Optimierung und Auswirkungen von ikonischen Bildfusionsverfahren zur Verbesserung von fernerkundlichen Auswerteverfahren

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Titel: Optimierung und Auswirkungen von ikonischen Bildfusionsverfahren zur Verbesserung von fernerkundlichen Auswerteverfahren
Autor(en): Klonus, Sascha
Erstgutachter: Prof. Dr..Manfred Ehlers
Zweitgutachter: Prof. Dr. Jochen Schiewe
Zusammenfassung: Die Verfügbarkeit von Fernerkundungsdaten ist in den letzten Jahren stark gestiegen. Spätestens seit der Entwicklung von Google Earth wächst auch das Interesse der Allgemeinheit an Fernerkundungsdaten. Aktuell ist eine Vielzahl von Satelliten- und flugzeuggestützten Fernerkundungssystemen operationell verfügbar. Neue Techniken in der Fernerkundung erbringen immer höhere räumliche und zeitliche Auflösungen. Daten, die von den verschiedenen Sensoren aufgenommen werden, unterscheiden sich daher in spektraler, räumlicher sowie temporaler Auflösung. Eines haben die meisten dieser Sensoren aber gemeinsam, nämlich, dass die höchste räumliche Auflösung nur im panchromatischen Modus erzeugt werden kann. Das Verhältnis zwischen der hoch aufgelösten panchromatischen und der niedrig auflösenden multispektralen Aufnahme eines Sensors liegt dabei zwischen 1:2 (SPOT 4) und 1:8 (DMC - Beijing-1). Diese werden in der Regel auf Bilddaten angewandt, die vom gleichen Sensor zur gleichen Zeit aufgenommen wurden (unisensorale, unitemporale Fusion). Einige Sensoren erzeugen allerdings nur panchromatische Bilder, andere, wie das neue deutsche System RapidEye, nur multispektrale Daten. Zur Erzeugung von hoch bzw. höchst aufgelösten multispektralen Bildern müssen hier sensorübergreifend Bilddaten fusioniert werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommen wurden (multisensorale, multitemporale Fusion). Benutzt man Daten von unterschiedlichen Sensoren, so kann das Verhältnis zwischen der hoch aufgelösten panchromatischen und der niedrig auflösenden multispektralen Aufnahme sogar 1:30 (Ikonos-Panchromatisch : Landsat-Multispektral) oder höher betragen. Neben dem Verhältnis der panchromatischen Komponente zu der multispektralen Komponente ist die Veränderung der spektralen Werte bei der Fusion aber noch entscheidender. Die Mehrzahl der entwickelten Fusionsverfahren weist dabei Farbveränderungen auf. Zudem beeinflussen diese Farbveränderungen auch anschließende Analysen. Das allgemeine Ziel der Daten- bzw. auch der Bildfusion ist: verschiedene Daten zusammenzuführen und mehr Informationen aus diesen Daten zu erhalten als aus jedem der einzelnen Sensoren allein (1+1=3). Die Fragestellung, die auch dieser Arbeit zugrunde liegt, lautet: Kann man mehr Informationen aus den fusionierten Datensätzen extrahieren als aus den einzelnen Datensätzen allein? Und wenn ja, wie viel mehr Informationen können extrahiert werden? Das erste Ziel dieser Arbeit ist ein Verfahren zu finden, welches die zu untersuchenden Merkmale so verbessert, dass der Informationsgehalt maximiert wird und damit höher ist als in den einzelnen originalen Datensätzen. In Bezug auf die Fusion von hochaufgelösten panchromatischen mit niedriger aufgelösten multispektralen Daten bedeutet dies, dass die fusionierten Daten die gleich hohe Auflösung der panchromatischen Daten besitzen, ohne dass Farbveränderungen auftreten. Diese fusionierten Daten sollten sich nicht von einem Bild unterscheiden, das mit einem multispektralen Sensor in der räumlichen Auflösung der panchromatischen Eingangsdaten aufgenommen wurde. Um dieses Ziel zu erreichen, wurde die Fusion auf der Pixelebene ausgewählt, da diese für die Fernerkundung von höchster Relevanz ist, weil die ikonischen Bildfusionsverfahren am weitesten entwickelt sind und die Eingangsdaten am wenigsten vor der Anwendung der Fusionsmethode verändert werden. Da es eine große Anzahl an Verfahren im Bereich der Bildfusion gibt, wurde zunächst auf Basis einer Literaturrecherche eine Auswahl von Verfahren getroffen. Zur Beurteilung dieser Verfahren ist es notwendig, quantitativ-statistische Verfahren auszuwählen, da eine rein visuelle Auswertung, zu subjektiv ist. Um das zweite Ziel dieser Arbeit zu erreichen wurde eine Literaturrecherche durchgeführt. Die ausgewählten Evaluierungsverfahren sollten soweit wie möglich automatisch ablaufen und nur wenig manuellen Input benötigen. Das sichert eine erhöhte Objektivität. Das Endergebnis sollte ein Wert für jeden Kanal oder das Bild sein, so dass eindeutige Rückschlüsse auf die Qualität des Bildes möglich sind. Bei der Auswahl dieser Verfahren ist darauf zu achten, dass sowohl Evaluierungsverfahren ausgewählt werden, welche die spektrale Veränderung messen, aber auch solche, welche die räumliche Verbesserung messen. Die Evaluierungsverfahren wurden für 7 Kategorien ausgewählt. Für die Kategorie 1 wird der ERGAS eingesetzt. In der zweiten Kategorie sollen die Bilddifferenzen berechnet werden. Da die einfache Differenz zweier Bilder große Datenmengen produziert und nicht ein einzelner Wert verfügbar ist, wird die Grauwertabweichung pro Pixel als Kriterium ausgewählt. Mit der dritten Kategorie sollen Ähnlichkeiten im Bildaufbau gemessen werden. Dazu eignet sich am besten der Korrelationskoeffizient. In der vierten Kategorie werden die Ähnlichkeiten der räumlichen Details gemessen. Da es hier wieder um Ähnlichkeiten geht, bietet es sich erneut an, den Korrelationskoeffizienten auch hier einzusetzen. Diesmal allerdings die Korrelation nach Hochpassfilterung zwischen den panchromatischen Eingangsdaten und den fusionierten Bildern. Kategorie 5 betrifft die Qualität der lokalen räumlichen Verbesserungen. Dazu wird die Kantendetektion mit dem Canny Kantenoperator für diese Arbeit ausgewählt. Bei der sechsten Kategorie geht es um die Messung von Unstimmigkeiten in den Spektren. Der SAM wurde daher ausgewählt. Die siebte Kategorie beschreibt die globalen Unterschiede in den Bildern. Dazu wird der SSIM verwendet. Nachdem die Evaluierungsverfahren in den sieben Kategorien ausgewählt wurden, zeigte die Anwendung dieser Evaluierungsmethoden, dass die Ehlers Fusion das beste Fusionsverfahren ist. Die uantitativstatistischen Untersuchungen präsentierten die besten Ergebnisse für die Ehlers Fusion. Die Werte zur spektralen Untersuchung unterschieden sich nur im geringem Maße von den orginalen Werten. Aus diesem Grund wurde die Ehlers Fusion für weitere Untersuchungen in dieser Arbeit ausgewählt und optimiert. Um den Mehrwert von fusionierten Daten zu ermitteln, wurde die Interpretation der fusionierten Fernerkundungsdaten durchgeführt. Bei der unisensoralen Bildfusion hat sich gezeigt, dass die Mehrzahl der Verfahren eine Verbesserung bei der Interpretation der Daten erreicht. Objekte können genauer erkannt werden und auch die Farben bleiben erhalten. Bei den multitemporalen Datensätzen und insbesondere bei der Fusion von Radardaten erreicht dieses Ziel nur ein einziges Verfahren: die Ehlers Fusion. Die Interpretation der Daten wird auch bei den multitemporalen Daten erleichtert. Es werden nicht nur die Kanten von Objekten geschärft, wie beim Brovey Verfahren, sondern auch die spektralen Werte bleiben erhalten. Die Werterhaltung ist besonders wichtig, da durch Veränderung der Farbwerte die genaue Feldfrucht nicht mehr bestimmt werden kann und eine Interpretation dadurch erschwert bzw. unmöglich wird. Bei der CAPI (Computer Assisted Photo Interpretation) konnten durch die Ehlers Fusion vor allem zwei Faktoren der Interpretation deutlich verbessert werden: Zum einen gab es eine schärfere Abgrenzung der Flächengrenzen von unterschiedlich genutzten landwirtschaftlichen Flächen im Vergleich mit den originalen spektralen Daten und zum anderen können Pflanzen, z.B. Weinberge, die nur einen Teil des Bodens bedecken, besser erkannt werden. Bei der unitemporalen Klassifikation stellte sich heraus, dass die fusionierten Daten eine höhere Genauigkeit haben, wenn für die Klassifikation nur die multispektralen Daten verwendet werden. Werden zusätzlich noch die panchromatischen Daten als weiterer Kanal für die Klassifikation herangezogen, so ist die Genauigkeit gleich. Bei der multitemporalen Klassifikation zeigte sich dagegen, dass fusionierte Daten genauer klassifiziert werden können als die Daten mit einem zusätzlichen panchromatischen Kanal. Da bei der Klassifikation mit einem panchromatischen Kanal, der Aufnahmetermin nicht mit den multispektralen Daten übereinstimmt. Bei der Klassifikation mit fusionierten Radardaten zeigte sich, dass die fusionierten Daten eine detailliertere und damit verbesserte Klassifikation erzeugen. Fusionierte Daten können also dabei helfen, mehr Informationen aus den Eingangsdaten zu extrahieren als aus jeden der einzelnen Datensätze. Diese Arbeit hat gezeigt, dass die Genauigkeiten der Klassifikation sich erhöhen kann, wenn die Daten vorher fusioniert werden. Auch die Interpretation kann deutlich dadurch erleichtert werden, dass nicht der panchromatische Kanal und die multispektralen Kanäle getrennt voneinander betrachtet werden müssen. Man kann sich auf ein fusioniertes Bild konzentrieren und seine Interpretation durchführen.
URL: https://repositorium.ub.uni-osnabrueck.de/handle/urn:nbn:de:gbv:700-2012021010035
Schlagworte: Fernerkundung; Digitale Bildverarbeitung; Bildfusion
Erscheinungsdatum: 10-Feb-2012
Enthalten in den Sammlungen:FB06 - E-Dissertationen

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