Geometrische Genauigkeit moderner Satellitenbilddaten


Immer wieder wird die Frage gestellt, wozu braucht man eigentlich kommerzielle und oft auch recht teure Satellitenbilddaten, wo es doch Google Earth oder Bing Maps gibt? Die Frage ist nicht ganz einfach, und vor allem auch nicht generell für alle Anwendungsfälle, zu beantworten. Grundsätzlich kann man sagen, dass die beiden genannten Dienste immer dann hervorragend geeignet sind, wenn es darum geht sich einen Überblick über eine Region zu verschaffen. Für viele Regionen stehen ja sehr hoch aufgelöste Bilddaten zur Verfügung, so dass eine erste Analyse gemacht werden kann.Problematisch wird es immer dann, wenn ein verlässliches und geometrisch genaues Ergebnis benötigt wird. Hier stößt man sowohl bei Google als auch Bing schnell an die Grenzen. Oder besser gesagt man kann nur sehr schwer etwas über die Genauigkeit sagen. Darüber hinaus sind die Daten sehr heterogen und passen an den Schnittkanten oft nicht korrekt überein. Hier findet man sehr häufig einen nicht unerheblichen Versatz an der Schnittkante und hat fast immer große radiometrische Unterschiede in Kauf zu nehmen. Zusammengefasst kann man sagen bei den genannten frei verfügbaren Diensten bekommt man das was man sieht, ohne irgendwelche zusätzlichen Metadaten (Aufnahmezeitpunkt, Aufnahmesensor, etc.)

Ganz anders stellt sich die Situation bei kommerziellen Satellitenbilddaten dar. Hier hat man in der Regel die Möglichkeit die Daten in verschiedenen Verarbeitungsstufen zu bestellen, womit man schon beim Ausgangsprodukt festlegen was für eine Genauigkeit man erwarteten bzw. erreichen möchte. Neben der geometrischen Genauigkeit lässt sich bei der Bestellung meist auch noch der Aufnahmezeitpunkt und/oder eine maximaler „off-nadir Winkel“ festlegen. Auf radiometrischer Seite hat man den Vorteil, dass man die originalen Bilddaten erhält die in der Regel mit 11 Bit, also 2048 Grauwerten, aufgezeichnet werden und somit wesentlich mehr Möglichkeiten gerade an den Rändern des aufgezeichneten Spektrums bieten. Neben der größeren Dynamik der Grauwerte hat man bei kommerziellen Bilddaten in der Regel auch wesentlich mehr spektrale Kanäle zur Verfügung woraus sich ein weitaus größeres Anwendungsspektrum ergibt.

Die Vorteile kommerzieller Datenprodukte für professionelle Fernerkundungsanwendungen liegen also klar auf der Hand, aber wie sieht es nun mit der geometrischen Genauigkeit der Daten aus? Die Satellitenbetrieber geben die geometrische Genauigkeit Ihrer Daten in der Regel in Form des CE90 Fehlers an, d.h. 90 Prozent der gemessenen Punkte haben eine Genauigkeit besser als der Angegebene Wert (siehe hierzu auch eine Beschreibung von DigitalGlobe, Link). Die angegebenen Werte verstehen sich ohne die Nutzung von zusätzlichen Passpunkten, topographische Effekte sind hierbei nicht berücksichtigt. Hier eine Übersicht der Genauigkeit einiger aktueller Systeme:

SEnsor geometrische Genauigkeit CE90
IKONOS ~10 m
QuickBird 23 m
WorldView 1/2 5 m
WorldView 3 3,4 m
Pleiades 8,5 m
SPOT 5/6 35 m
RapidEye 10 m

Wie gesagt, die oben genannten Genauigkeiten verstehen sich ohne zusätzliche Korrekturen. Geliefert werden die Bilddaten in der Regel zusammen mit den entsprechenden Metadaten. Hierbei sind aus geometrischer Sicht für die weitere Verarbeitung vor allem die Sensormodelle zusammen mit den Bahndaten von Interesse. Meist liefern die Datenproduzenten diese Informationen in Form von RPCs (Rational Polynomial Coefficients). Hierbei werden die Bahndaten zusammen mit den Parametern des Sensormodells in form von Polynomen mit 80 Parametern zusammen gefasst. Diese RPS gelten dann für die jeweilige Bildszene. Nähe Informationen zu RPC findet man zum Beispiel hier. Möglich ist das, da die Fluglage beim Satelliten im Gegensatz zum Flugzeug sehr stabil ist, und so eine Vereinfachung als Polynom möglich wird. Es gibt jedoch auch hier Grenzen, und mit zunehmender Streifenlänge einer Szene wird die Approximation ungenauer.

Die Anwendung zeigt, dass die modernen Systeme, allen voran die WorldView Satelliten, inzwischen Daten mit einer hervorragenden Genauigkeit liefern. Will man die Daten jedoch als Grundlage für eine hochgenaue Auswertung verwenden kommt man um eine zusätzliche Geometrische Korrektur nicht herum. Um die vollen Möglichkeiten der Daten zu nutzen empfiehlt es sich, die Daten vor der Auswertung mit Hilfe von Passpunkten und geeigneten Höhenmodellen in eine Kartenprojektion zu überführen (Orthokorrektur). Untersuchungen haben gezeigt, dass so geometrische Genauigkeiten im Bereich der jeweiligen Pixelauflösung der Bilddaten erreicht werden können.

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