Perspektiv 8

Tidsskrift for Geografisk Information

August 2005

8

Perspektiv

Geoforum

Odense Syd 1954

Odense Syd 2004

Fjernanalyse og fotogrammetri

Geoforum Perspektiv ISSN 1601-8796

Redaktion: Henning Sten Hansen (ansvarshavende) Aalborg Universitet og Danmarks Miljøundersøgelser Frederiksbergvej 399 4000 Roskilde Tlf. 4630 1807 hsh@dmu.dk Hanne Brande-Lavridsen Aalborg Universitet Fibigerstræde 11 9220 Aalborg Øst Tlf. 9635 8355 hbl@land.auc.dk Jan Juul Jensen Informi GIS Jægersborg Allé 4 2920 Charlottenlund Tlf. 3996 5918 janj@informi.dk Hans Skov-Petersen Skov & Landskab, KVL Rolighedsvej 23 1958 Frederiksberg C Tlf. 3528 1816 hsp@kvl.dk

Leder Fjernanalyse og fotogrammetri Henning Sten Hansen

3

Basic Cover 1954 - en landsdækkende flyvefotografering anno 1954 Steen Davidsen

5

Fotogrammetrien efter den 20. ISPRS kongres Joachim Höhle

12

Ortofoto Søren Buch

20

Flyvevåbnets luftrekognoscering Per S. Nielsen

30

Højdemodeller og laserskanning Johnny Koust Rasmussen

34

Perspektiv for anvendelsen af jordobservation i den 3. verden Michael Schultz Rasmussen 39 Automatisk ændringudpegning Brian Pilemand Olsen, Thomas Knudsen og Kristian Keller

Redaktionsudvalg: Hans Ravnkjær Larsen Geomatic Anne Kjølhede Revald Kommunernes Landsforening Vagn W. Laursen Geoforum Danmark © Geoforum Danmark samt Forfatterne.

Ikke kommercielle udnyttelser er tilladt med tydelig kildeangivelse.

Pris, enkeltnummer: 100 kr.

Geoforum Perspektiv er tidsskrift for Geoforum Danmarks medlemmer Henvendelse om medlemskab mv. kan ske til: Geoforum Danmark Postboks 218, Lindevangs Allé 4, 2000 Frederiksberg Tlf. 3886 1075, Fax: 3886 0252, e-mail: geoforum@geoforum.dk, URL: www.geoforum.dk

46

Perspektiv nr. 8, 2005 Leder – Fjernanalyse og fotogrammetri Henning Sten Hansen, Aalborg Universitet og Danmarks Miljøundersøgelser.

Principperne i fjernanalyse eller telemåling daterer sig tilbage til Galileo, som i 1609 anvendte en kikkert til at se måner kredse omkring planeten Jupiter. Denne for datiden yderst kontroversielle opdagelse var det første eksempel på iagttagelse af fjerntliggende objekter ved hjælp af instrumenter.

Brugen af luftfoto daterer sig tilbage til midten af 1800-tallet, hvor franskmanden Nadar tog billeder af jordoverfladen fra en varmluftballon. Militæret fik hurtigt øjnene op for det potentiale, der lå i luftfoto, og under verdenskrigene spillede luftrekognosceringer en vigtig rolle.

Den første satellit blev opsendt i 1957 og i kølvandet herpå startede det såkaldte rumkapløb imellem Sovjetunionen og USA. Rumkapløbet kulminerede med landsætningen af mennsker på månen i 1969. Udover disse spektakulære begivenheder var anvendelsen af satellitter primært militær – og i mindre omfang i forbindelse med vejrobservationer. Landsat-programmet, der blev iværksat i 1972, indvarslede starten på den civile anvendelse af satellitbilleder.

Denne satellit har mere end nogen anden været kernen i den civile brug af satellitdata – ikke mindst til kortlægning af arealanvendelse og vegetation og data ydermere blevet gratis! Der opsendes løbende nye satellitter, som enten har bedre spatial opløsning – eller bedre spektral opløsning.

Luftfoto har været det dominerende grundlag for topografisk kortlægning igennem det seneste halve århundrede, og såvel Kort & Matrikelstyrelsens Kort10 som kommunernes tekniske kort bliver produceret på grundlag af luftfoto. Indenfor de seneste tiår har det været muligt at producere såkaldte ortofoto, som i princippet er en sammenhængende mosaik dannet af luftfotos, der er skannede, geometrisk oprettede ved brug af en digital terrænmodel og grafisk korrigerede. Dette produkt har kortets kvalitet af målfasthed og billedets fulde indhold, og med pixelstørrelser på 10 cm og 25 cm for henholdsvis DDO By og DDO Land betragtes det digitale ortofoto af mange som en (delvis) erstatning for et digitalt topografisk kort. Hvorvidt dette er rimeligt vil afhænge af den konkrete brug, men det er indiskutabelt, at digitale ortofoto har ændret vores syn på digitale grundkort. Brugen af digitale kameraer til produktion af luftfoto er det næste store spring, som indvarsler nye tider for fotogrammetrien.

Satellitbilleder har til gengæld kun haft en meget begrænset anvendelse i Danmark. Siden midten af 1980’erne har der været et meget aktivt miljø omkring fjernanalyse på Geografisk Institut, Københavns Universitet. Instituttet har en nedtagningsstation for data fra de amerikanske NOAA satellitter samt udviklet programmet Chips, som er et rela-

tivt omfattende program til behandling og analyse af satellitbilleder. Programmet er gratis, og har stor udbredelse i den 3. verden – især i Afrika.

Chips er vel det eneste eksempel på dansk udviklet (Geodata)-programmel, der har opnået anerkendelse uden for Danmarks grænser. Det er ganske enkelt imponerende – ikke mindst i betragtning af de ganske få personer, der har stået bag udviklingen.

Hvis vi ser bort fra Geografisk Instituts omfattende brug af satellitdata i den 3. verden, er vi – og har altid været – meget tilbageholdende med anvendelse af satellitdata i Danmark.

Vejrsatellitter spiller selvfølgelig en stor rolle for Meteorologisk Instituts daglige vejrudsigter, men herudover er der et stort uudnyttet potentiale.

Baggrunden herfor er muligvis, at vi alene fokuserer på satellitternes spatiale opløsning (pixelstørrelse) og sammenligner denne med luftfoto, og på dette felt er satellitbilleder (endnu) ikke konkurrencedygtige. Det er dog værd at bemærke, at pixelstørrelsen i satellitbilleder reduceres hurtigere end pixelstørrelsen i luftfoto, og den seneste version af QuickBird (2) har en pixelstørrelse på 60 cm (pan-sharpened), hvilket skal sammenholdes med DDO Land 2004, der har en pixelstørrelse på 25 cm, og den første version af DDO Land (1995), der havde en spatial opløsning på 80 cm! Det er imidlertid vigtigt at understre-

3

Perspektiv nr. 8, 2005

ge, at den spektrale opløsning er mindst lige så vigtig som den spatiale opløsning. Den amerikanske MODIS sensor har således ikke mindre end 36 spektralbånd, hvor den spatiale opløsning varierer imellem 250 m og 1 km. ESA har opsendt en tilsvarende hyperspektral satellit kaldet MERIS. Selvom satellitbilleder primært henvender sig til eksperter har Google netop lanceret en ny Internet tjeneste kaldet Google Earth, der gør det muligt at rejse i det virtuelle rum hvorhen på jorden man måtte ønske.

Det underliggende kortgrundlag er satellitbilleder af varierende opløsning. Den bedste kvalitet ses i USA og Europa, hvor det eksempelvis er muligt at zoome ind på København og se bygninger og endog biler! Programmet kan hentes på adressen http://earth.google.com/.

Nærværende nummer af Geoforum Perspektiv begynder med en artikel af Steen Davidsen, der har været en af drivkræfterne bag opgaven med at digitalisere en landsdækkende luftfotografering af hele Danmark – den såkaldte Basic Cover 1954. Luftfotograferingen viser landbrugslandet Danmark – inden de store parcelhusbyggerier i 1960’erne og 1970’erne og inden landet blev gennemskåret af et fintmasket vejnet.

Det kan således opfattes som et referencekort, der detaljeret beskriver situationen for 50 år siden. Umiddelbart bør et digitalt ortofoto anno 1954 være et vigtigt element i et geografisk informationssystem hos enhver offentlig myndighed.

4

Den næste artikel af Joachim Höhle beskriver de seneste landvindinger indenfor ikke mindst digital fotogrammetri, som det blev demonstreret på den 20. ISPRS kongres i Istanbul. Indførelsen af digital fotogrammetri vil kræve nye investeringer i instrumenter og uddannelse, men teknikken åbner også for nye spændende muligheder.

Som nævnt indledningsvis er digitale ortofoto blevet et vigtigt element i et moderne geografisk informationssystem.

På denne baggrund nedsatte Geoforum en arbejdsgruppe, der skulle fastsætte principper og specifikationer for digitale ortofoto. Arbejdsgruppens leder – Søren Buch – beskriver i den efterfølgende artikel resultatet af dette arbejde.

Rækken af artikler relateret til luftfoto afsluttes med en artikel af Per S. Nielsen fra Forsvaret. Han beskriver arbejdet med luftfotografering hos Flyvertaktisk Kommando. Tidligere var fotograferingen primært relateret til rene militære opgaver, men i dag er langt den overvejende del civil – primært for offentlige myndigheder.

Udover luftfotografering anvendes fly i dag til laserscanning af terrænoverfladen. Under flyvningen udsendes laserstråler, der reflekteres af det underliggende terræn, og ved at måle tidsforskellen fra udsendelse til modtagelse af signalet kan afstanden i princippet beregnes. Ved anvendelse af stor punkttæthed kan der således skabes en meget detaljeret kortlægning af terrænover-

fladen. Johnny Koust Rasmussen beskriver principperne i laserscanning samt metodens anvendelsesmuligheder.

Den næste artikel omhandler brugen af satellitbilleder.

Michael Schultz Rasmussen fra Geografisk Institut, Københavns Universitet beskriver de vigtigste satellitbårne sensorer samt deres karakteristika.

Derpå fortæller forfatteren om egne erfaringer med brug af satellitbilleder i den 3. verden.

Den sidste artikel omhandler brugen af forskellige former for fjernanalyse til automatisk udpegning af ændringer i forhold til et topografisk kort. Brian Pilemann Olsen, Thomas Knudsen, og Kristian Keller beskriver resultaterne af et projekt, der skulle identificere nye bygninger i forhold til et eksisterende TOP10DK ved hjælp af blandt andet digitale infrarøde luftfoto og en højdemodel. Selvom metoden ikke er uden problemer, er der næppe tvivl om, at en eller anden for i det mindste semi-automatisk udpegning vil være et krav i fremtiden, hvis der skal etableres en rimelig balance imellem kortets aktualitet og udgifterne til ajourføring.

Næste nummer af Geoforum Perspektiv vil fokusere på den temporale dimension, som ofte ”glemmes”, når vi diskuterer geografisk information. ”GIS i Tiden” er tema for årets Kortdage i Kolding og artiklerne i næste nummer af Perspektiv vil derfor være baseret på indlæg fra Kortdagene.

Perspektiv nr. 8, 2005 Basic Cover 1954 - en landsdækkende flyvefotografering anno 1954 Steen Davidsen, COWI A/S Basic Cover 1954 (BC54) er en (næsten) landsdækkende flyvefotografering i målforhold ca.

1:10.000. BC54 omfatter næsten 42.000 billeder i sort/hvid og rummer en unik og detaljeret dokumentation af det danske landskab anno 1954. Den danske version af BC54 foreligger som en filmkopi, som i dag opbevares i arkivet hos KMS. Indledning og baggrund BC54 er gennemført i militært regi af US Air Force, og artiklen indledes derfor med et kort rids af den historiske baggrund for etableringen (Den Kolde Krig). Herefter gennemgås en række af de tekniske forhold, som skal løses ved digitalisering og tilgængeliggørelse af BC54. En række af de potentielle anvendelsesmuligheder og produktvarianter beskrives, herunder muligheden for at etablere et landsdækkende digitalt ortofoto - DDO1954 - baseret på BC54. Artiklen afsluttes med en konklusion, hvor der slås til lyd for en samfinansiering imellem den private og offentlige sektor som en nødvendig forudsætning for

at etablere en landsdækkende digital udgave af BC54.

Anvendelsen af digitale flyfotos - især som ortofotos - har gennem de senere år vundet meget stor udbredelse i Danmark. Hurtigere og billigere computerkraft har sammen med bedre komprimeringssoftware til rasterdata og gode muligheder for i de gængse GIS-systemer at håndtere store rasterdatamængder, gødet grunden for den store udbredelse af digitale ortofotos blandt de danske arealforvaltere /1/. Siden 1995 er der produceret 4 landsdækkende ortofotos og et stort og ukendt antal lokale ortofotos over byområderne. Status er i dag, at Dan-

Figur 1: Basic Cover 1954 - del af Odense by.

mark er særdeles velforsynet med digitale ortofotos i mange kvaliteter og opløsninger som opdateres med korte intervaller.

Der opbygges nu tidsserier af landsdækkende ortofotos med 2 årige intervaller, som giver mulighed for løbende at monitorere den topografiske udvikling af landet. I takt med den større udbredelse i ”nutiden” har der vist sig en stigende interesse for at ”kigge længere tilbage i tiden” med digitale GIS-briller. Her kommer Basic Cover 1954 ind i billedet.

Hvad er Basic Cover 1954 (BC54)?

BC54 er betegnelsen for en landsdækkende flyvefotografering gennemført i maj måned 1954. Fotograferingen er gennemført i militært regi af US Air Force. Først mange år senere er flyvefotograferingen blevet deklassificeret og derved kommet til civilt kendskab og brug.

Originalfilmens placering er ukendt, men i mange år anvendte Flyvertaktisk Kommando (FTK) i Karup en analog filmkopi i den militære administration. Denne kopi blev efter endt brug hos FTK overdraget til Kort & Matrikelstyrelsen (KMS), hvor filmkopi-

5

Perspektiv nr. 8, 2005

en i dag findes i arkivet. Herudover findes der en mængde kontaktkopier af delområder hos en række organisationer og institutioner - bl.a. Nationalmuseet, Det Kgl. Bibliotek og Moesgård.

BC54 er således et af de tidligste eksempler på landsdækkende flyvefotograferinger i fredstid og giver et unikt øjebliksbillede af Danmarks topografi anno 1954.

nes maj måned 1983 hvor der kun var 118 soltimer /5/.

Basic Cover 1954 er altså fotograferet under gode - og heldige - vejrmæssige betingelser.

Det kræver mange flyvemæssige ressourcer at flyvefotografere hele landet. Til sammenligning kan nævnes, at der over en 10 ugers periode blev brugt 4 fotofly til at optage ca. 9.000 billeder til

10 facts om Basic Cover 1954 Fotoperiode Fotodækning Fotoantal Fotomålestok Fotoindeks Billedoverlap Navigation Billedkvalitet Kameratype Fotofly

Gennemført i perioden 6.- 29. maj 1954 Næsten hele landet (99,6 %), dog mangler Læsø, Anholt og Christiansø Ca. 42.700 billeder fordelt på ca. 273 flyruter. Kopi findes på ca. 300 filmruller hos KMS Ca. 1:10.000 fra flyvehøjde ca. 1.500 m (Bornholm dog i 1:30.000) Håndtegnet på oversigtskort 1:100.000, ca. hvert 5. billede er plottet Ca. 60% længde- og ca. 35% sideoverlap Længde- og sideoverlap er usikker, derfor sandsynligvis enkelte huller i dækning Varierende over landet - ingen samlet oversigt Vidvinkel, brændvidde ca.15 cm, kamerakalibreringsrapporter er ikke tilgængelige US Air Force. Sandsynligvis er anvendt ca. 10 fly af typen B17

Tabel 1: Kilder /2/ og /3/

Men hvorfor blev BC54 gennemført ? Og under hvilke omstændigheder ?

Et faktum er, at flyvefotograferingen har krævet både held og ganske mange ressourcer.

At gennemfotografere hele landet og optage ca. 43.000 billeder i 1:10.000 på en så kort periode som ca. 3 uger kræver godt fotovejr i stort set hele perioden: Maj måned 1954 var begunstiget med godt vejr - i alt var der 272 soltimer. Sat i relief kan næv-

6

den landsdækkende fotografering til DDOland2004. Billedantallet i BC54 er næsten 5 gange højere - så der må nødvendigvis have været brugt mange fly- og kameraressourcer for at få de mange flyfotos optaget - sandsynligvis ikke under 10 kraftige fly af typen B17/3/.

De ydre historiske forudsætninger for tilblivelsen af Basic Cover 1954 er kendt for alle.

Danmark var midt i den kolde krig. Der blev i 1953 skabt våbenstilstand i Koreakrigen

og iværksat langvarige fredsforhandlinger i Geneve.

Radioaktivitet fra brintbombe-forsøg i Stillehavet kunne spores mange steder på jordkloden. I USA blev senator McCarthy i 1953 formand for Senatets kontroludvalg, og der påbegyndes en udrensning af formodede kommunistisk påvirkede personer indenfor kulturlivet og den offentlige sektor. I foråret 1954 eskalerede den kolde krig igen, og i Fransk Indokina (Vietnam) led Frankrig netop i starten af maj 1954 sit største militære nederlag siden 2. verdenskrig i slaget ved Dien Bien Phu. Nederlaget markerede samtidig afslutningen på den franske kolonitid i Indokina.

De politiske og militære forudsætninger for beslutningen om at iværksætte BC54 savner endnu at blive dokumenteret med adgang til de relevante arkiver. En hypotese er, at man fra politisk og militær side - set i lyset af den dengang udbredte Dominoteori - har vurderet et militært angreb på Vesteuropa fra Warzawa-pagten som et højst sandsynligt scenarie krigsbegivenhederne i Korea og Fransk Indokina in mente. NATO har derfor overvejet at indsætte forstærkninger med landtropper til bl.a.

Danmark. En afgørende faktor for at føre landkrig er adgang til detaljerede informationer om områdets topografi - og her er luftfotografier over en potentiel slagmark af afgørende militær betyd-

Perspektiv nr. 8, 2005

ning. BC54 er da heller ikke et rent dansk projekt - samme øvelse er foregået i en række andre vesteuropæiske lande på samme tid.

Igen må det understreges, at der er tale om en hypotese, og ikke en fastslået kendsgerning. Det er dog hævet over enhver tvivl, at den kol-

de krig har været den direkte årsag til iværksættelsen af BC54.

Digitalisering og tilgængeliggørelse af BC54 En analog filmkopi af BC54 findes hos KMS og har i mange år været tilgængelig for offentligheden. Igennem årene er der fremstillet mange analoge kontaktkopier og forstørrelser fra BC54, bl.a. til en række amter og kommuner. I takt med udbredelsen af digitale ortofotos er der igen kommet fokus på at tilgængeliggøre BC54 på digital form, og til et møde i HISKIS-netværket /4/ havde COWI fremstillet en digital prototype over Oden-

se by og en del af Otterup Kommune efter at KMS velvilligt havde stillet de relevante BC54-film til rådighed /2/.

De efterfølgende billedeksempler stammer fra denne prototype.

Prototypen over Odense by blev fremstillet ved at hver enkelt af de ca. 60 billeder først blev scannet med en højpræcisionsscanner, som anvendes til normal fotogrammetrisk produktion. Herefter blev hvert enkelt billede georefereret ved en affin transformation over ca. 15-25 punkter jævnt fordelt over hele billedet. Punktkoordinater til

Figur 2: Fyns Tidende 9. maj 1954. /6/

Figur 4: Udsnit af billede nr. 135 i flyvelinie 167. Område omkring Odense Havn. Bemærk indeksoplysninger i billedkanten - samt uskarpheden i øverste venstre hjørne.

Figur 3: Fyns Tidende 12. maj 1954. /7/

Figur 5: Samme udsnit i prototypen, hvor området er mosaikkeret sammen af flere billeder. Bemærk at uskarphederne i kanten af billedet fjernes ved mosaikeringen.

7

Perspektiv nr. 8, 2005

transformationen blev fremskaffet ved digitalisering af de tilsvarende punkter i DDOby. Enkeltbillederne fremstår herefter som oprettede og georefererede billeder. Den plane nøjagtighed af disse oprettede billeder er ukendt, da der ikke er tale om en ortofotoopretning på baggrund af en kendt højdemodel.

Til slut er de enkeltoprettede billeder sat sammen til en sømløs, georefereret mosaik. Denne mosaik er herefter sammenholdt med et eksisterende vejtema og en samlet nøjagtighed vurderes på denne baggrund at være under 5 meter. Ikke nogen høj nøjagtighed men dog rigelig til at man til mange formål hurtigt kan stedfæste og sammenligne situationen med f.eks. nye ortofotos eller vektorkort.

Figur 6: BC54 samstillet med vejmidtetema (DAV- Dansk Adresse og Vejdatabase). Bemærk den store byudvikling i den sydøstlige del af Odense.

I det følgende er vist en række eksempler på samstilling af BC54 og nyere data.

Anvendelsesmuligheder og produktvarianter.

Præsentationen af prototypen fra 2003 har givet positive reaktioner fra en lang række potentielle brugere af den digitale udgave af BC54.

Der er ingen tvivl om, at et digitalt produkt indeholder et stort og til dels uopdaget potentiale for mange fagfolk.

Af potentielle anvendelsesmuligheder kan nævnes: • Miljø: Lokalisering af kilder til jord- og grundvandsforurening • Byplanlægning: Byudviklings- og renoveringsprojekter

8

Figur 7: BC54 over Dalene Skov i Otterup Kommune. Skoven indeholder mange højryggede agre, som er interessante og bevaringsværdige elementer ud fra kulturgeografiske og landskabsmæssige hensyn.

• Natur: Planlægning af naturgenopretningsindsats.

Fotos er fra før industrialiseringen og mekaniseringen af landbruget for alvor tog fat • Forskning: Kulturhistorie og -geografi, økologi m.m.

• Historisk interesserede: Museer, egns- og lokalhistorie • Jura: Retsgrundlag for afgørelse af tvister om skel m.m.

• Andre: Sandsynligvis mange andre endnu uopdagede Problemet med et produkt som BC54 er, at det er ”nice to have” - men ikke ”need to have”. Med andre ord er der ingen brugere, som står med et umiddelbart påtrængende behov. Som for mange andre produkter kan brugerne først forholde sig konkret til pro-

Perspektiv nr. 8, 2005

2. Georefererede produkter: a. Georefereret billede med koordinatsætning af billedmidte og hjørnekoordinater b. Oprettet billede: Billedet er tilnærmelsesvis målestokskorrigeret og orienteret i et koordinatsystem c. Geomosaik: Sammensætning af oprettede billeder over større område

Figur 8: BC54 for en del af Odense centrum. Med rødt er vist DAV-vejmidter anno 2004.

3. Ortofotoprodukt: Fuldt målestokskorrigeret produkt (vha. højdemodel) der direkte kan samstilles med DDO og andre kortprodukter i et GISsystem 4. Colour enhanced produkt: Specialeffects (”kunstigt farvet”). Dyrt !!!

Første step er umiddelbart at få scannet de analoge film.

Alene scanningen af de ca.

43.000 billeder vurderes at koste mellem 4-5 mandår (ca.

42.700 billeder á 10 minutter = ca. 7.100 timer) på en fotogrammetrisk scanner. Filmene skal behandles ekstra varsomt og kan ikke umiddelbar scannes med automatisk filmfremføring, da der ikke er rammemærker som i nye fotogrammetriske kameraer.

Figur 9: DDOby over samme område. Et gadegennembrud i starten af 1970’erne har fjernet meget af den ældre bebyggelse - og samtidig delt den gamle middelalderbykerne i to dele.

duktet, når det er fremstillet.

En pragmatisk tilgang til et landsdækkende projekt med digitalisering af BC54 er at opstille en produktportefølge

med stigende ambitions- og prisniveauer : 1. Basisprodukt: Simpel scannet billede (evt. kontrastreguleret)

Prototypen over Odense er en såkaldt geomosaik - altså en georefereret billedmosaik over et sammenhængende område. Spørgsmålet er om et sådant produkt er nok til at tilfredsstille de fleste brugeres behov eller om der bare er tale om mindste fællesnævner. For at

9

Perspektiv nr. 8, 2005

teste dette har COWI i starten af 2005 færdigproduceret et ortofoto - kaldet DDO1954 - dækkende ca. 20 kommuner i Københavns og Frederiksborg Amter.

Selv om der her har været anvendt den bedste kommercielle teknik må vi konstatere, at billedkvaliteten over Københavnsområdet ikke står mål med den oprindelige prototype over Odense. Dette skyldes ikke blot at der naturligt vil være kvalitetsforskelle mellem regioner i en så stor flyvefotografering - filmen har simpelthen været brugt mere intensivt i Københavnsområdet og øget brug øger også sliddet på analoge film.

tal form. Samarbejdsmodellen er ikke en eksklusiv-aftale mellem KMS og COWI, andre private producenter har med aftalen fået samme vilkår.

DDO1954 for Københavnsområdet. Brugererfaringerne vil indgå i beslutningsgrundlaget for øvrig DDO1954 produktion i resten af landet.

Resultatet af samarbejdsmodellen er, at der indtil nu er scannet ca. 3.000 billeder af BC54 - stort set hele Københavns og Frederiksborg Amter. Der er i skrivende stund produceret ortofoto dækkende 20 kommuner i de to amter.

7. Konklusion Digitalisering og georeferering er nøglen til at åbne for skatkisten af informationer i BC54. Digitaliseringen skaber nem tilgængelighed til data og georefereringen til et ortofotoprodukt åbner døren for multianvendelsen af BC54 hos mange fagfolk og brugere.

COWI afventer pt. brugererfaringer fra Københavns Kommune, som har investeret i

Netop multianvendelsen er nødvendig for at skabe det

Ud fra rene faglige og brugermæssige hensyn er der ingen tvivl om, at ortofotoproduktet - DDO1954 - vil være langt at foretrække. Det er i sagens natur også et dyrere produkt at fremstille.

Planer for en digital version hos COWI KMS og COWI blev i november 2004 enige om en samarbejdsmodel for lån af billeder til at producere digitale udgaver af BC54 - f.eks. DDO1954.

KMS´s betingelser for at udlåne BC54 til at producere DDO1954 har været, at filmene skulle scannes i deres helhed. Dette er fornuftigt ud fra hensynet til at minimere sliddet på filmen. Samtidig skal de scannede billeder stilles til rådighed for KMS - som herved får løst sin forpligtelse til at konvertere BC54 til digi-

10

Figur 10: DDO1954 - fase 1 i Storkøbenhavn - vist på BC54-fotoindekskort fra KMS.

Perspektiv nr. 8, 2005

finansielle grundlag for at iværksætte en digitalisering og georeferering. Et totalestimat for omkostninger til produktion, projektstyring og kvalitetsikring af et DDO1954projekt nærmer sig et tocifret millionbeløb baseret på erfaringerne fra prototypen over Odense og projektet i Københavnsområdet.

Hertil skal lægges omkostninger til datadistribution samt markedsføring og salg - og uanset om dette sker i offentlig eller privat regi - vil disse omkostninger være påvirket af det høje danske lønniveau.

Den ’rige onkel’ - f.eks. i form af en gavmild fondsbevilling lader vente på sig, og imens er den eneste mulige vej frem at dele digitaliseringen op i mindre brugerfinansierede delprojekter. Det har vist sig, at især projekter indenfor miljøog naturforvaltning kan have

glæde og gavn af at have nem adgang til BC54. Forhåbentlig kan disse mindre projekter gøde grunden for en landsdækkende, digital og georefereret udgave af BC54.

I samarbejde med KMS er der fundet en pragmatisk løsning på vilkårene for lån af filmkopien af BC54. Der er dog ingen tvivl om, at en samfinansiering imellem den private og offentlige sektor er nødvendig, og COWI håber at erfaringerne med BC54-projektet i Københavns-området kan bane vejen for en model for resten af landet - og gerne i form af et ortofoto som f.eks. DDO1954.

Referencer /1/: Danmarks Digitale Ortofoto - DDO. Steen Davidsen. Landinspektøren nr. 4-1997, p.408ff /2/: Ikke publicerede oplysninger fra KMS. Tak til seniorkonsu-

lent Lars Tyge Jørgensen og arkivar Peter Korsgård, som beredvilligt har stillet BC54 og en række oplysninger til rådighed. /3/: Oplyst af Chefsergent Per S. Nielsen, Flyvertaktisk Kommando, Karup på seminaret ”Luftfoto - historie, teknik og anvendelse” afholdt 13. maj 2004 på Odense Universitet. /4/: Tilgængeliggørelse af Basic Cover 1954. Foredrag af Steen Davidsen afholdt på HISKIS-netværksmøde på Odense Universitet 18/11-2003 /5/:Dansk vejr i 100 år. Stig Rosenørn og Karsten Lindhardt. Lademann. ISBN 87-15-10215-7 /6/:Fyns Tidende 9. maj 1954.

Microfiche-kopi fra Odense Centralbiblioteks arkiv /7/:Fyns Tidende 12. maj 1954.

Microfiche-kopi fra Odense Centralbiblioteks arkiv

Om forfatteren Steen Davidsen, landinspektør (AUC 1982). Seniorprojektleder hos COWI A/S, Odensevej 95, 5260 Odense S, STD@cowi.dk.

11

Perspektiv nr. 8, 2005 Fotogrammetrien efter den 20. ISPRS kongres Joachim Höhle, Aalborg Universitet Fotogrammetrien har udviklet sig meget i de seneste år og er nu fuldstændig digital fra optagelse til fremstilling af produkter som ortofotos, topografiske databaser og fotorealistiske by- og landskabsmodeller. Dette faktum blev tydeligt ved den seneste internationale kongres for fotogrammetri og telemåling, men også ved nye investeringer hos danske kortlægningsinstitutioner. Disse innovationer beskrives. Der fokuseres på kortlægningsopgaver med flybilleder, men nye sensorer og nye metoder ved terrestrisk fotogrammetri og satellitbaseret fotogrammetri og telemåling behandles også. Med det nye udstyr og nye metoder opstår muligheder for at løse eksisterende kortlægningsopgaver mere effektivt og dyrke nye anvendelser. Disse skitseres i denne artikel. Det konkluderes, at investeringer i uddannelsen er nødvendige for at klare disse nye udfordringer.

Indledning I juli 2004 blev den internationale kongres for fotogrammetri og telemåling afholdt. Det sker hvert fjerde år, og denne foranstaltning kan betragtes som en slags olympiade for dette fagområde. Instrument- og systemproducenter viser deres nyeste produkter på en udstilling, videnskabelige arbejdsgrupper præsenterer i foredrag og vha. posters resultater af forskningsarbejde, og der formuleres nye opgaver for de næste fire år.

Det er lejligheden oversigt og indsigt rådet. Men der er dende mængder af tioner.

onen af geodata, og Aalborg Universitet (AAU) har forandret kursusindhold og læreplaner (Det teknisk-naturvidenskabelige fakultet ved AAU, 2004).

Digitale flykameraer Flere nye digitale flykameraer blev præsenteret ved kongressen. Fremkaldelse og scanning af film kan dermed undgås. Den radiometriske

til at få i fagomovervælinforma-

I ISPRS kongressens ”proceedings” er der 1218 artikler gemt på en DVD, som rummer 1,2 GB. Efter læsning af nogle af artiklerne og noter fra kongressen vil jeg prøve at beskrive trends og udviklinger. De rummer nye systemer og metoder til billedoptagelse, georeferering af billederne, DHM- og ortofotofremstilling, fotogrammetrisk kortlægning samt ajourføring af topografiske databaser.

Det bliver især nyheder og

12

trends i luftfotogrammetrien, men sensorer fra jorden og fra satellitter samt deres anvendelser blev også behandlet.

Dem vil jeg kun strejfe. Mine vurderinger er sikkert subjektive, men imidlertid sker der også nogle aktiviteter hos danske firmaer og andre institutioner, hvilket jeg også vil nævne. På nuværende tidspunkt har nogle innovationer allerede forandret produkti-

Figur 1: Datafusion ved Intergraph’s DMC kamera (øverst) og UltraCam-D kamera fra Vexcel Imaging (nedunder). Ved UltraCam-D sættes et pankromatisk billede sammen af fire kameraer, som belyser på 9 CCD’er med hver 4k x 2,7k pixler. DMC anvender 4 kameraer og 4 CCD’er med hver 7k x 4k pixler, som hver belyses gennem en linse.

Kilde: (Kraus 2004)

Perspektiv nr. 8, 2005

opløsning i digitale billeder er enormt forbedret.

4096 intensitetstrin (12 bit) kan nu opnås. Det betyder, at topografiske objekter bedre kan ses, og nøjagtigheden og sikkerheden i automatiske målinger forbedres. For at realisere store formater ved flybilleder anvendes flere linser og flere matrix-sensorer (CCD’er). Et billede sammensættes af fire eller flere delbilleder. Figur 1 viser teknikken ved to nye kameraer.

Billedformatet er 162 mm x 96 mm (Intergraph) respektive 104 mm x 68 mm (Vexel Imaging). Store formater muliggør store billedmålforhold, og det betyder bedre nøjagtigheder.

Figur 2: UltraCam-D kamera. Fire pankromatiske kameraer er positioneret efter hinanden i flyveretningen. Belysning sker på forskellige tidspunkter og på 9 CCD’er. Billedet sammensættes i ’postprocessing’ af 9 delbilleder til et ikke-kvadratisk format.1 Pixelstørrelsen er kun 9 μm. Farvebilleder og falskfarve billeder produceres kunstigt vha. billeder fra fire yderlige kameraer (som er positioneret på ydersiden), og som producerer billeder i spektralområder (rød, grøn, blå, nærinfrarød) i et mindre målforhold og dermed i mindre opløsning.

Photo: (Vexcel Imaging 2005)

En anden fordel ved digitale kameraer er, at man registrerer forskellige spektrale områder samtidigt. Det betyder, at s/h billeder, farvebilleder og falskfarve billeder optages samtidigt. Et digitalt kamerasystem har op til 8 linser.

hældningsvinkler af kameraets optageakse være kendt.

Denne ydre orientering af flybilleder eller georeferering bestemmes vha. paspunkter.

Paspunktbestemmelserne i marken vha. landmålingsudstyr er dyre og besværlige.

Farvebilleder fremstilles kunstigt. Det højopløselige pankromatiske billede suppleres med farve fra mindre opløselige farvebilleder. Det betyder, at fremstilling af farvebilleder sker ved hjælp af nogle billedbehandlingsteknikker (opretning og ’pan sharpening’). Billedvandring kan også kompenseres. Teknikken kaldes ’Time Delay Integration’.

Billedinformation integreres i det tidsinterval, som lukkeren er åben. Risikoen for støv og ridser på billederne elimineres ved den digitale billedoptagelse. Der kan forventes en højere billedkvalitet ved digitale kameraer pga. den høje geometriske og radiometriske opløsning. Ifølge Cowi (2005) er digitale flykameraer i fremdrift i Danmark, og vi kan forvente, at DDO serien og andre ortofotos nu fremstilles vha. disse billeder. Ved kortlægningsopgaver opstår, pga. et ugunstigt basis/højde forhold, mindre nøjagtighed i højdebestemmelsen, når man sammenligner med et analogt kamera af 23 cm x 23 cm formatet.

Reduktion af antallet af paspunkter opnås vha. aerotriangulation. Overgang til digitale flybilleder har gjort aerotriangulation mere nøjagtig og til en automatiseret proces. Grundlaget er korrelation (’matching’) af punkter, som genkendes og måles i to eller flere billeder. Disse såkaldte sammenknytningspunkter bestemmes i stort antal, og blokken af billederne knyttes sammen. Få paspunkter måles i billederne manuelt, og den ydre orientering af billederne i et referencesystem beregnes vha. sofistikerede programpakker, som automatisk opdager og eliminerer målefejl. Denne fremgangsmåde har været praktiseret i nogle år og er en del af undervisningen af landinpektørstuderende på bachelor niveau (Höhle 2002).

Georeferering af flybilleder For at anvende flybilleder til kortlægning skal positionen af projektionscentre og

For at gennemføre aerotriangulation mere nøjagtigt og for at reducere antallet af paspunkterne har man integreret positionsgivende sensorer.

Det globale positioneringssystem (GPS) er en del af kamerasystemerne og anvendes til navigation og styring af billedernes længdeoverlap, men også som yderligere observationer ved beregning af aerotriangulation.

13

Perspektiv nr. 8, 2005

Sensorer, som med høj frekvens bestemmer vinkler om tre akser og afstandsændringer i tre akser, kan også integreres i optagesystemer. Disse såkaldte ’Inertia Measuring Units’ eller IMUs muliggør sammen med GPS’en den direkte georeferering af flybilleder. Nøjagtigheden i den ydre orientering er så god, at man kan bestemme punkter på jorden med 20 cm nøjagtighed fra 2000 m flyvehøjde. Denne nøjagtighed er god nok til fremstilling af ortofotos uden paspunkter (Kremer 2005).

Figur 3: Inertia Measuring Unit.

IMUen er en lille boks, som indeholder tre gyros og tre acceleratorer. Ved hjælp af disse målinger kan vinkler om tre akser og positionsforandringer i tre akser afledes.

IMU’en monteres fast på kameraet.

Kilde: (Heipke 2002)

Største nøjagtighed opnås, når IMU data anvendes som yderligere observationer i aerotriangulationen. Denne ”Integrerede Sensor Orientering” er genstand for forskning. Resultater af et forskningsprojekt ved EuroSDR viste, at den ydre orientering frembringes med nøjagtigheder på 5 cm på jorden, når man fotograferer fra 770 m med et vidvin-

14

Figur 4: I moderne optagesystemer integreres et digitalt kamera med positions- og retningsgivende sensorer. Deres orientering i forhold til hinanden bestemmes i kalibreringsprocessen. Ved hjælp af sensor- og kalibreringsdata kan flybilleder georefereres; paspunkter og aerotriangulation kan dermed undgås. Den opnåelige nøjagtighed er egnet til fremstilling af ortofotos. Sensor- og dataintegration bliver dermed vigtige nye vidensområder i fotogrammetrien.

Kilde: (Kraus 2004)

Den opnåelige nøjagtighed er egnet til stereo-fotogrammetrisk kortlægning af byer efter TK99 standarden. Dette fremskridt i den fotogrammetriske punktbestemmelse påkræver investeringer i prisklassen 150 000 Euro. Alle danske fotogrammetriske firmaer har investeret i denne teknik.

snit. Denne automatiserede metode blev undersøgt ved AAU og testet med forskellige billeder og områder. Resultater viste, at nøjagtigheden er tilstrækkelig til at fremstille ortofotos, og denne proces kan for en stor del automatiseres (Potucková 2004).

Metoden er især interessant i områder, hvor ortofotos fremstilles i korte tidsintervaller, som for eksempel i Danmark.

En anden løsning i forbindelse med georeferering af flybilleder, men uden de store investeringer, er at anvende eksisterende ortofotos og aflede den ydre orientering af nye flybilleder vha. korrelation af korresponderende billedud-

DHM- og ortofotofremstilling Fremstilling af ortofotos kræver ud over orienteringsdata også digitale højdemodeller (DHM). Deres nøjagtighed har stor indflydelse på kvaliteten af ortofotos. Den foto-

kelkamera og kun anvender et paspunkt (Heipke 2002).

Perspektiv nr. 8, 2005

grammetriske fremstilling af højdemodeller sker for store områder ved hjælp af digitale stereobilledpar og korrelation.

Denne automatiserede proces frembringer en overflademodel (DOM). Korrelation i områder uden kontrast og struktur kan producere fejl. Editering af højdedata og kvalitetskontrol er derfor nødvendige. Resultatet er en digital terrænmodel (DTM), hvor alle højder er på terræn.

uden blev en del nyheder fremvist. Objekter over jorden som huse og broer kan også kortlægges uden forskydninger i positionen. Disse ’true ortofotos’ fremstilles fra flere flyfotos og ved hjælp af præcise overflademodeller. Husets facader afbildes ikke, og usynlige områder i et billede suppleres med billedinformationer fra et andet billede (se figur 5).

Opgaven kræver kortlægning af tagformer; ellers opstår

ler dette koncept, som baserer sig på forskningsarbejde i Finland.

Fotogrammetrisk kortlægning Fotogrammetriske stereoarbejdsstationer anvender nu hurtigere computere og grafikkort, som muliggør et mere bekvemt arbejde. Firmaet Intergraph, for eksempel, tilbyder deres ImageStation Stereo Softcopy Kit (SSK) system med en ny mus, som rummer mange knapper til kortlægningsfunktioner samt hurtig bevægelse igennem stereomodellen. Der registreres direkte i en database og forskellige GIS data kan indlæses og GIS analyser kan udføres med alle disse data.

Eksempler på analyseværktøjer er attribut og rumlig søgning, dannelse af bufferzoner og rumlige overlays.

Figur 5: Princippet ved fremstilling af ’true ortofotos’. Det venstre billede har ingen billedinformation bag huset og dette område fyldes med billedinformation fra det højre billede. Husets facader fjernes, og taget er kortlagt ved hjælp af den korrekte højde (DOM højde).

Ortofotofremstilling er derefter bare en resampling af billedet og sker pixel for pixel ved hjælp af computere med stor regnekraft. Mosaikdannelse af flere ortofotos er den næste opgave, som kræver en omhyggelig fastlæggelse af ’seamlines’. Nyheder fra kongressen var nogle forbedringer i programmerne fra de forskellige producenter. Des-

mangler i billedkvaliteten.

Fremstilling af ’true ortofotos’ inklusiv bestemmelse af orienteringsdata, fremstilling af overflademodeller og ortofotos samt mosaikdannelse kan udføres i et programmel. Denne opgave kræver stor regnekraft, som realiseres vha. flere parallelt arbejdende computere. Firmaet Inpho, Tyskland, videreudvik-

Systemerne kan kortlægge fra forskellige sensorer, bl.a. digitale kameraer, scannere fra fly og satellitter.

Et russisk system undgår 3Dmus eller håndhjul/fodskive til styring af et målemærke, men registrerer øjenbevægelser vha. to videokameraer.

Observerede objekter bliver automatisk målt i tre dimensioner. Denne ”Eye-grammetry” er kompatibel med de fleste stereoarbejdsstationer (Geoiconics 2004) og det kan forventes, at denne teknologi vil blive anvendt i fremtiden.

Automatisering af kortlægningen er det store forsknings-

15

Perspektiv nr. 8, 2005

emne, men de første professionelle programpakker blev allerede vist på kongressen.

For eksempel tilbyder Inpho, Tyskland, programpakken ”Inject”, som semi-automatisk kortlægger huse inklusive tagform i tre dimensioner.

Der anvendes flere modeller af huse, som indpasses interaktivt og uden stereosyn til to overlappende flybilleder (Inpho 2004).

Kortlægning vha. kombination af flyfotogrammetri med andre sensorer Nye opgaver i kortlægningen kan løses, når digitale flybilleder bruges sammen med optagelserne fra andre sensorer. For eksempel kan forandringer i bygningerne optages vha. laserscannerdata og multispektrale flybilleder, som indeholder den nærinfrarøde del af det elektromagnetiske spektrum. Et Ph.D.-projekt af Brian Olsen, KMS, bidrog med løsningerne (Olsen 2004). Nye og forsvundne bygninger opdages i en automatiseret proces, og man fremstiller et oversigtskort med ændringerne. Derefter må den nøjagtige og fuldstændige ajourføring af kortdatabaser gennemføres vha. stereofotogrammetri.

I tidsalderen med ’outsourcing’ af kortlægningsarbejde har dette arbejde en særlig betydning, fordi omfanget af arbejdet først skal vurderes.

At modellere komplekse huse inklusive deres tagformer med henblik på at fremstille 3D bymodeller er et andet anvendelsesområde af kombinatio-

16

nen fotogrammetri/laserscanning i fly. Et forskningsprojekt ved den europæiske forskningsorganisation for rumlige data (EuroSDR) dokumenterede nye løsninger og gode resultater. Bl.a. var en projektgruppe på AAU’s landinspektørstudium med i projektet (Frederiksen et al., 2004).

Tagformen, husets højder og brudlinjer skulle kortlægges.

Ved anvendelse af laserscannere og hyperspektrale scannere, som registrerer 128 spektrale bånd, kan også materialet i tagene klassificeres.

Forskningsarbejde ved Universitet Karlsruhe, Tyskland, klassificerede 8 forskellige materialer ved tagene (Lemp, 2004).

Vha. en motor drejes kameraet små trin frem som svarer til en pixel. Med sådan et kamera optages 360o panoramabilleder i farver med op til 5.1 GB pr. billede. Et eksempel er kameraet EYESCAN M3 i figur 6.

Figur 6: Digitalt panoramakamera EYESAN M3.

Photo: (Kamera & System Technik GmbH, 2005)

Nye sensorer fra jorden og deres anvendelse Nye digitale kameraer til amatørfotografering kommer næsten dagligt på markedet og anvendes af mange. Kameraer med billedformater på 24 mm x 36 mm kan erhverves til en rimelig pris. For eksempel rummer KODAK’s PRO14N 14 Mega pixel ved en høj opløsning (pixelstørrelse = 8μm).

Det relativt store billedformat muliggør også fotogrammetriske anvendelser med gode nøjagtigheder, omkring 1/14 000 af objektdimensionen ved kalibrering (Pedersen 2004).

Når man opstiller kameraet på to eller flere standpunkter, kan objektpunkter bestemmes med stor nøjagtighed, og objektmodeller kan visualiseres med fototekstur (se også figur 7). Tests af Schneider (2004) viste, at standardafvigelsen (σo) ved stråleudjævning kan være mindre end 2 μm. Ved anvendelse af 100 mm linsen og 50 m afstand fra kameraet svarer denne værdi til en sideafvigelse på 1 mm, og en pixel udstrækker sig over kun 3.5 mm x 3.5 mm på objektet.

Væsentlig højere geometrisk og radiometrisk opløsning opnås vha. et roterende rækkekamera. Tre CCD rækker af hver 72 mm længde optager grundfarverne (rød, grøn, blå) med hver 16 bit.

Optagelsen af et panoramabillede med denne linse varer 10 minutter.

Panoramakamera anvendes således til fremstilling af fotorealistiske 3D modeller af torve og indre gårde samt 3D inden-

Perspektiv nr. 8, 2005

Figur 7: Stråleudjævning med 3 panoramabilleder muliggør objektpunktbestemmelse.

Kilde: (Schneider 2004)

Figur 8: Terrestrisk Laserscanner Leica HDS3000 Photo: (Leica Geosystems, 2005)

dørsmodeller af bygninger. I disse modeller kan meget fine objektdetaljer genkendes, og veldefinerede objekter er kortlagt med stor nøjagtighed.

Generelt kan lasercanning betragtes som en del af telemåling (remote sensing), fordi det også indsamler billeder og anvender billedbehandlingsteknikker ved processering. Ved den fotogrammetriske kongres var der flere bidrag om terrestrisk laserscanning.

Til opmåling af 3D bymodeller skal også terrestriske laserscannere nævnes. Disse producerer 3D punktskyer sammen med intensitetsbilleder og digitale fotos. Der eksisterer mange modeller fra forskellige firmaer. Figur 8 viser Leica’s nye panorama laserscanner HDS3000. Optagelserne sker horisontalt med 360o og vertikalt med 270o, og nøjagtigheden er angivet med 6 mm ved 50 m afstand fra objekt. Afstanden af målepunkter kan være 0.24 mm ved 50 m afstand fra objektet, men vælges større for at reducere datamængden.

Intensitetsbilledet anvendes til at tolke objektet, for eksempel genfindes og opmåles specielt reflekterende målemærker (’targets’) automatisk. Software pakker transformerer punktskyerne til et reference koordinatsystem og modellerer objektet vha. flader, cylindre eller andre geometriske primitiver.

For eksempel rapporteres i Akca (2004) om, hvordan punktskyer kan sammenknyttes ved hjælp af korre-

Figur 9: 3D Imaging Sensor LMSZ360i.

Et højopløseligt kamera er integreret og muliggør fotogrammetriske anvendelser som ortofotofremstilling, aerotriangulation, osv.

Photo: (Riegl 2005)

lationsteknikker. I stedet for farveværdier som i fotogrammetri bruges Z-værdierne af punktskyerne. I Jansa (2004) anvendes digitale billeder og punktskyer til sammenknytning af scans og fremstiller ’true ortofotos’ med underlagte Z-værdier. Forudsætningen er, at laserscanneren integreres med et højopløseligt digitalt kamera. Sådan en laserscanner er realiseret af firmaet Riegl, Østrig (se figur 9).

Nye satellitbaserede sensorer til kortlægning Optiske sensorer i satellitter har haft en rivende udvikling.

Pixelstørrelsen på jorden eller Ground Sampling Distance (GSD) er ved kommercielle satellitter så lille som 0,6 m. Quickbird satellitten, som gik i omløb i 2001, producerer pankromatiske billeder med denne GSD, men samtidig også farve- og falskfarve billeder i lavere opløsning.

Quickbird billeder anvendes til ortofotofremstilling sammen med eksisterende højdemodeller. I et afgangsprojekt ved AAU blev ortofotos for flade områder på Samsø fremstillet. Billedkvaliteten matchede DDO land fra 1999, som har 0,4 m pixelstørrelse, og den geometriske nøjagtighed var 1,0 m ved anvendelsen af 5 paspunkter (Miller 2004).

Ortofotos, som er fremstillet fra Quickbird billeder, anvendes i stort omfang til kontrol af angivelserne fra europæiske landmænd.

Mange nye satellitbaserede sensorer til kortlægningsformål er på vej. Det kræver ste-

17

Perspektiv nr. 8, 2005

reobilledpar med bedre basis/ højde forhold for at kortlægge terrænmodeller, dvs. højden. Kortlægning af DTMs fra højopløselige satellitbilleder kan udføres med 3 m nøjagtighed.

Højder frembringes også fra radarsystemer, såkaldte InSAR systemer, som kan anvendes under alle vejrforhold. InSAR installeres i rumfærger eller realiseres som tandem satellitter. Tests viste nøjagtigheder på 5 m for flade og åbne områder respektive 18 m for hele kloden (Konecny 2004).

Der udvikles små satellitter, som vil omløbe jorden i mindre afstand fra jorden og dermed vil muliggøre små GSD værdier, billigere data og en bedre tilgang til data. Kortlægning fra rummet vha. digitale kameraer og scannere vil blive udbredt. Anvendelse af disse nye værktøjer vil ske til fordel for de mange områder i verden, som ikke har nogen eller kun for gamle kort eller kortdatabaser. Billeddata fås hurtigere, og nye anvendelser vil opstå med denne ’on-line’ fotogrammetri, for eksempel i forbindelse med naturkatastrofer.

Konklusion Optagelsen af flyfotos uden film kommer nu til Danmark.

Samtidig med højopløselige pankromatiske billeder optages farve og falskfarve billeder. Dvs. fotogrammetri og telemåling vokser sammen.

Den integrerede benyttelse af forskellige data frembringer

18

nye anvendelser og forbedringer i det nuværende kortlægningsarbejde. På nuværende tidspunkt har nogle innovationer allerede forandret produktionen af geodata.

Læreanstalter som AAU har forandret kursusindholdet og udstyr. Yderlige investeringer mht. personale og udstyr ved AAU og andre danske læreanstalter er nødvendige for at uddanne og videreuddanne personalet i kortlægningsinstitutioner samt for at styrke forskningen på disse områder. Danmarks fotogrammetriske firmaer og andre kortlægningsinstitutioner må også i fremtiden være i stand til at producere geodata effektivt i Danmark og at konkurrere i kortlægningsopgaver på det internationale marked.

Referencer Akca, D., A new algorithm for 3D surface matching, proceedings, 20th ISPRS kongres, 2004 Det teknisk-naturvidenskabelige fakultet ved AAU, studieordning for landinspektøruddannelsen, 7.-10. semester, 2004 Frederiksen, L. et al., Automatiseret 3D-Bygningsmodellering, AAU, landinspektørstudiet 2004, 9. semester projektarbejde, 2004 Heipke, C. et al., Integrated sensor orientation, EuroSDR official publication nr. 43, 2002 Höhle, J., Fotogrammetrien er digital ved AAU, Geoforum.dk, april 2002

Jansa, J. et al., Terrestrial laserscanning and photogrammetry – aquisition techniques completing one another, proceedings, 20.

ISPRS kongres, 2004 Konecny, G., Mapping from Space, Festschrift zum 60. Geburtstag von Armin Grün, ETH Zürich, 2004 Kraus, K., Photogrammetrie, bind 1, de Gruyter Lehrbuch, 7. udgave, ISBN 3-11-017708-0, 2004 Olsen, B.P., Maintenance of digital topographical map databases, Ph.D.- thesis ved DTU, Lyngby 122 s., 2004 Kremer, J., Direct georeferencing of aerial images and other airborne sensor data, gæsteforelæsning ved AAU, februar 2005 Lemp, D. et al., Use of hyperspectral and laserscanning data for the characterization of surfaces in urban areas, proceedings, 20.

ISPRS kongres, 2004 Miller, N., Kortlægning baseret på satellitbilleder – en undersøgelse af de højopløselige satellitter, afgangsprojekt ved AAU’s landinspektøruddannelse, 153 s., 2004 Pedersen, L. et al., Mobile kortlægningssystemer - en håndholdt prototype, 8.semester’s projekt, AAU, 2004 Potuckova, M., Image matching and its application in photogrammetry, PhD project, 2004 Schneider, D. et al., Development and application of an extended geometric model for high resolution panoramic cameras, pro-

Perspektiv nr. 8, 2005

ceedings, 20. ISPRS kongres, 2004

Litteratur og firmahjemmesider Cowi, nyhedsbrev 1/05, 2005 Geoiconics, Photogrammetric eye-tracking and measurement system, www.geoiconics.com, 2004 Inpho GmbH, brochure inJect, http://www.inpho.de, 2004

Kamera & System Technik GmbH, http://www.kst-dresden. de, 2005 Leica Geosystems, HDS 3000 3D Laserscanner, http://hds. leicageosystems.com/products/HDS3000_description.html, 2005 Riegl, brocure LMS-Z360i, http:// www.riegl.com/terrestrial_scanners/lms-z360i_/360i_all.htm, 2005

Vexcel Imaging, brochure UltraCam-D kamera, http://www.vexcel.co.at/products/photogram/ ultracam/, 2005

Fodnoter 1

Fordi den smalle side af billedet er i flyveretningen, opstår et lille basis/højde forhold (for eksempel n= 0.27 ved længdeoverlap af p=60% og standard linse med kamerakonstant c= 100 mm). Det har en ugunstig indflydelse på højdenøjagtigheden.

Om forfatteren Joachim Höhle, Professor, Geoinformatik & Arealforvaltning, Aalborg Universitet, Fibigerstræde 11, DK-9220 Aalborg Ø, jh@land.aau.dk

19

Perspektiv nr. 8, 2005 Ortofoto Søren Buch, BlomInfo A/S I Danmark fik ortofotos den rigtig store udbredelse og anvendelse ved Kampsax’ landsdækkende digitale ortofotokortlægning fra 1996 med brug af luftfotos i farver fra 1995 og med en opløsning på 80 cm. Tidspunktet passede meget fint sammen med den teknologiske udvikling, hvor programmer og maskiner gjorde det muligt at anvende de store digitale datamængder. Tidligere var digitale ortofotos kun fremstillet i mindre omfang. Men der har dog også været fremstillet analoge ortofotos i S/H, hvor den mest kendte er Matrikeldirektoratets dækning af Fyn i slutningen af 1980’erne.

Hvad er et ortofoto?

Ortofotos ligner umiddelbart almindelige luftfotos. Men i virkeligheden er der tale om luftfotos, der er bearbejdet, så de kan anvendes som kort, og derfor kan de også anvendes i kombination med andre kort.

Det er gjort ved: • at ortofotoet er gjort målfast. Det vil sige, at målforholdet er konstant.

• at ortofotoet er gjort sømløst. Luftfotoene er sat sammen til et sammenhængende ortofoto og som oftest med usynlige grænser.

• at ortofotoet er indplaceret i et koordinatsystem.

For de fleste mennesker er det meget lettere at orientere sig på et luftfoto end på et kort over området. Det skyldes, at alle genstande i terrænet kan genkendes umiddelbart, uden at man har viden om kortsignaturer, målforhold og farvekoder.

Ofte kan man benytte ortofotoet som et baggrundskort, det er let at orientere sig i. Ved at supplere med andre korttemaer kan man fremhæve og beskrive specielle temaer eller specielle områder.

F.eks. kan veje og stier fremhæves, og specielle bygninger

20

Lokalplanforslag med ortofoto som baggrund

eller arealer kan markeres.

Men ortofotoet kan også bruges som et kort til at måle afstande i, til at beregne arealer i osv. takket være målfastheden.

Og derudover kan man trække informationer ud af billedet, som ikke nødvendigvis er registreret i et almindeligt kort. Man kan foretage sin egen tolkning af luftfotoet og dermed registrere informationer i et koordinatsystem efter ens eget behov og til egne formål.

Fremstilling af ortofotos For at producere et ortofoto, skal man gennem en række processer, der normalt vil være: 1. Flyvefotografering.

2. Scanning af fotos (ved en analog fotografering) 3. Aerotriangulation (teknik til at få bestemt billeders position og orientering i luften i optagelsesøjeblikket) 4. Etablering af en digital højdemodel (genereret ved hjælp af luftfotoene, eller dannet ud fra eksisterende kortdata). Evt. forefin-

Perspektiv nr. 8, 2005

des der i forvejen en brugbar højdemodel.

5. Generering af ortofoto for de aktuelle fotos.

6. Sammensætning af ortofoto-billederne fra alle fotos til et samlet ortofoto (mosaik).

7. Farvejustering (farve- og kontrastudjævning, m.m.)

Ortofotos fremstilles ud fra en række luftfotos, der er fotograferet med overlap. Billederne bliver fotograferet i en højde, der er valgt ud fra den detaljeringsgrad (opløsning), der ønskes i det færdige ortofoto.

Såfremt man bruger digitale kameraer, vil man umiddelbart have det digitale billede som pixels med en gråtoneværdi, eller som det mest almindelige ved ortofotos, i farve med RGB værdier.

Analoge luftfotos scannes med en opløsning, der afhænger af scannerens indstilling.

Det kan f.eks. være 15 μm, hvilket vil svare til en bestemt opløsning på jorden. Et billede fotograferet i 1:5.000 fra en flyvehøjde på 750 m og derefter scannet med en opløsning på 15 μm vil have en opløsning på 7.5 cm, som efter bearbejdning f.eks. kan ende med et ortofoto med en opløsning på 10 cm.

En fundamental regel ved fremstilling af ortofotos er, at det færdige ortofoto ikke må være fremstillet ud fra billeder med en dårligere opløsning end det færdige ortofoto.

Den grundlæggende forskel på et luftfoto og et ortofoto er, at et luftfoto er en centralprojektion, mens et ortofoto er en ortogonalprojektion. I en centralprojektion er alle objekterne i billedet registreret igennem ét centralt punkt, projektionscenteret. Dette medfører, at ændringer i terrænhøjden vil give forskydninger i objekternes placering i billedet. Man skal altså have styr på terrænvariationerne, hvilket fås med en digital terrænmodel (DTM). Derudover skal man have styr på hvert luftfotos placering i optagelsesøjeblikket samt rotationer i forhold til jorden.

taget lige oppe fra. Dette sikrer et ensartet målforhold, samt at variationer i højden i landskabet ikke giver fortegninger i billedet.

Når der er styr på disse forhold, kan man omdanne luftfotoet til en ortogonalprojektion, hvor alle punkter i billedet betragtes, som var de

Kvaliteten af ortofotos Kvaliteten af et ortofoto kan beskrives på flere måder: Geometrisk kvalitet (nøjagtighed), aktualitet, detalje-

Til hver pixel i ortofotoet findes først højden i den digitale terrænmodel og ved brug af stråleligningerne positionen i billedet. Ved hjælp af interpolation mellem nabopixler findes gråtonen (eller intensiteter i tre grundfarver) til denne position og dermed også til pixlen i ortofotoet.

O … projektionscenter, x’, y’ … billedkoordinater XYZ …referencekoordinater

21

Perspektiv nr. 8, 2005

ringsgrad (opløsning) og visuel (radiometrisk) kvalitet.

Geometrisk kvalitet Bestemmende for den geometriske kvalitet/nøjagtighed er især fotograferingen, orienteringen af luftfotoene og den bagvedliggende højdemodel. Ved fotograferingen er det vigtigt, at der anvendes et velegnet kamera (et målekamera), men også scanningen (ved analoge optagelser) og den software, der anvendes til beregning af ortofoto og højdemodellen, har stor betydning. Fejl i højdemodellen vil direkte forplante sig til fejl i ortofotoet.

Aktualitet Aktualiteten sikres især ved, at der anvendes nyt billedmateriale. Ortofotos er ligesom almindelige kort ”forældet” allerede den dag, de er lavet færdige. De er ikke mere opdaterede end alderen af luftfotoene, der danner grundlag for ortofotoet.

Detaljeringsgrad Flyvehøjden, kameraets linser og scanningsopløsningen (ved analoge billeder) giver tilsammen opløsningen, hvorved forstås hvor meget en pixel svarer til på jorden, f.eks. 10 cm. Ønsker man eksempelvis at kunne se nedløbsriste i ortofotoet, er det nødvendigt med en større opløsning end hvis dette er uden betydning.

Normalt regner man med, at for med sikkerhed at kunne genkende et objekt, så skal objektet have en udstrækning i størrelsesordenen ca.

3 pixel.

22

Visuel kvalitet En forudsætning for en god visuel kvalitet er naturligvis, at billedmaterialet er i orden.

Men også gode vilkår under fotograferingen er vigtig, og herunder ikke mindst klart vejr og, at solhøjden ikke er for lav, idet en lav solhøjde giver store slagskygger ved bygninger og andre genstande, der rager op af terrænet.

Tilsvarende vil fototidspunktet (årstiden) have stor betydning for den visuelle kvalitet.

Men også selve scanningen af fotoene og den software der anvendes under produktionen af ortofotoet har stor betydning for kvaliteten af det færdige ortofoto.

Det samlede ortofoto fremstilles ved sammensætning af alle de nødvendige billeder. Denne sammensætning af de enkelte ortofoto kaldes en mosaik. Det er en kompliceret proces med forskellige former for farve- og kontrasttilpasning, men resultatet har stor betydning for den visuelle kvalitet.

Vurderingen af kvalitet er meget afhængig af brugeren. Nogle brugere har brug for en stor nøjagtighed i ortofotoet og derfor en stor geometrisk kvalitet. Det kan typisk være brugere, der registrerer objekter i ortofotoet og ønsker disse registreret med en stor nøjagtighed.

Andre har brug for en stor detaljeringsgrad, hvor nøjagtigheden måske ikke spiller den store rolle.

Atter andre ønsker et flot

ortofoto som baggrundskort og lægger derfor stor vægt på den visuelle kvalitet. Her vil bl.a. resultatet af en god mosaik have stor betydning.

Ortofotomosaik før kontrast og farvetilpasning

Ortofotomosaik efter kontrast og farvetilpasning

Kravene til de forskellige former for kvalitet har stor betydning for ortofotoets pris.

Så afhængig af hvad ortofotoet skal bruges til, kan man vælge at få fremstillet et ortofoto tilpasset ens behov.

Dette kan naturligvis være svært med de mange tekniske parametre og valgmuligheder, der indgår ved ortofotofremstilling. Derfor har Geoforum Danmark udarbejdet en ”Vejledning om ortofotos”, som udkom i november 2004. Den kan frit hentes på Geoforums hjemmeside www.geoforum.dk

Perspektiv nr. 8, 2005

Vejledning om ortofotos ”Vejledning om ortofotos, Orto2004” er udført af en arbejdsgruppe nedsat af Geoforum. Vejledningen er udført som hjælp for brugere og rekvirenter af ortofotos. Hverken de, der anvender ortofotos, eller de der producerer dem, har hidtil haft retningslinier for hvilken kvalitet, der måtte forventes til et givet ortofoto produkt.

Vejledningen knytter sig op ad Specifikationer for Tekniske Kort, TK99, således at man kan relatere de forskellige ortofotoprodukter ORTO1, ORTO2 og ORTO3 til de kendte TK99 standarder.

Vejledningen omfatter nogle generelle afsnit om ortofotos og nogle mere tekniske afsnit om vigtige processer og parametre ved ortofotofremstilling. Derudover er der f.eks. en eksempelsamling. I vejledningen gennemgås arbejdsgruppens anbefalinger til forskellige typer ortofotos og de tilhørende kvalitetskrav.

Grundlæggende beskrives 3 ortofotoklasser, og der stilles en række krav til ortofotofremstillingen med tilhørende parametre.

I tabellen på næste side er der opstillet nogle grundlæggende krav, for at man kan kalde et ortofoto ORTO3, ORTO2 eller ORTO1. Der opgives en anbefalet værdi på f.eks. en pixelstørrelse 10 cm for ORTO3, 20 cm for ORTO2 og 40 cm for ORTO1. Dertil angives mindstekravet til nøjagtigheden på højdemodel-

len på henholdsvis 25 cm, 60 cm og 175 cm, som er nøjagtighedskravet for en højdemodel for henholdsvis TK3, TK2 og TK1 i Specifikationer for Tekniske Kort, TK99. Mindstekravet på nøjagtigheden på højdemodellen er bindende, mens andre værdier kan variere. F.eks. kan det accepteres at fotografere med et andet overlap end 20%, så længe det er markeret som en alternativ valgmulighed i tabellen, men det skal af produktbeskrivelsen fremgå, hvorledes specialudgaven afviger fra den anbefalede udgave.

Ortofotos til f.eks. vegetationsanalyser og som baggrundskort: Løvspring – 31. juli.

Når der angives eksempler på alternative valgmuligheder, er de ikke angivet i intervaller, da det kan blive lidt uoverskueligt. Når der under ORTO3 angives billedmålforholdet 1:3.000 som alternativ værdi til de anbefalede værdier 1:5.000 og 1:8.000, så kan hele skalaen fra 1:3.0001:4.999 være alternative værdier og hele skalaen fra 1:5.000-1:8.000 være anbefalede værdier.

Optagelseskvalitet m.m.

TK99 specifikationens krav om bl.a minimum 30˚ solhøjde.

Desuden bør der være et krav om maksimal skyggedækning fra skyer på 3%. Der må ikke være områder i ortofotoet, der er dækket af skyer.

Normalt skal der anvendes luftfotos optaget i farver.

De alternative udgaver skal desuden overholde andre specifikke krav. Det kan således ikke accepteres, at et farvebillede i 1:5.000 der er scannet med 12 μm svarende til 6 cm, subsamples til 5 cm til ORTO3. Disse krav samt andre generelle krav gennemgås i det følgende.

Krav til fotografering m.m.

Tidspunkt for fotografering: Ortofotos uden vegetationsdækning: 15. marts – løvspring (ca. 5. maj).

Kameralinse Vidvinkel kan generelt anvendes i alle 3 klasser.

Normalvinkel kan med fordel anvendes ved fremstilling af almindelige og true ortofotos i tæt by. Men man skal være opmærksom på, at såfremt billederne også skal anvendes til almindelig kortfremstilling, kan man normalt ikke overholde TK specifikationernes krav til højdenøjagtighed.

Billedoverlap m.m.

Længdeoverlap og sideoverlap skal vælges til minimum 20%. Men et overlap på 25% eller 30% vil dog oftest være en fordel ved fremstilling af ortofotos. Normalt vil længdeoverlappet være 60% ved almindeligt fotogrammetrisk arbejde.

Scanning Billederne skal så vidt muligt være fri for hår og andet snavs.

Der må ikke være striber og andre fejl fra scanningen.

Den geometriske nøjagtighed fra scanningen skal være bedre end eller lig 5 μm.

23

Perspektiv nr. 8, 2005

24

Perspektiv nr. 8, 2005

Scanning af billeder i farver til ortofotos skal helst udføres i en opløsning med en pixelstørrelse større end eller lig 12 μm.

Ortofotoets plane nøjagtighed Ortofotoets nøjagtighed i planen skal måles i forhold til veldefinerede objekter i billedet.

Fejlbidragene kommer primært fra billedorienteringen (10 μm - 20 μm ) og højdemodellen. Fejlbidraget fra højdemodellen varierer afhængig af den aktuelle pixels afstand fra nadirpunktet i det billede, hvor den er interpoleret.

Såfremt man fremstiller en højdemodel, der kun skal bruges til ortofotofremstilling, vil det være langt mere økonomisk, hvis man nøjes med at overholde den fulde nøjagtighed ved veldefinerede punkter og linier i ortofotoet frem for den fulde nøjagtighed i hele billedet. Eksempelvis vil det være helt unødvendigt med en god højdemodel for skovområder, hvor man i ortofotoet kun kan se trætoppe.

Så hvis der er et krav om den fulde nøjagtighed i hele billedet skal det direkte fremgå ved bestillingen af et ortofoto.

Ellers må man forvente, at højdemodellen overholder den foreskrevne nøjagtighed i TK99 ved alle de temaer, der er beskrevet for den enkelte standard for TK1 (ved ORTO1), TK2 (ved ORTO2) og TK3 (ved ORTO3) og som skal registreres på jorden. Derved vil der altid være en stor

overensstemmelse mellem et eventuelt teknisk kort og det tilsvarende ortofotoprodukt.

I andre områder som f.eks. i det indre af skove, store homogene marker uden hegn, brugsgrænser eller markveje vil der kunne anvendes højdemodelsmålinger med den halve nøjagtighed af hvad vejledningen siger. Dermed vil den plane nøjagtighed af ortofotoet kunne være halvt så god.

Pixelstørrelse Pixelstørrelsen skal ses i relation til kvaliteten, man kan forvente ved en normal scanning. Jo mindre pixelstørrelse, jo mere støj i billedet. Man kan foretage følgende gruppering Scanningsopløsning 1: 7-12 μm Scanningsopløsning 2: 12-18 μm Scanningsopløsning 3: > 18 μm Den anbefalede mindste opløsning for S/H er 7 μm og for farve 12 μm. Scanning med en opløsning større end 18 μm vil ofte skyldes anvendelsen af luftfotos i et stort målforhold i forhold til opgaven. Det medfører anvendelsen af mange billeder og metoden vil derfor være uøkonomisk.

Ortofotoets pixelstørrelse skal altid være større end eller lig den scannede pixelstørrelse.

Ortofotoets pixelstørrelse skal være mindst 0,3 gange størrelsen af det mindste objekt,

man ønsker at kunne identificere.

Ved mange anvendelser vil det være acceptabelt med en pixelstørrelse på en tredjedel af den plane nøjagtighed i ortofotoet. Man kan også sige, at den tilstrækkelige nøjagtighed for ortofotoet bør være 3 gange pixelstørrelsen. Men til visse formål kan det være ønskeligt med en stor plannøjagtighed f.eks. svarende til pixelstørrelsen.

Dette vil imidlertidig medføre en væsentlig prisforhøjelse p.gr.a kravene til en mere nøjagtig højdemodel. Eksempel jævnfør tabellen: ORTO3, opløsning 10 cm, ortofotoets nøjagtighed 10 cm.

Til andre formål vil det være mere vigtigt med en stor opløsning men uden krav til en stor nøjagtighed. Eksempel: ORTO2, opløsning 10 cm, ortofotoets nøjagtighed 40 cm.

Krav til billedbehandling, seamlines (sømlinier), efterbehandling m.m.

Den visuelle kvalitet skal være et klart og skarpt ortofoto.

Der skal være jævn tone og kontrast over hele ortofotoet. Der skal være et minimalt tab af billedkvalitet i forhold til det originale billede.

Kontrastregulering og lys/ farvejustering af enkeltbilleder foretages på de enkelte luftfotos før fotomosaikdannelsen og ofte før ortofotodannelsen. Ofte vil en del af billedbearbejdningen blive udført af scannersoftwaren under scanning af luftfotoene.

25

Perspektiv nr. 8, 2005

være tilfældet hvor automatisk genererede seamlines går gennem bygninger.

• Næsten usynlige seamlines.

Fuldautomatisk seamlinegenerering med feathering.

Som oftest usynlige undtagen ved bebyggelse.

Ensidig belysning

• Ingen feathering. Kun geometrisk tilpasning. Ofte er seamlines identiske med kortbladsopdelingen.

Automatisk genereret igennem en bygning

seamline

Efter kontrast og farvetilpasning (dodging)

I en mosaik sammensættes flere billeder (ortofotos) til et billede. Sammensætningen sker efter en opskæring i en fælles grænse: Seamlines (sømlinier).

I det sammensatte billede kan farve, lys og kontrast reguleres meget ved billedbehandlingen.

I overgangen mellem billederne ved de anvendte seamlines kan der ved hjælp af feathering (overgangsudjævning) skabes forskellige kvaliteter i synligheden af overgangen: • ”Usynlige” seamlines. Feathering foretages efter at seamlines er manuelt efterbearbejdet. Det vil f.eks.

26

Seamline manuelt korrigeret

Ved seamlines skal tværgående elementer som f.eks. kørebanekanter ”passe sammen” inden for 3 pixels.

Fejl ved billedsammensætningen i seamline

Dataformater m.m.

Dataleverancen skal være tilpasset brugerens anvendelse, således at data kan indgå i brugerens anvendte software og kan anvendes til det ønskede formål. Ønsket om en høj performance kan medføre en kombination af tabsgivende kompression i et pyramideformat som MrSID eller ECW. Omvendt kan kravet til data i f.eks. arealklassifikationer medføre levering af data i en tabsfri komprimering. Ved en tabsgivende kompression kan også indgå overvejelser om komprimeringsgrad, men ved en reduktion på op til 8090% vil man sjældent kunne se fejl i komprimeringen med det blotte øje.

Anvendelse af ortofotos Informationsindholdet i et ortofoto er i høj grad afhængig af, hvilket tidspunkt på året fotograferingen udføres.

Brugen af det færdige ortofoto er således den afgørende faktor for valg af optagelsestidspunkt. Før fotograferingen udføres, bør den kommende bruger derfor stille spørgsmål som: Hvad skal det færdige ortofoto bruges til? Hvad skal det være muligt at identificere i ortofotoet? Og på baggrund heraf kan fotograferingstidspunkt vælges.

De største årstidsvariationer i indholdet af ortofotoet skyldes vegetationens forandringer i løbet af vækstsæsonen og forandringer i jordens fugtighed. Sne, is og smeltevand har

Perspektiv nr. 8, 2005

Forår, 4. april 2004

selvfølgelig også stor betydning for ortofotoets indhold.

Den spektrale sammensætning af det indfaldende sollys samt terrænobjekters spektrale refleksion varierer med årstiden og tidspunktet på dagen. Samtidig har den relative skyggelængde ofte en afgørende indflydelse på identifikationsmulighederne i ortofotoet.

Fremtiden - den teknologiske udvikling

Forår, 10. maj 2004

15. marts 2003. Før løvspring, Lange skygger.

9. maj 2004. Efter løvspring.

True ortofotos Ved fremstillingen af et ortofoto benytter man sig af en almindelig terrænmodel.

Det vil sige, at alle punkter, der indgår i højdemodellen, ligger på jorden. Alle objekter som træer, anden bevoksning, bygninger, andre menneskeskabte objekter beliggende over terræn osv. bliver derfor ikke korrigeret rigtigt ved ortofotodannelsen. Dette kan tydeligst ses ved høje bygninger, der i ortofotoet vil kunne ses ”hældende” fra siden. Bunden af bygningen ligger korrekt, men man ser forsiden af bygningen, og på bagsiden er objekter på jorden skjult af bygningen.

Såfremt terrænmodellen kan suppleres med en beskrivelse af bygningerne i en 3D bymodel, vil man have en total beskrivelse af bygningens overflade og man kan korrigere ortofotoet. Bygningen vil blive set oppefra, men i en almindelig ortofotoberegning vil skyggeområdet stadigvæk være dækket af et ”spøgelsesbillede” af byg-

ningen. Dette område kan beregnes som angivet med rødt på billedet af Marmorkirken på næste side. Man kan eventuelt give dette område en neutral farve, men den korrekte forbedring af billedet vil være at supplere dette true ortofoto med billedinformationer fra nabobilleder.

Ved luftfotografering tager man billeder med overlap, typisk 60% i længderetningen og 20% i sideoverlap, så mange skjulte områder vil kunne findes i nabobilleder. I områder med høj bebyggelse vil det være en fordel at fotografere med et stort sideoverlap på f.eks. 60%.

De således fremstillede true ortofotos vil have 3 supplerende fordele i forhold til almindelige ortofotos: Skjulte arealer bag bygninger bliver synliggjort. Mulighederne for at måle i billederne forbedres, da tagene flyttes på plads. Og brugerens fejltolkning af en bygnings placering elimineres. Bygningerne ”ligger ikke længere” inde på nabogrunden.

Digitale kameraer Digitale kameraer vil formodentlig inden for en kort årrække overtage det meste af fotograferingen. Og specielt inden for ortofotofremstillingen er de meget velegnede, da de giver en bedre radiometrisk kvalitet end kameraer med traditionelle film.

Ofte vil en nærinfrarød optagelse kunne laves samtidig

27

Perspektiv nr. 8, 2005

Marmorkirken

med den almindelige optagelse. Man kan derfor med et meget lille merarbejde fremstille et nærinfrarødt ortofoto over samme område som det almindelige ortofoto.

Satellitbilleder I de senere år er højt opløselige satellitdata blevet tilgængelige for kommercielle brugere. De vigtigste anvendelsesområder er dog områder, hvor luftfotografering med fly er vanskeligt f.eks. på grund af restriktioner. I Danmark har seriøs anvendelse været meget sporadisk, da pris, billedopløsning, kvalitetsgaranti og sikkerheden for at få optagelser ”til tiden” endnu ikke er konkurrencedygtig med fotografering. Men engang i fremtiden vil satellitoptagelser ganske givet også få stor betydning i Danmark.

Konklusion Ortofotos er blevet en meget væsentlig del af nutidens kortprodukter. Et let læseligt baggrundskort, utolkede informationer, kombinationsmulighederne med andre kortdata, samt en lav pris p.gr.a. en forbedret teknik, har medført ortofotos store udbredelse. I mange lande

28

Nærinfrarødt ortofoto, sommerbillede

RGB ortofoto, sommerbillede.

Perspektiv nr. 8, 2005

foretages nykortlægning og ajourføring i dag af topografiske kort med brug af registrering i ortofotos med en såkaldt monoplotning.

Andre bruger ortofotoet kombineret med et ”tyndt” teknisk kort, idet de fleste informationer kan læses direkte i ortofotoet.

Merprisen ved fremstilling af ortofotos i sammenhæng med almindelig nykortlægning eller ajourføring af kort er i dag meget lille. Billederne er fotograferet, scannet og orienteret. Højdedata findes allerede eller findes i stort omfang fra det tekniske kort.

Processerne med ortofotogenereringen er i dag i høj grad automatiseret. Derfor vælger mange kortbrugere som KMS og Vejdirektoratet altid ortofotos som et billigt tillægsprodukt ved fotogrammetriske kortlægningsopgaver.

Den bedre radiometriske kvalitet fra digitale kameraer kombineret med mulighederne for supplering med det nærinfrarøde spektrum vil forøge anvendelsesmulighederne, og nye brugertyper vil formodentlig dukke op.

3D visualiseringer af landskaber med brug af ortofotos vil blive lige så almindelige som ortofotos i dag, idet de illustrerer det nuværende terræn og supplerende projekter på en meget let forståelig måde. Allerede i dag kan man lade borgerne vandre og flyve virtuelt gennem landskaberne på en nem og intuitiv måde og lade dem forstå planers betydning for lokalområdet.

Eija Honkavaara et al: Quality of FLPIS Orthophotos, Reports of the Finnish Geodetic Institute, Kirkkonummi 1999.

True ortofotos kræver en avanceret teknik, og en 3D bymodel som basisdata. Men til gengæld er et true ortofoto et helt naturligt supplement til en 3D bymodel. Denne type ortofotos giver informationer, som selv det bedste fotogrammetriske kort ikke kan give.

Orava, E., 1994. Digitaaliset ortokuvat. Technical University of Helsinki, Master’s Thesis.

Referencer Geoforum Danmark, Vejledning om ortofotos, ORTO2004, 1. udgave, november 2004.

Albertz, J., Einführung in die Fernerkundung - Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern, 2.udgave, s. 158

Guidelines for Quality Checking of Ortho Imagery, ISPRA, 18/2/99; ARS REF:sk/104/m1517/99 LUFTFOTO En test af luftfoto med henblik på at vælge et ”generelt amtsfoto”, Amternes GIS-samarbejde, Kortgruppen, januar 1999.

Produktspesifikasjon for ortofoto i Norge, Statens Kartverk, November 2003.

Specifikationer for Tekniske kort TK99, Skrevet af et udvalg under Kommunalteknisk chefforening, januar 1999.

Specifikation för framställning av digitale ortofoton, Bilaga 3.6, 2003-09-08, Lantmäteriet

DIN 18740-3 Photogrammetrische Produkte, Teil 3: Anforderungen an das Orthophoto, Oktober 2003

Om forfatteren Søren Buch, landinspektør, BlomInfo A/S, Vejlegade 6, 2100 København Ø, sb@blominfo.dk, www. blominfo.dk.

29

Perspektiv nr. 8, 2005 Flyvevåbnets luftrekognoscering.

Per S. Nielsen, Flyvertaktisk Kommando Titlen på denne artikel kunne lige så godt være ”Luftfotografier på den hurtige måde”, idet luftfotos optaget af Flyvevåbnet, er fotograferet medens flyet flyver med en fart på op til 5-600 km i timen.

Flyvevåbnet kan, hvis påkrævet, foretage luftfotografering indenfor en 24-48 timers tidsramme.

Flyvevåbnets luftrekognoscering anvendes hovedsageligt til militære formål, men udfører også luftfotografering for de civile myndigheder i forbindelse med eftersøgninger, miljøovervågning i de danske farvande samt billedmateriale til planlægningsformål.

F-16 - i morgen

Moesgård

30

Flyvevåbnet har udført luftrekognoscering lige siden værnets start i begyndelsen af 1950’erne. Den gang blev missionerne udført med de gamle Spitfire fly, med håndholdte kameraer. Siden da er der anvendt fly af typerne KZ VII, Catalina, RF-84 Thunderjet og RF-35 Draken. I dag udføres luftfotograferingen med kameraer ophængt i en POD (special fremstillet kasse) under F-16 flyet.

Flyvevåbnets hovedopgave indtil ca. 1990 har, af naturlige årsager, hængt sammen med den kolde krig, hvor det vigtigste har været overvåg-

ning af de danske farvande samt Østersøen. Det har hovedsageligt drejet sig om Sovjetunionens flåde- og flystyrker, men også deltagelse i mange store NATO øvelser over hele Europa samt fremskaffelse af billedmateriale til danske enheder, som brugte det til planlægning og opfølgning efter øvelsesvirksomhed.

De rene militære opgaver har været over 80% af den samlede luftfotografering og har, indtil 1990-92, været hovedopgave for en hel enhed (eskadrille). I dag udføres opgaven af en enhed, der har andre opgaver ved siden af, idet den militære del af luftfotografering ikke fylder mere end ca. 15-20% af tidligere tiders flyvninger.

Udover den rene militære opgave, blev der også udført rigtig mange opgaver for de civile myndigheder i landet, herunder politiet (eftersøgninger), museer og arkæologer ved universiteterne. Mange af disse opgaver har haft stor værdi for vores viden om fortiden, idet mange optagelser har været af diverse udgravninger rundt om i landet. Der har også været nogle piloter, der har haft en stor personlig interesse i arkæologi, idet specielt én pilot har udpeget nogle områder (Lolland og Fyn), hvor han men-

Perspektiv nr. 8, 2005

seneste, dækning af fyrværkeriulykken ved Seest i Kolding.

Mange af de opgaver, der udføres for museer og arkæologer, bliver udført med optiske og Infra-røde (IR) kameraer. Kombinationen af disse to typer optagelser har givet nogle gode resultater, idet disse har været anvendt både som dokumentation ved bl.a. arkæologiske udgravninger, til at vise eventuelle retninger for udvidelse af udgravninger samt til at påvise aftegninger i jordens overflade. Ifølge de tilbagemeldinger Flyvevåbnet har fået, har disse optagelser været en stor hjælp for rekvirenterne.

Jernalderborg

te der kunne være noget af stor interesse. Dette har, blandt andet, medført opdagelsen af en vikingehavn.

Efter murens fald har opgaverne gradvist ændret karaktér, idet den grumme nabo mod øst har haft en kraftig nedgang i aktiviteterne. I vore dage udføres opgaver, udover de militære, som miljø og specialfotograferinger for ministerier og styrelser. Her kan nævnes en meget stor flyvning i forbindelse med den kraftige storm i 1999, hvor Flyvevåbnet fotodækkede en stor del af landet, i en stribe fra Sønderjylland via Fyn til Helsingør området.

Denne opgave blev udført for Skov- og Naturstyrelsen, der ønskede en oversigt over hvor stor skaderne var på skovene, der hvor stormen hærgede mest.

Af andre opgaver kan nævnes optagelser af Skandinavian Star branden, dokumentation i forbindelse med oversvømmelsen af tunnelen ved Storebælt samt, her på det

Ud over de nævnte opgaver, har Flyvevåbnet også fotograferet de fleste kongelige slotte rundt omkring i landet, store spejderlejre og diverse andre bygninger og områder

Skandinavian Star

31

Perspektiv nr. 8, 2005

(f.eks. Rebild) i forbindelse med officielle besøg, møder og højtider.

Til løsning af de nævnte opgaver, har Flyvevåbnet hidtil anvendt engelske kameraer (F95 360/140A) til sort/hvid og farve optagelser (brændvidde 3 og/eller 11 tommer) og amerikanske Texas Instruments RD702 IR Linescan til infra-røde optagelser.

De anvendte optiske filmnegativer er 70mm format, leveret i 100m længde, med mulighed for op til 500 billeder. IR negativerne er en kontinuerlig optagelse, hvor det optagede så at sige bliver scannet ind på negativet.

højde (200 – 15.000 fod/ < 100 – næsten 5.000m). Til fremtidens IR optagelser er der anskaffet et nyt kamera, der er i stand til at lave gode optagelser fra over 5.000m højde, hvilket er et stort spring fra det tidligere kamera, der kun var effektivt op til ca. 300m!

Det skal dog nævnes, at Flyvevåbnet bibeholder de gamle negativtyper så længe som muligt (især farvekapaciteten), idet forstørrelses-graden er betydelig bedre på de

luftfotografier, er ved Basic Cover. Basic Cover er en sort/ hvid, vertikal, fotooptagelse, foretaget af England op gennem tiderne. Disse optagelser er, indtil 2001, foretaget således, at Danmark er blevet dækket fuldstændigt over en periode på 2 eller 4 år. Denne fotodækning har været foretaget siden 1962, med en enkelt dækning foretaget i 1954. Fordelen ved disse optagelser har været, at de har været målfaste 1:25.000 og har dækket ca. 6 x 6 km pr billede.

Ved gennemførelse af en rekognosceringsflyvning, foretages optagelserne enten ved 4 eller 8 billeder pr. sekund, hvilket i bedste fald giver mulighed for stereoskopiske optagelser i 200 fods højde (under 100m) med en fart på 400 knob (ca. 700 km/t).

Fremtidens teknologi/digitalisering er ved at indhente Flyvevåbnet, idet Elektro-Optisk (EO) udstyr er på vej.

Et dansk firma har fremstillet en ny POD til ophæng under F-16 flyet og har så været på verdensmarkedet og indkøbt nye digitale kameraer til indbygning i den nye kasse. Dette nye system kommer til at anvende amerikanske RECON Optical CA-260/25M og CA261/25M kameraer til henholdsvis lav og middel flyve-

32

Odense Universitet

gamle vådfilm end på de digitale optagelser, som teknologien er i dag.

En anden mulighed Flyvevåbnet har, for at levere gode

Basic Cover har været bredt anvendt af både civile og militære myndigheder op gennem tiderne, både som basismateriale og som sammenligning med nyere luftfotos.

Perspektiv nr. 8, 2005

Museer, arkæologer og geologer har også efterspurgt denne type dækninger til diverse formål.

Flyvevåbnets Luftrekognoscering er og har altid været til stor nytte, ikke bare for militære formål, men også som nyttig støtte til det øvri-

ge samfund. Fordelen ved at have et Flyvevåben med de nævnte systemer er, at myndigheder kan få taget luftfotografier her og nu, hvor andre leverandører enten fotograferer én gang årligt eller ikke kan dække et tilsvarende stort område på samme korte tid.

I forbindelse med overgangen til EO teknologien, vil det i fremtiden være muligt at fotografere under lidt dårligere vejrforhold end i dag, hvor den mindste smule tåge/dis vil forringe kvaliteten betydeligt.

Om forfatteren Per S. Nielsen, Chefsergent ved Flyvertaktisk Kommando, leder af kommandoens luftfotoelement og Flyvevåbnets Luftfotoarkiv. Fotokilde: Flyvevåbnet. ftk-ide@mil.dk

33

Perspektiv nr. 8, 2005 Højdemodeller og laserskanning Johnny Koust Rasmussen, Geoinformation, Scandinavia, COWI A/S Kortlægning af et landskabs højdeforhold har meget længe været en del af den generelle kortlægning. I slutningen af forrige århundrede fik Danmark således den første landsdækkende højdemodel i forbindelse med udfærdigelsen af det første landsdækkende topografiske kort. [Geodætisk institut, 1978]. I forbindelse med den generelle udbredelse af GIS er der opstået bedre mulighed for at benytte terrænmodeller, hvorfor bedre modeller, både mht. nøjagtighed og pris, har fået øget aktualitet. Inden for de seneste år er der da også opstået flere nye opmålingsmetoder, der kan anvendes til opsamling af data til dannelse af højdemodeller. Der kan her nævnes GPS, der ved RTK-måling effektivt kan opmåle let tilgængelige områder (veje, marker, enge mm.), radarskanning (SAR/IFSAR) og ikke mindst laserskanning.

På billedet er hovedparten af området opdyrket, men der er også, som vist med pilen, skov i området - og i skovområdet er strukturen i terrænet helt anderledes end i de dyrkede arealer.

Figur 1: Laserskannet højdemodel (DTM) fra en vejstrækning (COWI A/S)

Hvad er en højdemodel?

En højdemodel kan betragtes som en mængde af indmålte punkter, der sammen med en interpolationsmetode giver en beskrivelse af et landskab. Ved anvendelse af en højdemodel er det vigtigt at være opmærksom på, at der altid vil være tale om en tilnærmet gengivelse af landskabet uanset kvaliteten af data.

Det er endvidere vigtigt at forholde sig til, med hvilken nøjagtighed det aktuelle landskab kan defineres. En asfalteret vej vil kunne define-

34

res meget nøjagtigt, mens en mudret pløjemark er meget mere diffus. Når der tales om nøjagtigheden af en højdemodel (ofte anført som middelfejlen) er det derfor oftest målte punkters gennemsnitlige afvigelse fra veldefinerede arealer, der henvises til. Ligeledes er nøjagtigheden, der gengives, oftest et udtryk for de målte punkters nøjagtighed og ikke nøjagtigheden af selve modellen.

Et landskab forandres over tid. Dels ved opførelse af veje, jernbaner mv. og dels ved dyrkning.

Nøjagtigheden af en højdemodel har også indflydelse på holdbarheden af modellen, dvs. hvor længe højdemodellen kan betragtes som havende den angivne nøjagtighed. Hvis en højdemodel således har en nøjagtighed på 5 meter vil den have en lang holdbarhed, idet det er sjældent at landskabet forandres så meget. Hvis højdemodellen derimod har en nøjagtighed på 5 centimeter vil den have en kortere holdbarhed, idet f.eks. pløjningen af en mark vil være en betydelig ændring af højdemodellen.

Laserskanning Princippet i luftbåren laserskanning er, at en laser monteres i et fly eller helikopter.

Under flyvningen udsendes der laserstråler, der reflekteres af det underliggende terræn og returneres til laserskanneren. Ved at måle tidsrummet fra udsendelse til modtagelse kan afstanden

Perspektiv nr. 8, 2005

til terrænet bestemmes med stor nøjagtighed. Når denne afstand sammenholdes med laserskannerens position og orientering, opnås en bestemmelse af terrænoverfladen.

Position og orientering skaffes ved hjælp af INS (Inertial Navigation System) og GPS (Global Positioning System).

I dag har laserskannere udviklet sig i to retninger: I) Tracéskannere II) Områdeskannere

Tracéskannere Denne type skanning udføres typisk fra lav højde med helikopter. Områderne er højspændings-, vej- og banetracéer. Der skannes et bælte på 2-400 m med typisk 2-5 punkter pr. m². Samtidigt optages billeder, så der kan kortlægges og der kan laves ortofoto. Den lave flyvehøjde gør, at der kan flyves under de fleste vejrforhold. Ved fotografering kræves der dog gode lysforhold. [http://www.flimap.com]

Figur 2: Laserskanning af område med illustration af to forskellige skanningsteknikker.

Skanningsmønter fra skanner med vippende spejl (Optech m.fl.).

Skanningsmønter fra fiberoptisk skanner (TopoSys II).

Figur 3: Illustration af to forskellige skanningsmønstre. Pilene på figurerne angiver flyveretningen. [http://www.optech.on.ca og http://www.toposys.com].

Områdeskannere Denne type skannere opereres typisk fra fly og er velegnet til store områder.

Når et område skal dækkes er flyvehøjden og åbningsvinklen afgørende for hvor stort et område der dækkes. Med denne type skannere har man derfor en række begrænsninger, der minder om dem der kendes fra fotoflyvning: der skal flyves under skydækket der må ikke være for meget vind der må ikke være sne der må ikke være tætte blade på træer, massive marker (korn, raps m.m.) og tuegræs For at give en passende dækning af terrænet spredes laserstrålerne i et mønster. Denne spredning kan opnås på en række forskellige måder, f.eks. ”vippende” spejl eller fiberoptisk. Skanningsmetoden har betydning for udseendet af det punktnetværk, der skannes og dermed hvordan terrænet gengives. Det vil ofte være optimalt med en jævn fordeling af punkterne.

Hvor bredt der kan skannes afhænger naturligvis af flyvehøjden, men også af hvilken vinkel hvorved laserstrålerne udsendes med. At skanne bredt sparer flyvetid - specielt ved store, åbne arealer.

Det er imidlertid ikke en ubetinget fordel at kunne skanne bredt, da der ved en øget skanningsvinkel kan opstå

35

Perspektiv nr. 8, 2005

des f.eks. afhænge af fugtigheden af det græs der måles, den konkrete type asfalt i vejen, typen af teglsten på taget osv.

skyggeproblemer, hvor f.eks. en bygning kan forårsage, at der ikke måles punkter på terrænet bagved. Det er således et spørgsmål om at vurdere pris i forhold til kvalitet.

Skanningsfrekvensen er et af de områder, hvor der er sket den kraftigste tekniske udvikling de seneste år. For få år siden var den typiske skanningsfrekvens 5.000-10.000 Hz [Baltsavias, 1998], mens de nyeste systemer kan operere med 80.000 - 100.000 Hz [http://www.optech.on.ca og http://www.toposys.com].

Den øgede frekvens øger punktmængden drastisk og gør det muligt at få en mere detaljeret beskrivelse af terrænet - op til flere punkter pr. kvadratmeter. Den øgede skanningsfrekvens giver alternativt mulighed for at øge flyvehøjden og derved skanningsbredden, samtidigt med at der stadig opnås en fornuftig punkttæthed.

Når laserstrålen når jordoverfladen har den en diameter - et ”footprint” typisk 30-100 cm (afhængigt af flyvehøjden og lasertype). Herved er det muligt at måle top og bund af vegetation ved at registrere det første eller det sidste modtagne signal, hvilket hovedparten af de operationelle systemer er i stand til.

[Baltsavias, 1998].

Mange systemer har endvidere mulighed for at lagre intensiteten af de enkelte retursignaler dvs. et udtryk for hvor

36

Figur 4: En laserstråle rammer et træ. Dele af strålen reflekteres fra de forskellige niveauer i træet og fra terrænet.

Figur 5: Intensiteten i et område udtrykt som farveskala. Det kan netop anes at der er 2 flyvestriber i området, da der er en lille systematisk forskel i intensiteten.

reflekterende den ramte flade er. Da denne værdi afhænger af det materiale fladerne består af, er det således muligt at identificere overgangene mellem forskellige objekttyper på jorden. Endnu er der dog ikke set mange konkrete eksempler på anvendelse af intensiteten.

Et problem med intensiteten er, at den er svær at opstille modeller for. Den vil såle-

Databearbejdning Efter flyvningen beregnes en overflademodel - en DSM (Digital Surface Model) ud fra observationerne fra laseren, GPS og INS. I de fleste tilfælde vil det endvidere være nødvendigt at anvende terrestrisk opmålte paspunkter for at modvirke systematiske fejl i laserskanningssystemet. Herudover bør der foretages en grundig kvalitetskontrol, der sikrer, at der er intern overensstemmelse i data f.eks. imellem de enkelte flyvelinier, samt at der ikke er grove fejl i data. Grove fejl er typisk forårsaget af vand (kan give fejlagtige refleksioner) eller ovenlysvinduer (laserstrålerne vil trænge igennem vinduet og registrere gulvet i stedet for taget).

En DSM indeholder højdeinformation om terrænet, vegetation, bygninger, biler mm. kort sagt alle objekter på og nær terrænet. I mange situationer er det specielt terrænet, der er interessant f.eks. til vejprojektering eller vandstrømsberegninger. Der findes flere algoritmer til at foretage en automatisk klassificering af laserskanningsdata [Hoss, 1996], [ Vosselmann, 2000], ligesom der er kommercielle programmer, der har nogle af disse algoritmer indbygget [http:// www.terrasolid.fi og http:// www.inpho.de]. Algoritmer-

Perspektiv nr. 8, 2005

ne tager f.eks. udgangspunkt i hældnings-eller nabopunktsbetragtninger eller bruger en sammensætning af filtre (kendt fra remote sensing) som f.eks. ”edge detection”, ”maximum likelihood”. Desværre er ingen af algoritmerne problemfri - dertil er virkeligheden for kompleks. Derfor vil der efter den automatiske klassifikation være fejl i data; punkter der enten skulle have været klassificeret som terræn, men ikke er blevet det eller omvendt. For at opnå den højeste kvalitet, skal der derfor efterfølgende laves en manuel kontrol af data. Denne kontrol vil typisk fokusere på kendte problemområder som f.eks. skråninger og tæt bevoksede områder.

En anden problemstilling, der er forsket en del i indenfor de seneste år, er konstruktion af 3D bygninger ud fra laserskanningsdata.

Som udgangspunkt er laserskanning i denne henseende hæmmet af, at det er en uintelligent opmålingsmetode.

Dette skal forstås således, at der måles en enorm mængde punkter, men disse er tilfældigt fordelt og uden kodning.

Herudover bevirker føromtalte footprint, at der i praksis måles flader (til forskel fra et punkt, der ikke har et areal), hvorfor det er vanskeligt at definere f.eks. et hushjørne præcist. For at få et troværdigt bygningsobjekt er det derfor nødvendigt med en meget stor punkttæthed og helst også et eksisterende

Figur 6: DSM (øverst) og DTM (nederst) fra en laserskanning (COWI A/S)

2D bygningstema. For komplekse bygninger er det fortsat nødvendigt med manuel efterbehandling. [Vosselmann, 2002].

Eksempel på anvendelse: Naturgenopretning i Lille Vildmose Lille Vildmose er udpeget som mulig nationalpark. Cowi har som et led i forundersøgelserne til en naturgenop-

retning udarbejdet forslag til, hvordan naturen kan ”genindvandre” i områder af mosen, der er dyrket eller hvor der er gravet tørv. En vigtig faktor ved naturgenopretningen er at vandspejlet skal hæves og for at planlægge en sådan hævning er en god højdemodel af stor betydning.

Denne højdemodel etableredes ved en laserskanning,

Figur 7: Til venstre to bygninger med en stor mængde laserpunkter. Til højre de to bygninger konstrueret ud fra punkterne. [http://www.terrasolid.fi]

37

Perspektiv nr. 8, 2005

Ved hjælp af ortofotos og højdemodellen er der kortlagt åbne vandløb, grøfter og kanaler i og omkring undersøgelsesområdet. Sammen med en række andre data er det herved muligt dels at lave en model for den nuværende situation, og dels opstille og visualisere modeller for genopretningen.

[Riis et. al, 2004] Eksempel på anvendelse: Vurdering af signaludbredelse Ved planlægningen af placeringen af telemaster er det vigtigt at disse giver den optimale dækning af det omkringliggende område og ved visse master er det endvidere vigtigt, at der er frit sigte mellem to master (fri ”Line Of Sight” (LOS)). Til denne analyse er det vigtigt at have en god overflademodel (DSM) eller en DTM sammenstillet med 3D bygninger.

Perspektivering Laserskanning er ved at være en etableret opmålingsmetode til produktion af højdemodeller. Den tekniske udvikling af selve laserskannersystemet går imod en øget punkttæthed, men der er i højere grad ved at blive sat fokus på efterbehandlingen og anvendelsen af data.

Laserskanning har som metode svagheder og vil derfor ikke automatisk udfase den traditio-

Figur 8: LOS analyse foretaget i MapInfo Vertical Mapper på baggrund af en laserskannet højdemodel (COWI A/S). Programmet oplyser om der er LOS mellem de angivne punkter og på hvilke dele af strækninger, der er LOS

nelle fotogrammetrisk fremstillede højdemodel. I mange sammenhænge er det f.eks. ønskeligt med brudlinier hvilket er vanskeligt at konstruere ud fra laserskanningen og til visse projekter er der ikke behov for den store nøjagtighed/punkttæthed som laserskanning kan tilbyde.

Referencer ”Geodætisk Institut 1928-1978”, Geodætisk Institut, ISBN 877450-036-8 Baltsavias, Emmanuel P. “Airborne laser scanning: Existing systems and firms and other resources”, ISPRS Journal of photogrammetry & remote sensing, nr. 54, 1998

Hoss, H. DTM Derivation with Laser Scanner Data; Geomatics Information Magazine, oktober 1996.

Vosselmann, G., Slope based filtering of laser altimetry data.

IAPRS, 33(B3), 2000 Vosselmann, G., Automatic 3D Building Reconstruction, Photonics West 2002: Electronic Imaging Riis, Niels et. al., Muligheder for naturgenopretning i og omkring Lille Vildmose – Tekniske undersøgelser og scenarier. Dokument nr. 90096B-NSR303 Revision nr.

B, 2004

Om forfatterne Johnny Koust Rasmussen, Landinspektør, Geoinformation, Scandinavia, COWI A/S, Nygade 25, 8600 Silkeborg, jyr@cowi.dk, www.cowi.dk

38

Perspektiv nr. 8, 2005 Perspektiv for anvendelsen af jordobservation i den 3. verden Michael Schultz Rasmussen, GRAS A/S, c/o Geografisk Institut, Københavns Universitet Det er ikke overraskende at anvendelsen af jordobservation, eller som det mere betegnende kaldes på engelsk remote sensing, er ganske omfattende i den 3. verden. Teknikken kan her noget som der er stor mangel på og som derfor giver efterspørgsel: der kan leveres hurtig og billig information om alt mellem himmel og jord - i bogstavelig forstand. Satellitbilleder giver overblik og er up-to-date. Netop aktualiteten er vigtig. I vores del af verden ønsker vi konstant opdateret information og satellitdata hjælper med at vise og dokumentere aktuelle ændringer i by- og erhvervsudvikling, kystens erosion, stormskader, braklægning og afgrødefordelinger i landbruget, tilsanding af havneudløb, etablering af bufferzoner omkring vandløb mv. I den 3. verden er aktualitet ligeledes væsentlig, men her taler vi om at fremskaffe den helt basale information i form af topografiske kort, vegetations- og jordbundskort eller arealanvendelseskort. Dette skyldes, at disse kort ofte er mangelfulde eller ikke eksisterende pga. reduceret målestok, rudimentær udarbejdelse eller generel dårlig kvalitet af såvel kortgrundlaget som referencen bag. I det følgende vil vi kaste et blik på de mest almindelige remote sensing data og metoder samt hvor jordobservation befinder sig i den 3. verden illustreret ved et par eksempler.

Man kan groft inddele remote sensing data og metoder i to kategorier: kortlægning og den dynamiske del, hvor kortlægningen er et snapshot i tid, der viser den rumlige udbredelse af et givet tema eller emne. Vigtige parametre er den rumlige opløsning, dvs. pixel størrelse, den spektrale opløsning, den geografiske dækning samt den tidsmæssige repetitionsfrekvens. Der er en tendens til at undervurdere vigtigheden af den spektrale information til fordel for opmærksomheden på pixelstørrelsen, fordi netop den bestemmer, hvilke emner der kan identificeres og hermed kortlægges.

Satellitten kan måle reflekteret lys i mange forskellige dele af spektret også udenfor det synlige, og denne spektrale information kan give information om ikke alene tilstedeværelsen af planter, men også om deres vækst, jordbundsforhold, herunder information om fugtighedsforhold og om hvilke materialer, der

er anvendt til at bygge huse og veje, information der ikke nødvendigvis kan iagttages med det blotte øje. Den spektrale opløsning bestemmes af antallet af målinger i spektret og angives i antal bånd eller kanaler.

Nogle af de bedste satellitdata vi har i dag til detaljeret kortlægning er fra den Amerikanske QuickBird satellit, hvor man kan få et farvebillede med en pixel opløsning på 60 cm og et egentligt multispektralt billede med information om reflekteret lys i fire områder i og udenfor den synlige del af spektret med 2,4 m pixels. En anden nyere satellit er Ikonos med hhv. 1 og 4 meter pixels.

Disse data kaldes under et Very High Resolution (VHR) data. Den næste generation af satellitter vil indenfor de næste 5-7 år være i stand til at nå ned til 40 cm opløsning.

Den dynamiske del af remote sensing beskæftiger sig lige-

ledes med produktion af kort, der beskriver planters vækst, algers opblomstring, snedækkers udbredelse, jordoverfladens temperatur, for blot at nævne nogle få anvendelser.

Fælles for disse er ønsket om en høj opdateringsfrekvens.

Her er den rumlige opløsning til gengæld ikke så vigtig, idet man ønsker information om disse rumligt set mere generelle fænomener. Europa har gennem det Europæiske Rumagentur ESA udviklet Envisat satellitten, hvorfra forskellige instrumenter leverer data til bestemmelse af planter, vand, jord og atmosfære. Det vigtigste instrument er Meris med 15 bånd i den visuelle og nærinfrarøde del af spektret. Det høje antal bånd gør det muligt at benytte data til mange forskellige applikationer både på land og i vand. Nok så vigtigt er at man samtidig kan foretage referencemålinger af atmosfæren. Herved kan der korrigeres for de ikke ønskede atmosfæreeffekter, som

39

Perspektiv nr. 8, 2005

Navn/sensor

Rumlig opløsning i meter

Spektral opløsning

Tidsmæssig opløsning

Dækning per scene

Opsendt

Pris per km2

QuickBird

0,6 s/h 2,4 MS

4 bånd blå, grøn, rød og nærinfrarød

2-3 dage

16 x 16 km

2001

Fra ca 100 kr

Ikonos

1 s/h 4 MS

4 bånd blå, grøn, rød og nærinfrarød

2-3 dage

11 x 11 km

1999

Fra ca 110 kr

SPOT 5

2,5 s/h 10 MS

4 bånd grøn, rød og to nærinfrarøde

2-3 dage

60 x 60 km

SPOT siden 1986

Fra ca 5 kr

Landsat ETM

15 s/h 30 MS

17 dage 7 bånd blå, grøn, rød, to nærinfrarød, et midt nærinfrarødt samt et termalt

Envisat/Meris

1000 RR 300 FR

15 bånd fra det visuelle til det nærinfrarøde

NOAA/AVHRR

1000

Meteosat

3000 (ved Ækvator)

185 x 185 km Landsat siden 1972

Ca 0,07 kr

daglig

1165 x 1300 km

2002

Under 0,01 kr

5 bånd. Rødt, nærinfrarød, midt NIR og to termale

daglig

Ca 2600 km bredt

Siden 1981 (mange satellitter)

Under 0,01 kr

12 bånd fra det visuelle til det termale

Hvert 15. min.

Den halve globe

Siden 1977

Under 0,01 kr

s/h – sort hvid eller pankromatisk, MS – multispektral, RR – reduced resolution, FR – full resolution

er et af de store problemer ved overvågning og analyse af tidsserier.

Radar er en kategori af remote sensing data og metoder for sig selv, som finder bred anvendelse indenfor både kortlægning og den dynamiske del af jordobservation. En af de store fordele er, at radardata kan optages

40

i både overskyet vejr og om natten. Netop muligheden for at få skyfri data fra troperne har bevirket, at radardata har fundet stor udbredelse her.

planters vækst, vil de aktuelle satellitter samt arkiverne med historiske satellitbilleder kunne levere størsteparten af den information man ønsker.

Remote sensing i alle afskygninger finder stor anvendelse i den 3. verden, for hvad enten man ønsker at foretage en egentlig kortlægning, eller man ønsker at vurdere

I de efterfølgende afsnit vil to eksempler demonstrere bredden i anvendelsen af remote sensing, såvel til kortlægning til helt konkrete formål, men også til mere avancerede

Perspektiv nr. 8, 2005

analyser af tidsserier af satellitbilleder, hvor resultaterne anvendes af beslutningstagere. I firmaet GRAS løste vi i 2003 og 2004 i samarbejde med DHI – Institut for Vand og Miljø en opgave der gik ud på at kortlægge et større område i Afghanistan, nærmere bestemt Kabulflodens bassin, som er arealet mellem den Afghanske hovedstad og den Pakistanske grænse. Den årlige nedbør i området er i størrelsesordenen 200 – 300 mm, og der kan derfor ikke dyrkes mange afgrøder uden kunstvanding. På grund af konflikterne i Afghanistan over de sidste 25 år har udviklingen af landbrugsområderne været forsømte. Det omtalte projekt skulle udarbejde en vandhandlingsplan bl.a. med det formål at vurdere basis for yderligere udvidelse og/ eller intensivering af landbruget. En af opgaverne var at kortlægge de aktuelle kunstvandede arealer samt foretage en vurdering af hvorledes dette areal havde udviklet sig gennem de sidste 10 – 15 år i et område større end Danmark. Ligeledes pga. den politiske situation i landet var der ikke mange data at finde nogen steder og satellitdata var derfor et godt bud på en løsning.

De bedst egnede satellitbilleder var Landsat data med en god spektral opløsning, dvs. med spektrale bånd der kunne skelne kunstvandede fra ikke kunstvandede marker.

Videre dækker hver Landsat scene (billede) et areal på

ca. 185 km x 185 km, hvorfor hele området kunne dækkes med seks forskellige scener. Den rumlige opløsning på Landsat data er 30 x 30 meter, hvilket er tilstrækkeligt til at identificere marker. Figur 1 viser en farvekomposition af et Landsat ETM (Enhanced Thematic Mapper) billede for den centrale del af Kabul flodens bassin. Området der er ca. 80 x 50 km viser bjergene både med og uden vegetation.

Mod nord er de olivengrønne områder græsningsarealer.

De store kunstvandede områder fremstår helt lysegrønne.

Mod vest kan der ses et vandreservoir som er helt sort og delt i to ”fingre”. Figur 2 på næste side viser det samme Landsat ETM billede som her er draperet over en højdemodel. 3-D billedet dækker en del af det sydøstligste hjørne af figur 1. I figur 2 viser

de grønne nuancer kunstvandede områder. Lys grøn viser kraftig vækst og mere mørke grønne farver viser fugtige arealer, hvor væksten lige er begyndt.

Der blev anskaffet en komplet dækning af Landsat ETM data fra perioden 2000-2002 samt tilsvarende dækning fra omkring 1990. Hermed kunne udviklingen i de kunstvandede arealer umiddelbart opgøres. På baggrund af den spektrale information i Landsat data var det ligetil at identificere de kunstvandede områder og hermed blev feltarbejde og verifikation af kortlægningen overflødiggjort. Det var alle godt tilfredse med, idet området huser militser loyale overfor det gamle Taliban styre, samtidig med at Osama Bin Laden er eftersøgt netop her!!

Figur 1: Et Landsat ETM billede fra den 18-10-2000 der dækker området nordvest for Jalalabad og øst for Kabul. Det viste området er ca. 80 x 50 km. Til illustrationen er benyttet Landsat bånd 3, 4 og 5, svarende til reflekteret grønt, rødt og nærinfrarødt lys. Landsat har i alt 6 visuelle og et termalt bånd.

41

Perspektiv nr. 8, 2005

Figur 2: Landsat ETM draperet over en højdemodel for området omkring Jalalabad i Afghanistan. De kunstvandede områder ses tydeligt i grønt på dette rå billede, ligesom konturerne af marker der ikke er vandede kan skues, se eksempelvis øverst til venstre lige foran bjerget. Se teksten for forklaring af farvenuancer. Illustrationen er fremstillet i samarbejde med det iranske firma Tooss Ab.

I Sahel området syd for Sahara er den dynamiske del af remote sensing blevet anvendt til at analysere det der populært kaldes ørkenspredning. Betegnelsen dækker over konsekvenserne af ændret nedbør samt ændret pres på jord og planteressourcerne fra både befolkningen og deres husdyr. Det der reelt sker, er en gradvis ændring af vegetationens sammensætning og omfang over store områder, hvilket på ingen måde kan sammenlignes med en ørken, der år for år udbreder sig et antal km mod syd.

Til studiet af dette fæno-

42

men har Geografisk Institut ved Københavns Universitet sammen med det økologiske overvågningscenter ”Centre de Suivi Ecologique” i Dakar, Senegal, benyttet data fra den amerikanske satellit NOAA. Pixelstørrelsen på de daglige data er 1 x 1 km, hvilket er passende til overvågning af store områder. Ved at kvantificere forskellen mellem det reflekterede nærinfrarøde lys, som planterne ikke kan anvende i deres fotosyntese, og det reflekterede røde lys, som planterne bruger i fotosyntesen, kan den årlige plantebiomasse bestemmes.

NOAA AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) data findes helt tilbage til 1981 og hermed kan den årlige ændring i plantebiomasse for hver eneste pixel i Sahel området kvantificeres. Figur 3 viser ændringer i vegetationsindexet NDVI i perioden fra 1982 til 1999. NDVI står for Normaliseret Differens Vegetations Indeks og dette indeks er en god indikator for vegetationens vækst.

Det ses, at den overvejende del af området syd for Sahara har oplevet positiv vækst.

Nedbør for udvalgte områder er ligeledes medtaget i figu-

Perspektiv nr. 8, 2005

ren. Metoden kan ikke benyttes til at bestemme ændringer i området syd for de farvelagte arealer.

Der findes en lang række anvendelser af dynamiske remote sensing data som ikke er specifikke for den 3. verden.

De nye billeder fra satellitten Meteosat tillader at bestemme planteparametre hvert 15. min og kan hermed levere information om døgnvariationer. Nok så vigtigt er det, at med en høj datafrekvens kan indflydelsen fra skyer minimeres. Siden 1997 har vi med opsendelsen af den amerikanske SeaWiFS satellit og senest med den Europæiske Envisat, haft mulighed for at bestem-

me alge- og planktonkoncentrationer i havet. I den 3. verden benyttes den information til at lokalisere og vurdere potentialet for fiskeri.

For et par år siden var GRAS involveret i et projekt i Vestafrika, hvor en database og et analysesystem blev bygget op med henblik på at kunne styrke syv landes fiskerimyndigheders overblik over deres egne fangstressourcer. Hermed kunne de pågældende lande kræve rimelige priser når de solgte deres fiskekvoter til eksempelvis Kina og Rusland.

Den nyeste tendens er at jordobservationsdata bliver integreret i matematiske modeller, der beskriver havcirkulation,

vegetationsudbredelse, vejrudsigter mm. Herved opnås mere detaljeret information idet modellen kan levere langt flere informationer end satellitdata kan alene (inklusiv når det er overskyet). Det vigtige aspekt er at modellen løbende bliver ”justeret på plads” ud fra remote sensing data, der kan levere information om vigtige parametre for store områder og med en høj tidsmæssig frekvens.

Men det er indenfor den egentlige kortlægning hvor anvendelsen af jordobservationsdata har været en succes i den 3. verden. Eksisterende dataarkiver dækker globalt, og ud over at satel-

Figur 3: Ændringer i vegetationsindexet NDVI fra 1982 til 1999. Sahel området har generelt oplevet en positiv ændring fra midt i 1990’erne og frem. De røde arealer angiver negative ændringer (der er meget få). Gule og grønne arealer angiver positive ændringer. Farven hvid angiver at der ikke er nogen vigtige ændringer. Kilde: L. Olsson, L. Eklundh, J. Ardöb, K. Rasmussen, M.S. Rasmussen and A. Warren (ikke publiceret).

43

Perspektiv nr. 8, 2005

litbilleder generelt er up-todate i forhold til eksisterende flyfotoarkiver, så er de også mere konsistente. I de store områder i den 3. verden, hvor de nationale referencenet ofte er både tynde og mangler vedligeholdelse samt opdatering, vil satellitdata med en intern korrekt geometri være det bedste bud på et grundkort. Et eksempel fra Senegal i Vestafrika kan belyse problematikken.

I 1950’erne foretog franskmændene en flyfotoopmåling i det der var franske kolonier på det tidspunkt. Der blev fremstillet 1:200.000 kort ud fra en simpel ikke orthooprettet fotomosaik. I forbindelsen med en kortlægningsopgave med brug af SPOT satellitbilleder i starten af 1990’erne, som undertegnede foretog i FN regi, blev der observeret lokaliseringsfejl på op til 1000 meter i 1:200.000 kortene i de tyndt befolkede områder.

Figur 4 viser et udsnit af et QuickBird billede fra Monrovia i Liberia i Afrika. Pixelstørrelsen er 60 cm og det er et pankromatisk sort/hvidt billede som er blevet ”pan-sharpened” med det tilsvarende multispektrale 2,4 m pixel billede. Teknikken går ud på at vægte farverne fra det multispektrale datasæt med det pankromatiske billedes høje 60 cm opløsning.

Figur 4: Udsnit af QuickBird pan-sharpened 60 cm farvebillede fra Monrovia, Liberia i Vestafrika.

Copyright DigitalGlobe 2005.

44

Perspektiv nr. 8, 2005

Resultatet bliver en 60 cm farvekomposition der tilstræber en naturlig farvefremtoning. Disse pan-sharpened data benyttes i stort omfang i den 3. verden.

Det må forventes at anvendelsen af remote sensing data og metoder fortsat vil udvikle sig gunstigt i den 3. verden og hermed bidrage til en positiv samfundsudvikling med forbedret planlægning og forvaltning. Stadig bedre og billigere data hjælper på dette. Samtidig findes der i langt de fleste 3. verdens lande veluddannede mennesker som kan arbejde med remote sensing data. Perspektiverne for anvendelsen af de højopløselige satellitbilleder ligger lige for. Her er fordelene så indlysende med nem adgang til gode opdaterede data. Men måske er det vigtigere med en påpegning og prioritering af adgangen til og brugen af de dynamiske data, der ligesom i det viste Sahel eksempel, kan give information om naturressourcer og miljøets udvikling. Dette kunne være medvirkende til at der blev

taget bedre langsigtede strategiske beslutninger.

Der opbygges og etableres i øjeblikket særdeles gode ressourcer på Internettet, hvor gratis satellitdata stilles til rådighed sammen med metoder og værktøjer til anvendelsen. Det er derfor vigtigt, at vi her i vores del af verden fortsat støtter denne udvikling og formulerer en datapolitik, der sikrer bred adgang. Dette har hidtil ikke været tilfældet med de Europæiske data fra eksempelvis Envisat. Selvom en ændring er undervejs, kan vi med fordel se på den amerikanske model for adgang til de dynamiske satellitdata.

Den sker gratis via Internettet.

Et sidste aspekt er at vi fortsat må assistere en kapacitetsopbygning i den 3. verden med henblik på at styrke den analytiske kapacitet ved studier af naturressourcer og miljø.

John R. Jensen, 2000, Remote Sensing of the Environment, An Earth Resource Perspective, Prentice Hall Series (Jensen).

Relevante hjemmesider http://unosat.web.cern.ch/unosat/ (FN organisation der assisterer med satellitbilleder til den 3. verden) http://www.africover.org/ (FAO initiativ der kortlægger hele Afrika) www.digitalglobe.com (QuickBird) www.spaceimaging.com (Ikonos) http://landsat.usgs.gov/ http://envisat.esa.int/instruments/meris/ www.geogr.ku.dk www.gras.ku.dk http://www.rummet.dk (dansk side generelt om rumaktiviteter, herunder jordobservation)

Referencer Lillesand, Kiefer & Chipman, 2004, Remote Sensing and Image Interpretation, Fifth Edition.(LK&C).

http://www.cse.sn/ (økologisk overvågningscenter i Dakar, Senegal – på fransk!)

Om forfatteren Michael Schultz Rasmussen, Lektor, Geografisk Institut, Københavns Universitet, Øster Voldgade 10, 1350 København K, Danmark, email: msr@geogr.ku.dk, www.geogr.ku.dk

45

Perspektiv nr. 8, 2005 Automatisk ændringsudpegning Brian Pilemann Olsen, Kort & Matrikelstyrelsen, Thomas Knudsen, Danmarks Rumcenter, Kristian Keller, COWI Den potentielle nytteværdi af geodata er direkte knyttet til kvaliteten af det tilgængelige grundkortmateriale. Derfor stilles der stadigt stigende krav til dette materiales aktualitet. Kortopdatering er imidlertid ofte arbejdsintensivt, dvs. både langsommeligt og kostbart. Dette kan til en vis grad afhjælpes ved automatisering. Ændringsudpegning er et af de mere lovende automatiseringsområder: det viser sig muligt at udføre en brugbar ændringsudpegning for bygningstemaet i en topografisk kortdatabase ved brug af en kombination af farve-infrarøde flybilleder og laserscannede højdemodeller. Med fremkomsten af fuldt digitale flyfotos forventes det muligt at simplificere processen betragteligt.

Indledning Geodata spiller i dag en stadigt stigende rolle i næsten alle sektorer af samfundet. Men de sektorspecifikke geodata står ikke alene: typisk præsenteres og analyseres de på baggrund af et eksisterende kortmateriale som er med til at formidle dataenes rumlige strukturer eller – med andre ord – er med til at skabe nyttig georefereret information fra de rå geodata. Den potentielle nytteværdi af geodata er altså direkte knyttet til kvaliteten af det tilgængelige grundkortmateriale. Derfor stilles der stadigt stigende krav til dette materiales aktualitet.

Imidlertid er opdatering af kortmateriale ofte arbejdsintensivt, hvilket medfører, at det både er langsommeligt, kostbart og påvirkeligt af menneskelige fejl. Derfor er det naturligt, at der både internationalt og herhjemme, er stor forsknings- og udviklingsaktivitet inden for felter, som kan resultere i hel eller delvis automatisering af kortlægning og kortopdatering.

I denne artikel beskæftiger vi os med automatisering af

46

ændringsudpegning, som er et nøgleområde indenfor kortopdatering. I vores tilfælde er målet at foretage en automatisk sammenligning af et nyoptaget flyfoto og en eksisterende kortdatabase (her bygningstemaet fra Kort & Matrikelstyrelsens TOP10DKdatabase).

I metoden, som præsenteres nedenfor, indgår desuden hjælpedata i form af en digital overflademodel baseret på laserscannerdata optaget i forbindelse med produktionen af COWIs produkt ”Danmarks Digitale Højdemodel” (DDH).

ket kan resultere i væsentligt nyt materiale til detektionen af bygningsdele.

Der er god grund til at antage at metoden kan videreudvikles til at være uafhængig af overflademodeller baseret på eksterne datakilder: med fremkomsten af fuldt digitale flyfotosystemer, kan præcisionen i automatisk genererede fotogrammetriske højdemodeller (på grund af et reduceret støjniveau i de fuldt digitale data) forventes at stige betragteligt. Af samme grund kan man også forvente en forbedring af kvaliteten af automatisk detekterede hjørner og kanter, hvil-

Flere grupper har arbejdet på automatisk udtræk af vejforløb og på detektion og registrering af bygninger. Dette er opgaver der for det menneskelige øje og den menneskelige hjerne er overkommelige. Imidlertid har automatiseringssuccesen hidtil været til at overse. Dette bunder i den kendsgerning, at de objekter, der forsøges rekonstrueret, er særdeles komplekse sammenholdt med det tilgængelige datamateriale. Ofte har metoderne kun virket i bestemte målforhold, på bestemte data-

Problemer ved automatisk kortlægning Som antydet indledningsvis har der gennem de sidste årtier foregået en del forskning inden for området automatisk kortlægning. Hovedvægten har været på automatisk objektgenkendelse og -udtræk, foretaget på baggrund af flybilleder eller alternative remote sensing datakilder (fx radarbilleder, optiske satellitbilleder, laserhøjdemodeller).

Perspektiv nr. 8, 2005

typer og under helt specielle forhold. En af grundene hertil er, at der udelukkende er benyttet én datakilde fx radiometriske data, hvilket giver en begrænsning i sig selv: når det menneskelige syn klassificerer et billede, detekterer og rekonstruerer objekter fx bygninger, benyttes ikke kun farveinformationen, men også rumlige indikatorer (stereo) og størrelsesforhold. Et andet svært overkommeligt problem er det faktum, at der altid i billeddata forekommer objekter der ikke er komplette, fx fordi der skygges for dem af andre objekter. Dette er kun et mindre problem for den menneskelige synsprocessering, som kan forestille sig de manglende komponenter og dermed klassificere billedet korrekt. At udstyre en computeralgoritme med blot tilnærmelsesvist tilsvarende kognitive egenskaber er langt fra trivielt!

2) Verifikation og ændringsbeskrivelse i kombination med søgning efter nye objekter. Ændringsudpegning af type 1 har bl.a. været anvendt med nogen succes, til opdatering af vej og bygningstemaer i det schweiziske kortopdateringsprojekt ATOMI (Eidenbenz et al., 2000; Zhang et al., 2001; Niederöst, 2001). Ændringsudpegning af type 2 er den klart vanskeligste opgave, men i de fleste tilfælde også den mest ønskværdige i forbindelse med kortopdatering. Nedenfor præsenterer vi en type 2 metode som er repræsentativ for en klasse af metoder udviklet på Kort & Matrikelstyrelsen indenfor det sidste par år (Knudsen & Olsen, 2003; Olsen, 2004; Olsen, 2005)

Ændringsudpegning i bygningstemaet i TOP10DK Bygningstemaet i TOP10DK er et meget vigtigt tema, hvor kravene til aktualitet og fuldstændighed til stadighed forøges. Det er derfor nærliggende at forsøge at automatisere opdateringsprocessen for netop dette tema. Da fuldstændigheden er meget vigtig er det ikke nok at verificere eksisterende objekter; derfor må vi tage udgangspunkt i en algoritme for ændringsudpegning af type 2.

For at kunne detektere bygninger automatisk er det nødvendigt at kunne beskrive dem, dvs. at skabe en objektmodel, som kan benyttes til at klassificere, detektere og evt. registrere på baggrund af det til rådighed værende datagrundlag.

Ændringsudpegning I denne artikel koncentrerer vi os om ændringsudpegninger, ikke om komplet automatisk kortlægning. Vi tager udgangspunkt i eksperimenter med ændringsudpegning mellem på den ene side bygningstemaet i Kort & Matrikelstyrelsens TOP10DK-database og på den anden side nyt datamateriale i form af farve-infrarøde flyfotos.

Grundlæggende findes der to væsensforskellige former for ændringsudpegning: 1) Verifikation og ændringsbeskrivelse udelukkende for allerede registrerede objekter.

Figur 1: Spektralt og geometrisk kan bygninger være meget forskelligartede. Ved automatiseret ændringsudpegning tager vi derfor udgangspunkt i to (af de få) parametre bygninger har til fælles: de ligner ikke vegetation og de rager op over terræn (jvf. Nederste højre billede, som viser en højdemodel).

47

Perspektiv nr. 8, 2005

Figur 1 viser almindelige farveflyfotos af en række bygninger. Det er oplagt at der er tale om en diffus gruppe, hvor både form og farve varierer meget. Dermed er det vanskeligt at beskrive bygninger ved hjælp af form og farveparametre, da de ikke adskiller sig markant fra omgivelserne.

Betragter man derimod bygninger ”med højdebriller”, som vist i figur 2. ses det, at bygninger i en eller anden grad rager op over terræn. Benyttes en model der tager udgangspunkt i en overflademodel (DSM, digital surface model) vil det derfor være muligt at detektere bygninger ved at udpege dem som objekter over terræn. Gruppen af objekter over terræn vil dog også inkludere andre objekttyper, fx vegetation, vindmøller og broer. Tilbage står problemet med at

Figur 2: I en billedrepræsentation af en overflademodel (DSM) vil objekter der rager op over terræn (herunder bygninger) fremstå som klatter der er lysere end omgivelserne. Højre halvdel af figuren viser højder langs linjeprofilet markeret med rødt i venstre del. Det meste af profilet repræsenterer en bygning, men to steder rammes terræn. Yderst til højre i profilet observeres et træ. Kan objekter over terræn identificeres automatisk er næste opgave at skelne bygninger fra bl.a. træer og buske.

48

få bortfiltreret disse uønskede objekter.

Nedenfor kommer vi ind på hvordan vegetation kan bortfiltreres ved brug af farveinfrarøde (CIR, colour-infrared) flybilleder, mens andre objekter i vid udstrækning kan elimineres ved brug af metoder hentet fra matematisk morfologi (MM), som er en klassisk disciplin i billedbehandlingslitteraturen (fx Haralick et al., 1987). Vi benytter derfor en bygningsobjektmodel baseret på tre hovedantagelser: 1) Bygninger står over terræn (DSM) 2) Bygninger har en anden spektral respons end vege-

tation i det røde/infrarøde farveområde (CIR) 3) Bygninger har en anden form og størrelse end andre menneskeskabte objekter (MM) For at kunne benytte denne objektmodel har vi brug for digitale farveinfrarøde billeder og højdedata i form af en nøjagtig og tætmasket overflademodel.

Udpegning af objekter over terræn Objekter over terræn kan udpeges ved hjælp af en normaliseret digital overflademodel (nDSM). En nDSM beregnes ved at subtrahere en digital terrænmodel (DTM) fra en

Figur 3: Øverste række viser højdemodeller, nederste række de tilhørende linjeprofiler. Objekter over terræn kan detekteres via en normaliseret digital overflademodel (nDSM). En nDSM beregnes ved at subtrahere en digital terrænmodel (DTM) fra en digital overflademodel (DSM) . I tilfældet vist her estimeres DTMen ud fra DSMen ved en filtrering baseret på matematisk morfologi. Herved kan objekter over terræn detekteres direkte i en DSM uden brug af yderligere data.

Perspektiv nr. 8, 2005

digital overflademodel (DSM) som illustreret i figur 3.

For at undgå problemer med co-registrering mellem DSM og DTM er det en fordel hvis DTMen kan genereres direkte ud fra DSMen. I en artikel af Weidner og Förstner (1995) beskrives hvordan dette kan gøres med brug af matematisk morfologi.

Overflademodellen benævnes z(x,y). Først foretages en minimumsfiltrering af DSMen med et strukturelement B.

z1 min z x , y x , y

skrevne rækkefølge, betegnes i matematisk morfologi som åbning. Ved morfologisk åbning sker der bl.a en blødgøring af højdespring og en eliminering af mindre fremspring. Metoden er stærkt afhængig af arealet af det valgte strukturelement. For at sikre at alle bygninger elimineres, skal B mindst have samme størrelse som den største bygning i området.

Figur 3 viser hvordan åbning benyttes til at estimere en terrænmodel. Venstre søjle viser øverst overflademodellen (DSM) og nederst et tilhørende højdeprofil. Midterste søjle viser øverst den estimerede overflademodel (DTM) og nederst profiler for DTM (i rødt) og DSM (i blåt).

Højre søjle viser øverst den normaliserede højdemodel (nDSM) og nederst det til-

B

Herved tildeles den mindste højde inden for et givent areal B til det centrale ”højdeelement” i arealet. Denne operation betegnes i matematisk morfologi som erosion.

Minimumsfiltreringen følges af en maksimumsfiltrering, igen ved brug af det samme strukturelement B:

z2 max z1 x , y x , y

B

Ved denne filtrering tildeles den maksimale af de minimale højder inden for et givent areal B til det centrale ”højdeelement”, hvorved den resulterende model trækkes opad og dermed kommer til at give et realistisk bud på en terrænmodel. Operationen kaldes dilation.

De to operationer erosion og dilation, foretaget i den be-

Figur 4: Udpegning af potentielle bygningsobjekter og ændringsudpegning. Øverst t.v: CIRfoto og bygningsregistreringer. Øverst t.h: objekter over terræn fra nDSM. Midten t.v: vegetationsdækkede overflader i sort, baseret på NDVI fra CIRfoto. Midten t.h: potentielle bygningsobjekter (se hovedtekst).

Nederst t.v: ændringsudpegning (nye bygninger i hvid, nedrevne bygninger i sort, ingen ændring i grå). Nederst t.h: ændringsudpegning i vektorform overlejret på CIRfoto (grøn=ny bygning, rød=nedrevet bygning).

49

Perspektiv nr. 8, 2005

hørende profil. Som det ses af figuren, er det muligt ved simpel ”tærskelfiltrering” at udpege objekter, der rager en vis højde over terrænet.

For at undgå for megen støj er det i praksis nødvendigt at operere med en tærskelværdi på omkring 2 meter.

Resultatet af en sådan tærskelfiltrering vises i øverste højre del af figur 4.

Elimination af vegetationsdækkede objekter Det næste skridt er at eliminere vegetationsdækkede objekter. Det har været kendt siden 1970erne, at ve-getation kan detekteres med brug af farveinfrarøde billeder: CIR-billeder indeholder en nærinfrarød, en rød og en grøn farvekanal.

Den røde og den nærinfrarøde kanal kan benyttes til at beskrive rask vegetation, (dvs. ikke tørkeplaget), idet klorofyl er stærkt reflekterende i nærinfrarøde bølgelængder og stærkt absorberende i røde bølgelængder.

Det normaliserede differens vegetationsindex, NDVI, (Tucker, 1979) er en klassisk formulering af denne egenskab: NDVI = (infrarød – rød) / (infrarød + rød) Værdierne for NDVI ligger i intervallet fra -1.0 til 1.0.

Høje værdier indikerer vegetationsdækkede overflader.

I figur 4 vises i øverste venstre hjørne et CIR-billede af et testområde i Kongens Lyngby nord for København.

50

Under CIR-billedet vises (i sort) områder med NDVI større end 0.1; disse områder fortolkes som vegetationsdækkede. Den egentlige objektelimination (som vises i midten af højre søjle i figur 4) forekommer ved at tage fællesmængden af objekter over terræn (fra nDSM) og ikke-vegetationsdækkede områder (fra NDVI).

Forfining af resultatet Det ses, at vegetation nu er frasorteret, og at bygningerne står tilbage, men at der stadig er en del støj i form af objekter, der ikke er bygninger (bl.a. broer). Det sidste skridt er nu at eliminere disse objekter. Dette er til dels muligt ved at opstille kriterier angående bygningers størrelse og form.

Når kriterierne opstilles er det vigtigt at tage hensyn til registreringsinstruksen for den kortdatabase, der skal opdateres. I tilfældet TOP10DK fx ved at frasortere objekter der er mindre end 25m2. Objekter der er meget tynde og aflange (veje der ligger på en dæmning, broer) kan til dels også frasorteres på denne måde. Ændringsudpegning Den egentlige ændringsudpegning med henblik på opdatering af kortdatabasen fortages ved at sammenholde de detekterede potentielle bygninger med kortdatabasens registreringer. Resultatet af en sådan sammenligning er vist i nederste række af figur 4.

Det ses, at alle ændringer i bygningstemaet er detekteret, så kravet til fuldstændighed er opfyldt. Derudover forekommer en del ”falske alarmer” hovedsageligt i form af signalering af ikke-eksisterende nye bygninger.

De falske alarmer falder i 6 forskellige klasser: 1) Co-registreringsfejl, som resulterer i lange, tynde restfejl, som til dels kan elimineres ved matematisk morfologisk filtrering.

2) Tidsfaktor, eller temporal co-registreringsfejl: det at en bygning kun forekommer i et af datasættene (DSM og CIR) fordi den er opført eller nedrevet i perioden mellem de to datasæts optagelse.

3) Begrænsninger i objektmodellen: bygninger med vegetationsdækket tag kan ikke repræsenteres i objektmodellen.

4) Uoverensstemmelser mellem objektmodel og registreringsinstruks: objektmodellen kan ikke skelne mellem bygning og halvtag, hvilket giver problemer ved fx benzintanke eller cykelskure.

5) Broer bliver udpeget som bygninger, da de står over terræn. Her er igen tale om en begrænsning i objektmodellen.

6) Stier/veje på dæmninger udpeges ligeledes som bygninger. I nogle tilfælde kan de bortfiltreres på baggrund af størrelse/form-kriterier.

Endnu engang er der tale om en

Perspektiv nr. 8, 2005

fundamental begrænsning i objektmodellen.

En mere gennemgribende gennemgang af metoden, herunder de falske alarmer, kan findes i Olsen (2005).

Konklusion Vi har præsenteret en metode til automatisk ændringsudpegning og har vist, at den med de rette datakilder kan udpege alle ændringer i bygningstemaet i TOP10DK. Der forekommer stadig for mange ”falske alarmer” til at metoden er anvendelig i operationel skala. I det præsenterede tilfælde gør metoden brug af laserscanningsdata, hvilket gør den økonomisk vanskeligt gennemførlig.

Imidlertid er metoden ikke afhængig af den høje præcision som en laserscannet højdemodel tilbyder. Eksperimenter med brug af højdemodeller genereret ved automatisk korrelation i scannede flyfotos 1:25000 har dog ikke været succesfulde – den opnåelige præcision er ikke høj nok.

Det må derimod forventes, at det med fremkomsten af fuldt digitale (og dermed mere støjsvage) flyfotos vil blive muligt at autogenerere fotogrammetriske digitale højdemodeller med tilstrækkelig præcision.

Dette vil også i høj grad elimi-

nere problemer med rumlig og tidslig co-registrering.

Referencer Christoph Eidenbenz, Christoph Kaeser & Emmanuel Baltsavias: ATOMI—Automated reconstruction of topographic objects from aerial images using vectorized map information, International archives of photogrammetry and remote sensing XXXIII(B3):462—471, 2000 Robert M. Haralick, Stanley R. Sternberg og Xinhua Zhuang: Image Analysis Using Mathematical Morphology. IEEE transactions on pattern recognition and machine intelligence, PAMI— 9(4):532—550, 1987 Thomas Knudsen & Brian Pilemann Olsen: Automated change detection for updates of digital map databases. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing, 69(11):1289—1296, 2003 Markus Niederöst: Automated update of building information in maps using medium-scale imagery (1:15,000). I E. P. Baltsavias, A. Grün & L. V. Gool (red.): Automatic Extraction of Man-Made Objects from Aerial and Space Images (III), Rotterdam: A. A. Balkema, 2001

International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences XXXV(B2):569—574, 2004 Brian Pilemann Olsen: Maintenance of Digital Topographical Map Databases—Change Detection. København: Kort & Matrikelstyrelsen, Teknisk Rapport nr.

27, 176 pp., 2005 C. J. Tucker: Red and photographic infrared linear combinations for monitoring vegetation.

Remote Sensing of the Environment, 8(2):127—150, 1979.

U. Weidner og W. Förstner: Towards automatic building extraction from high resolution digital elevation models. ISPRS Journal of Photogrammety & Remote Sensing, 50(4):38—49, 1995 C. Zhang, E. Baltsavias & A. Grün: Updating of cartographic road databases by image analysis. I E. P. Baltsavias, A. Grün & L. V. Gool (red.): Automatic Extraction of Man-Made Objects from Aerial and Space Images (III), Rotterdam: A. A. Balkema, 2001 Noter Rettigheder til flyfotos: Kort & Matrikelstyrelsen, rettigheder til højdedata: COWI.

Brian Pilemann Olsen: Automatic Change Detection for Validation of Digital Map Databases.

Om forfatterne Brian Pilemann Olsen, Metodeudvikler, cand. polyt., ph.d, Kort & Matrikelstyrelsen, Rentemestervej 8, 2400 København NV, bpo@kms.dk Thomas Knudsen, Seniorforsker, cand. scient., ph.d., Danmarks Rumcenter, Juliane Maries Vej 30, 2100 København Ø, tk@spacecenter.dk Kristian Keller, Geodæt, cand. scient., COWI, Parallelvej 2, 2800 Kongens Lyngby, krke@cowi.dk

51