Prinzipien und Prozesse der Fernerkundung und Satellitenbildverarbeitung

Was ist Fernerkundungsbildverarbeitung?

Fernerkundungsbilder enthalten eine Fülle von Informationen, die erst nach der Digitalisierung (Abtastung und Quantisierung durch das Bildgebungssystem sowie digitale Speicherung) effektiv analysiert und extrahiert werden können. Die weitere Verarbeitung der Bilddaten, wie die Korrektur von Ausrichtungskoordinaten und die Hervorhebung von Konturen, kann die Genauigkeit der Bildverarbeitung und die Effizienz der Informationsgewinnung erheblich verbessern. Dieser Prozess wird als „digitale Fernerkundungsbildverarbeitung“ bezeichnet.

Als grundlegender und wichtiger Bestandteil der Erdbeobachtung nimmt die Fernerkundungsbildverarbeitung eine entscheidende Stellung in der Wertschöpfungskette der Satellitenanwendungsindustrie ein und fungiert als Bindeglied zwischen vorgelagerten und nachgelagerten Sektoren. Sie verbindet sich mit Satellitenbodenstationen und stellt im Hintergrund sofort nutzbare Datendienste oder Werkzeuge für spezifische Geschäftsanwendungen in Branchen wie Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Meteorologie und Rohstoffgewinnung bereit.

Workflow zur Verarbeitung von Fernerkundungsbildern

Datenspeicherung und -verwaltung

System zur großflächigen Aggregation, Verwaltung, Speicherung und Verteilung von Fernerkundungsdaten

Die von der Bodenstation empfangenen Rohdaten werden fotografisch verarbeitet, transformiert und digitalisiert, entweder auf Positivfilm oder computerkompatiblem Magnetband. Die so entstandenen Fotos werden anschließend in Alben gebunden und katalogisiert, damit die Nutzer sie auswählen können.

Bildvorverarbeitung

Die Verarbeitungsanlagen dienen der geometrischen und radiometrischen Korrektur systematischer Fehler in Fernerkundungsbildern, wie z. B. geometrischer Form- und Positionsfehler sowie Fehlern in den radiometrischen Intensitätsinformationen des Bildes.

Diagramm des geometrischen Korrekturprinzips

Geometrische Korrektur

Bei Fernerkundungsaufnahmen führen Faktoren wie die Verformung des fotografischen Materials, Linsenverzerrung, atmosphärische Refraktion, Erdkrümmung, Erdrotation und topografisches Relief dazu, dass die geometrische Position, Form, Größe, Abmessungen, Ausrichtung und andere Merkmale von Bodenmerkmalen im Originalbild häufig nicht mit den tatsächlichen Merkmalen der Bodenmerkmale übereinstimmen. Diese Diskrepanz wird als geometrische Deformation oder geometrische Verzerrung bezeichnet.

Die geometrische Korrektur dient der Behebung der Ursachen geometrischer Verzerrungen. Bevor die Daten an die Nutzer übermittelt werden, verwendet die Bodenstation herkömmliche Verarbeitungsmethoden und empfängt gleichzeitig Informationen über die Betriebslage, die Sensorleistungskennzahlen, die atmosphärischen Bedingungen und den Sonnenstand aus den Bildern. Mithilfe mathematischer Modelle werden diese geometrischen Verzerrungen korrigiert und beseitigt, um eine präzise Positionierung zu gewährleisten.

Vor der geometrischen Korrektur – Nach der geometrischen Korrektur

Strahlungskorrektur

Es bezeichnet die Korrektur systematischer und zufälliger Strahlungsverzerrungen oder -aberrationen, die durch äußere Faktoren in Datenerfassungs- und Übertragungssystemen verursacht werden, sowie den Prozess der Beseitigung oder Korrektur von Bildverzerrungen, die durch Strahlungsfehler verursacht werden.

Die radiometrische Korrektur bezeichnet den Prozess der Beseitigung verschiedener, mit der Strahlung verbundener Verzerrungen in Bilddaten. Die Verarbeitungsstation empfängt die Rohdaten von der Empfangsstation, liest sie in das Bildverarbeitungssystem ein und zerlegt sie zunächst in separate Dateien: Rohdaten des Fernerkundungsbildes und Telemetrie-Zusatzinformationen. Anschließend wird, basierend auf dem aus der Strahlungstransportgleichung abgeleiteten radiometrischen Fehlerkorrekturmodell für Fernerkundungsbilder und unterstützt durch die Hard- und Software des Bildverarbeitungssystems, die systemweite radiometrische Korrektur durchgeführt.

Kurz gesagt geht es darum, Sensor- oder atmosphärisches "Rauschen" zu entfernen, um die Bodenverhältnisse genauer darzustellen und die Bildqualität zu verbessern, vor allem durch die Wiederherstellung fehlender Daten, die Beseitigung von Dunst oder die Vorbereitung auf die Mosaikierung und die Überwachung von Veränderungen.

Vor und nach der Strahlenkorrektur

Bildverbesserung

Histogramm vor und nach der Dehnung

Um die Lesbarkeit von Bodenmerkmalen in Fernerkundungsbildern zu verbessern und relevante Objekte besser hervorzuheben, ist eine Bildverbesserung erforderlich. Diese umfasst im Wesentlichen Schritte wie Kontrastverstärkung, Farbkomposition, Histogrammtransformation, Dichtesegmentierung, Graustufeninversion, Bildbearbeitung, Bildfusion, Bildzuschnitt, Bildzusammenfügung und Mosaikierung mit Farbabgleich.

Informationsgewinnung

Die Merkmale von Objekten in Fernerkundungsbildern beruhen auf den Unterschieden in der elektromagnetischen Strahlung dieser Objekte im Bild. Die Identifizierung von Art, Eigenschaften, räumlicher Lage, Form, Größe und anderen Attributen von Objekten anhand der Merkmale im Fernerkundungsbild wird als Fernerkundungsinformationsextraktion bezeichnet.

Zu den aktuellen Methoden der Informationsgewinnung zählen visuelle Interpretation und computergestützte Klassifizierung. Die visuelle Interpretation ist dabei die am häufigsten angewandte Methode.

• Visuelle Interpretation

Auch bekannt als manuelle Interpretation, beinhaltet sie die manuelle Auswertung von Fernerkundungsbildern, das Skizzieren der Ausdehnung von Zielmerkmalen auf den Bildern und das Extrahieren von Informationen.

• Bildklassifizierung

Es handelt sich um den Prozess der Klassifizierung aller Pixel eines Bildes in verschiedene Kategorien anhand ihrer Eigenschaften, basierend auf den spektralen Charakteristika von Objekten am Boden, sowie der Bestimmung der Diskriminierungsfunktion und der entsprechenden Diskriminierungskriterien. Die wichtigsten Methoden sind die überwachte und die unüberwachte Klassifizierung.

Als wichtiger Bestandteil der Industrialisierung von Erdbeobachtung und Fernerkundung ist auch die Fernerkundungsdatenverarbeitung, die sich im mittleren und nachgelagerten Bereich der Branche befindet, vom Zeitalter der Big Data betroffen. Sie reagiert auf diesen Trend und befindet sich im Wandel hin zu Echtzeitfähigkeit, Standardisierung, Skalierbarkeit und Automatisierung.

Heutzutage werden Methoden und Modelle zur Verarbeitung von Fernerkundungsdaten zunehmend wissenschaftlicher. Informationsmodelle und Technologien wie neuronale Netze, Wavelets, Fraktale, kognitive Modelle, geowissenschaftliches Expertenwissen und die Integration von Bildverarbeitungssystemen verbessern die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Fusion, Klassifizierung und Extraktion von Daten aus verschiedenen Fernerkundungsquellen erheblich. Die organische Kombination von statistischer Klassifizierung, Fuzzy-Logik, Expertenwissen und neuronaler Netzwerkklassifizierung bildet einen kombinierten Klassifikator, der die Klassifizierungsgenauigkeit und die Anzahl der Klassen signifikant erhöht. Die Fusion und kombinierte Anwendung mehrerer Plattformen, Schichten, Sensoren, Zeitphasen, Spektren, Winkel und räumlicher Auflösungen ist eine wichtige Entwicklungsrichtung der Fernerkundungstechnologie. Auch die Entwicklung und Anwendung von Modellen für unsichere Fernerkundungsdaten und KI-gestützten Entscheidungssystemen erfordern weitere Forschung.

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