Änderungsdetektion in urbanen Gebieten durch objektbasierte Analyse und schritthaltenden Vergleich von Multi-Aspekt ALS-Daten: Diss., TU München: Reihe C, Nr. 690

Abstract

Eine Automatisierung der Änderungsdetektion in urbanen Gebieten kann durch die zeitversetzte Erfassung und den Vergleich von Fernerkundungsdaten erfolgen. Dabei werden besondere Anforderungen an die eingesetzte Sensorik und die Methodik zur Datenauswertung gestellt, wenn ein sofortiges Vorliegen der Ergebnisse notwendig ist. Solche Randbedingungen bestehen z.B. bei der Unterstützung von Hubschrauberpiloten im Rahmen von Überwachungsaufgaben oder Rettungseinsätzen. In der vorliegenden Arbeit wird die Eignung des flugzeuggetragenen Laserscannings (engl. Airborne Laser Scanning, ALS) zur Lösung dieser Aufgaben untersucht. ALS bietet hierfür flexible Möglichkeiten der direkten 3D-Datenerfassung in niedrigen Flughöhen bei variablen Geschwindigkeiten. Eine Besonderheit des hier verfolgten Ansatzes ist die Betrachtung von Multi-Aspekt ALS-Daten, die sich durch die Verwendung eines in Schrägsicht vorausblickenden Laserscanners ergeben. Diese Sensorkonfiguration ist im Hinblick auf die oben genannten Anwendungen erforderlich und ermöglicht außerdem eine für ALS sonst untypische Erfassung von Fassadenflächen. Im ersten Teil dieser Arbeit wird eine Methodik vorgestellt, durch die sowohl eine Kalibrierung des Sensorsystems als auch eine Zusammenführung der Multi-Aspekt ALS-Daten eines urbanen Gebiets erzielt werden. Die dazu beschriebene Vorgehensweise ist insbesondere auch für die hier untersuchte Schrägsicht des Laserscanners geeignet. Im Zuge einer objektbasierten Analyse der einzelnen Punktwolken werden planare Flächenstücke mit Hilfe eines Segmentierungsverfahrens identifiziert, das ein Flächenwachstumsverfahren mit einem RANSAC-Schätzverfahren kombiniert. Anschließend werden homologe Flächenstücke anhand geometrischer Attribute ausfindig gemacht. Mit Hilfe einer neuartigen Methode können Planaritätsbedingungen für diese Zuordnungen in lineare Gleichungssysteme überführt werden, durch deren Lösung sich einerseits die Boresight-Kalibrierung des ALS-Systems und andererseits die Angleichung der ALS-Datensätze durchführen lässt. Der zweite Teil der Arbeit behandelt die während einer erneuten Befliegung stattfindende Änderungsdetektion, die auf den zuvor vereinheitlichten Referenzdaten aufbaut. Es wird eine neue Herangehensweise für den schritthaltenden Vergleich von ALS-Daten vorgestellt, bei der es sich um eine Erweiterung des Konzepts der Belegungsgitter handelt. Anstelle eines Vergleichs von Punktwolken werden dabei 3D-Raumbereiche entlang der Ausbreitungswege der Laserpulse bezüglich der Zustände leer, belegt und unbestimmt bewertet. Das dazu vorgeschlagene Vorgehen basiert auf der Wissensrepräsentation und Informationsfusion entsprechend der Dempster-Shafer Evidenztheorie, wobei Änderungen als Konflikte in der Raumbelegung erkennbar werden. Zusätzlich werden Objektmerkmale ausgewertet, um Änderungsereignisse verschiedenen Kategorien zuzuordnen. Im dritten Teil der Arbeit werden die durchgeführten Experimente zur Systemkalibrierung, Datenregistrierung und Änderungsdetektion vorgestellt und detailliert diskutiert. Die Kalibrierung des verwendeten ALS-Experimentalsystems konnte bei allen erfassten urbanen Gebieten zuverlässig vorgenommen werden. Das erarbeitete Verfahren zur schritthaltenden Änderungsdetektion wurde ebenfalls erfolgreich anhand realer Multi-Aspekt ALS-Daten validiert, wofür ein ausgewähltes urbanes Gebiet im Abstand eines Jahres jeweils entlang mehrerer Flugrichtungen erfasst wurde