst wird somit die alte Datenbasis bestätigt; Veränderungen analysiert man im zweiten Schritt. Das Verfahren soll auch auf andere Objektarten und für Orthophotos aus Luftbildern angewendet werden.


Testgebiet Niederrhein

Um das Verfahren zu verifizieren, eignet sich der niederrheinische Zipfel der Bundesrepublik, denn er enthält ganz unterschiedliche Regionen: ländliches Gebiet mit kleinen Gemeinden im Bereich Kerken, Kempen als mittelgroße Stadt, mittlere Großstädte wie Moers und Krefeld mit vorwiegend Wohn- und Verwaltungscharakter und die Großstadt Duisburg. Die ATKIS-Daten für den östlichen Bereich wurden von 1988 an erfaßt, die des westlichen Bereichs sind neueren Datums. So kann man nach der Kampagne auch darauf schließen, in welchen zeitlichen Abständen in welchem Gebietstyp mit wesentlichen Veränderungen zu rechnen und deshalb eine Fortführung von Karten vorzunehmen ist. Ebenfalls für den westlichen Teil ist das digitale Geländemodell im Maßstab 1:5000 bereits fertiggestellt, so daß sich erkennen läßt, welche Daten hier zur Aufdeckung von Veränderungen erforderlich sind.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1995, Seite 93
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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