5 Realisierung
Im Folgenden soll anhand des in Abschnitt 4 beschriebenen Verfahrens eine Qualitätsanalyse sowie eine Anpassung der ausgewählten Geländedatensätze an die von der RTCA [RTC05a]
und ICAO [ICA04] geforderten Genauigkeiten für die Area 2 vollzogen werden. Dieser Arbeitsvorgang wird in drei Phasen unterteilt:
• Phase 1: In der ersten Phase wird das betrachtete Datenmaterial in ein Format überführt, das eine Vergleichbarkeit der Informationen zuläßt. Daneben werden die Referenzdaten so vorbereitet, daß sie den notwendigen Informationsgehalt für die anstehenden Analysen bereitstellen, aber dennoch so einfach und übersichtlich wie möglich sind. Ebenfalls wird überprüft, ob die Referenzdatensätze den Ansprüchen einer Verifikationsgrundlage genügen.
• Phase 2: Im Anschluß werden die für den Einsatz in der Luftfahrt identifizierten Datensätze hinsichtlich ihres Fehlers unter verschiedenen Randbedingungen untersucht und die Abweichungen zur Referenz quantifiziert. Die betrachteten Einflußfaktoren sind die Oberflächenbedeckung, die Geländesteigung sowie die Reflektionsintensitäten.
• Phase 3: Aus den in Phase 2 gewonnenen Ergebnissen soll ein „Safety-Buffer“
abgeleitet werden. Sofern notwendig, wird dieser auf die Geländemodelle addiert, um die für Area 2 geforderten Genauigkeiten zu erreichen. Abschließend werden die modifizierten Datensätze nochmals verifiziert, um die Verläßlichkeit des Verfahrens zu überprüfen.
Software ERDAS IMAGINE 8.7 von Leica Geosystems in das gewünschte Format konvertiert.
5.1.2 Verifizierung der Referenzgeländemodelle
Um flächenhafte Höheninformationen zur Analyse und Bewertung der zu untersuchenden Geländedaten bereitzustellen, ist es notwendig Referenzgeländemodelle heranzuziehen.
Jedoch müssen auch diese hinsichtlich ihrer Eignung als Kontrolldatensatz überprüft werden.
Diese Untersuchung kann nur anhand von Kontrollpunkten durchgeführt werden, die allerdings aufgrund ihrer meist begrenzten Anzahl nur einen stichprobenartigen Charakter aufweisen. Sollte der als Referenz verwendete Höhendatensatz von einem kommerziellen Anbieter bereitgestellt werden, besteht neben einer Überprüfung noch die Möglichkeit, die vom Erzeuger angegebenen Qualitätsparameter in die Bewertung einfließen zu lassen.
5.1.2.1 Verifizierung der Referenzhöheninformationen Michelstadt/Odenwald Das in Abschnitt 4.3.3 beschriebene photogrammetrische Höhenmodell wurde mit dem Ziel erstellt, die zu analysierenden Datenquellen für das Untersuchungsgebiet Michelstadt/
Odenwald bewerten zu können. Allerdings muß hierzu bekannt sein, ob das Höhenmodell den Ansprüchen einer Referenz genügt, die zur Verifizierung eines DOM verwendet werden soll.
Neben den während der Orientierung des Bildmaterials und Generierung des Höhenmodells üblichen Qualitäts- und Plausibilitätskontrollen [Pau05] [FSL01] wird abschließend der automatische Generierungsprozeß überprüft. Hierzu werden 148 Kontrollpunkte aus dem durch Differential-GPS Paßpunkte geo-referenzierten Luftbilderblock ermittelt. Abbildung 5.1 zeigt die Verteilung der eingemessenen Kontrollpunkte über das Referenzgebiet.
Abbildung 5.1: Lage der Kontrollpunkte im Referenzgebiet Michelstadt
Die einzelnen Punkte wurden durch einen Operator manuell mit Mitteln der Stereo-Photogrammetrie eingemessen und geben die Höhen verschiedener Objekte wieder. Zum einen erfolgten Messungen in der Ebene, die z.B. Wiese, Acker und städtische Freiflächen repräsentieren. Zum anderen werden Punkte auf den Oberflächen von Gebäuden sowie Wäldern betrachtet. Schließlich werden die Kontrollpunkte auf die Oberfläche des Geländemodells projiziert, woraus sich die Differenz zwischen Meßpunkten und Höhenmodell ableiten läßt.
Aus den Ergebnissen kann schließlich die Genauigkeit des Referenzmodells bestimmt werden [HEK05]. Abbildung 5.2 zeigt die Verteilung der Differenzen über die verschiedenen Oberflächentypen. Es läßt sich erkennen, daß die automatische Generierung von Höhendaten in einer stereo-photogrammetrischen Umgebung zuverlässiger für Flächen ohne eine signifikante Bedeckung wie Feld, Wiese und Freiflächen funktioniert als für Bereiche mit Gebäuden oder Wald.
5.1. 25BAnpassung der Formate und Verifizierung der Referenzdaten
Abbildung 5.2: Kontrollpunkt-Referenzmodellvergleich Michelstadt
Auch die in Tabelle 5.1 dargestellten Qualitätsparameter der Kontrollpunkt-Referenzmodell-analyse zeigen, daß die Integrität des Referenzmodells in unbedeckten Bereichen (2D) höher ist als in Bereichen mit einer signifikanten Bedeckung (3D).
Eine Betrachtung des Höhenmodells entlang der verschiedenen Qualitätsparameter zeigt, daß der automatische Generierungsprozeß durchaus zuverlässig arbeitet. Die Standardabweichung der Höhendifferenz bei einem Sigma (σ) liegt bei 1,21 m, der Mittelwert bei 0,22 m und die Genauigkeit bei einem Konfidenzintervall von 90% bei 1,14 m. Aufgrund dieser Ergebnisse kann die Eignung des photogrammetrisch erstellten Geländemodells als Höhenreferenz für die Verifizierung von digitalen Oberflächenmodellen bestätigt werden.
Tabelle 5.1:Analyse Kontrollpunkt-Referenzmodellvergleich Michelstadt
Geländemodell
max.
Diff.2D
[m]
max.
Diff.3D
[m]
σ2D
[m]
σ3D
[m]
σges
[m]
mittl.
Abweich.
[m]
Genauigkeit (90%)
[m]
Photogrammetrie 1,67 7,35 0,42 1,58 1,21 0,22 1,15
5.1.2.2 Verifizierung der DGM5 Höhenmodelle
Die von den Landesvermessungsämtern bereitgestellten DGM5 Geländemodelle sollen zum einen dazu verwendet werden, Neigungskartierungen zu berechnen, aus denen später die entsprechenden Steigungsklassen erstellt werden können. Zum anderen sollen diese Datensätze, sofern es die Qualität der Höheninformationen zuläßt, als Referenzhöhenmodelle verwendet werden. Allerdings kann dies nur mit Einschränkungen geschehen, da die DGM5 Datensätze ein Geländemodell wiedergeben. Da die von den Datenanbietern in Abschnitt 4.3.4 gezeigten Genauigkeitsangaben zum Teil sehr ungenau sind, bedarf es auf jeden Fall einer Verifizierung der Datensätze.
Region Pfronten/Ostallgäu:
Da im Rahmen der vorliegenden Arbeit für den alpinen Bereich im Untersuchungsgebiet Pfronten/Ostallgäu auf keinen Datensatz zugegriffen werden kann, der das Potential für eine Kontrolle hinsichtlich eines DOM anbietet, werden die DGM5 Höheninformationen sowohl für die Neigungskartierung, wie auch als Referenzhöhenmodell benötigt. Aus diesem Grund müssen schließlich aussagekräftige Qualitätsparameter ermittelt werden, die letztendlich eine Bewertung dieses Datensatzes zulassen.
Auch wenn der hier betrachtete Datensatz ein DGM wiedergibt und die zu untersuchenden Datensätze hinsichtlich eines DOM bewertet werden sollen, kann das DGM5 als Referenzmodell jenseits der Baumgrenze und für Gebiete ohne signifikante Bodenbedeckung (z.B. Wiesen) herangezogen werden. Um zu überprüfen, ob die Daten eine Genauigkeit aufweisen, die für ihre Eignung als Referenzwerte spricht, wird das DGM5 ebenfalls mit Hilfe von Kontrollpunkten verifiziert.
Die Kontrollpunkte wurden während einer Vermessungskampagne am 08.07.2007 und 12.07.2007 mit Hilfe eines Leica Differential-GPS (Leica GPS 500) vor Ort aufgenommen.
Die Vermessung erfolgte ohne die Einrichtung eines Referenzmeßplatzes, da die zu einer Ausgleichsrechnung benötigten Korrekturdaten eines Differential-GPS durch die Bayerische Vermessungsverwaltung (BVV) in Form des Datenproduktes SAPOS zur Verfügung gestellt wurden. Die Korrekturdaten wurden von der SAPOS-Referenzstation in Wertach/Allgäu aufgenommen, die sich in ca. 15 km Entfernung von dem Untersuchungsgebiet befindet.
Insgesamt konnten 57 auswertbare Kontrollpunkte eingemessen werden, wobei im Zentrum der Vermessung die Berge Aggenstein sowie der Breitenberg standen. Von besonderem Interesse waren die weitgehend vegetationslosen steilen Abhänge des Aggensteins (siehe Abbildung 5.3).
Abbildung 5.3: Vermessung von Kontrollpunkten am Aggenstein bei Pfronten Außerdem wurden Kontrollpunkte auf der Westseite des Breitenberges sowie in den Tallagen östlich von Pfronten/Meilingen erfaßt. Die Geländeneigungen der vermessenen Regionen des Breitenberges können im Vergleich zu denen des Aggensteins als gemäßigt bezeichnet werden. Bei den eingemessenen Bereichen bei Pfronten/Meilingen handelt es sich um Weidegebiete, die nur geringe Steigungswechsel aufweisen. Insofern drei Abschnitte mit einer unterschiedlichen Charakteristik hinsichtlich ihrer Geländeneigung aufgenommen wurden, ergibt sich die Möglichkeit, anhand der Kontrollpunkte den Einfluß der Gelände-neigung zu untersuchen.
5.1. 25BAnpassung der Formate und Verifizierung der Referenzdaten Bei den vor Ort eingemessenen Kontrollpunkten handelt es sich ausnahmslos um Bodenpunkte. Bei der Vermessung wurde darauf geachtet, daß die Kontrollpunkte an Stellen aufgenommen wurden, an denen keine signifikante Vegetation vorgefunden wurde, um eine Störung der GPS Signale zu vermeiden. Zusätzlich können diese Punkte auch zur Veri-fizierung der SRTM Höhendaten herangezogen werden. Die Verteilung der Kontrollpunkte über das Untersuchungsgebiet bei Pfronten kann Abbildung 5.4 entnommen werden.
Abbildung 5.4: Verteilung der Kontrollpunkte im Untersuchungsgebiet Pfronten Die Bestimmung der Qualitätsparameter erfolgt wie bereits in Abschnitt 5.1.2.1 beschrieben durch eine Projektion der Kontrollpunkte auf das DGM5. Aus den Abweichungen werden die in Tabelle 5.2 dargestellten Qualitätsparameter ermittelt.
Tabelle 5.2:Analyse Kontrollpunkt-DGM5 Höhenmodell/Pfronten
Geländemodell max. Differenz [m]
σ [m]
mittl. Abweichung [m]
Genauigkeit (90%) [m]
DGM5 / gesamt 9,01 2,85 1,35 5,40
Aggenstein 7,92 3,42 3,02 7,85
Breitenberg 9,01 3,24 1,09 5,12
Pfronten/Meilingen 1,81 0,78 0,83 1,55
Die ermittelten Ergebnisse weisen nicht die erhoffte Qualität auf, wie sie für das photo-grammetrisch erstellte Referenzgebiet im Untersuchungsgebiet Michelstadt/Odenwald erreicht wurde. Dabei sollte allerdings berücksichtigt werden, daß die Ergebnisse eines Höhenmodells mit 10 m Stützstellenabstand, insbesondere in Regionen mit großen Steigungs-wechseln, nicht dasselbe Maß an Genauigkeit bereitstellen können wie Geländemodelle mit einer geringeren Rastergröße. Anhand der Unterteilung der Ergebnisse in einzelne Regionen des Vermessungsgebietes zeigt sich, daß mit einer steigenden Rauhigkeit des Geländes die Genauigkeit des Datensatzes abnimmt.
Aus Mangel an Alternativen wird im Rahmen der vorliegenden Untersuchung das DGM5 Höhenmodell dennoch als Referenzdatensatz herangezogen. Allerdings sollen bei den weiteren Analysen, die auf der Basis dieses Datensatzes durchgeführt werden, die gewon-nenen Erkenntnisse mit Hilfe der zur Verfügung stehenden Kontrollpunkte überprüft werden.
Region Michelstadt/Odenwald:
Das für das Untersuchungsgebiet Michelstadt/Odenwald vorliegende DGM5 soll zum einen zur Erstellung der Steigungsklassifizierung herangezogen werden, zum anderen soll dieser Datensatz als Referenz für die Bereiche dienen, die nicht durch das photogrammetrisch erstellte DOM abgedeckt sind. Allerdings kann aufgrund der Tatsache, daß der DGM5 Datensatz nur den nackten Boden wiedergibt, nur eine Verifizierung von Gebieten ohne signifikante Bedeckung wie Ackerland oder Wiesen erfolgen.
Die Bestimmung der Qualitätsparameter erfolgt auch hier mit Hilfe von Kontrollpunkten. Wie bei der Analyse der photogrammetrisch erstellen Höhendaten, werden die mittels eines Operateurs aus der stereo-photogrammetrischen Umgebung eingemessenen Punkte heran-gezogen. Dabei werden für diese Analyse nur Bodenpunkte in Betracht heran-gezogen. Die Qualitätsparameter für das DGM5 des HVBG können Tabelle 5.3 entnommen werden.
Tabelle 5.3: Analyse Kontrollpunkt-DGM5 Höhenmodell/Michelstadt
Geländemodell max. Diff.
[m]
σ [m]
mittl. Abweichung [m]
Genauigkeit 90%
[m]
DGM5/Odenwald 15,76 2,35 0,21 0,80
Für das Untersuchungsgebiet Michelstadt/Odenwald, welches im Vergleich zu dem Untersuchungsgebiet bei Pfronten die moderate Rauhigkeit eines Mittelgebirges aufweist, zeigt sich, daß die Genauigkeit dieses DGM mit der des photogrammetrischen Referenz-oberflächenmodells verglichen werden kann. Soweit Gebiete verifiziert werden sollen, die keine nennenswerte Bedeckung aufweisen, kann somit dieses Modell zu Vergleichszwecken bedenkenlos herangezogen werden.