Automatisierte Einzelbaumextraktion im Forst: Analyse und Optimierung von Aufnahmeparametern und Prozessierungsschritten von der Luftbildaufnahme bis zum attributierten Einzelbaum

Abstract

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Extraktion von Einzelbäumen aus hochauflösenden digitalen True Orthophoto Mosaiken (TOM) und photogrammetrisch abgeleiteten Digitalen Oberflächenmodellen (DOM). Die Untersuchungen zur Ableitung von Einzelbäumen erfolgt dabei auf zwei Ebenen. In einer der eigentlichen Einzelbaumextraktion vorangestellten Analyse der verwendeten Datengrundlagen erfolgt eine systematische Auswertung des Einflusses der Eingangsdaten auf die Genauigkeit der Extraktionsergebnisse. Auf dieser Untersuchung aufbauend wird ein Verfahren vorgestellt, mit welchem Einzelbäume aus hochauflösenden Luftbildern und Digitalen Oberflächenmodellen abgeleitet werden können. Der Einfluss der Qualität der Eingangsdaten für eine Einzelbaumextraktion wurde bisher noch nicht wissenschaftlich untersucht. Im Rahmen der Arbeit wird von der Hypothese ausgegangen, dass die eingesetzten Datengrundlagen das Extraktionsergebnis maßgeblich beeinflussen. Die Datenqualität von Luftbildern und photogrammetrisch abgeleiteten Digitalen Oberflächenmodellen hängt maßgeblich von den Befliegungs- und Prozessierungsparametern ab. Zur Überprüfung der Forschungshypothese erfolgt daher eine systematische Auswertung aller relevanter Befliegungs- und Prozessierungsparameter. Zu den untersuchten Befliegungsparametern gehört die Bodenauflösung, die Brennweite, die Längs- und Querüberlappung sowie die Flugrichtung. Anhand dieser Parameter erfolgen eine statistische Auswertung zum Einfluss dieser auf die Qualität der Digitalen Oberflächenmodelle sowie darauf aufbauend Empfehlungen für die Planung von Luftbildbefliegungen für Waldgebiete. Einen besonderen Stellenwert in der Ableitung der DOM hat der Einschneidewinkel. Dieser hängt direkt von der Brennweite und der Überlappung der Einzelbilder ab. Die Untersuchungen der verschiedenen Kamerasysteme haben gezeigt, dass der optimale Einschneidewinkel für Waldgebiete zwischen 5 und 10 Grad liegt. Darüber hinaus eignen sich Kamerasysteme mit einer längeren Brennweite aufgrund der geringeren perspektivischen Verkippung von erhöhten Objekten zu Rand hin besser für die Ableitung von DOM in Waldgebieten. Neben der Brennweite und Bildüberlappung bestimmt auch die gegebene Bodenauflösung das Ergebnis der DOM maßgeblich. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die optimale Bodenauflösung zwischen 15 cm und 20 cm liegt. In einem zweiten Teil wird eine Methode zur Einzelbaumextraktion vorgestellt. Aufbauend auf einem Baummodell, welches alle für die Ableitung relevanten Information enthält, wird unter Verwendung der geometrischen Informationen aus dem Digitalen Oberflächenmodell und den spektralen Informationen aus dem Luftbild die Einzelbaumextraktion durchgeführt. Die Ableitung der Einzelbäume erfolgt wiederum zweigeteilt. Zunächst werden mit Hilfe einer GIS-gestützten Focal Statistics Analyse die Baumspitzen extrahiert. Diese werden in einem daran anschließenden Region Growing Verfahren als Ausgangspunkte für die Ableitung der Baumumringe verwendet. Dabei wird ein Schwerpunkt auf die Ableitung von Laub- und Nadelbäumen gesetzt. Aufgrund ihres Habitus lassen sich mit der vorgestellten Methode Nadelbäume mit sehr hohen Vollständigkeiten und Korrektheiten ableiten. Aufgrund ihrer geometrischen Form stellt die Extraktion von Laubbäumen bis heute eine große Herausforderung dar. Mit der vorgestellten Methode können auch Laubbäume mit hohen Genauigkeiten extrahiert werden, allerdings liegt die Genauigkeit der Laubbaumextraktion unter der der Nadelbaumextraktion.

The topic of this thesis is the extraction of single trees from high- resolution digital images using True Orthophoto Mosaics (TOM) and photogrammetic derivated digital surface models (DOM). Within this study the single tree derivation research was developed on the basis of two sections. In the first section a systematic evaluation was preceded by an actual analysis of the basic data and was carried out in order to figure out if input data can influence the correctness of the extraction results. In the second section on the basis of this evaluation a new developed method for the detection of single trees from high resolution aerial images and digital surface models shall be presented within this thesis. The influence of the input data’s quality for the extraction of single trees has never been scientifically examined. The basis within this study is the assumption that the used input data is significantly influencing the results of single tree extraction. The data quality of aerial images and photogrammatic derivated digital surface models are highly depended on image flight and processing parameters. In order to proof the research hypothesis a systematic evaluation of every relevant image flight and processing parameter is carried out within this study. Ground resolution, focal length, vertical and horizontally overlapping as well as direction of flight are part of the flight’s parameter. Based on a statistical evaluation on the basis of these parameters concerning its influences on the quality of digital surface models recommendations for planning image flights of woodlands are made. The angle of view which depends on focal length and the overlapping of single images is very important for the derivation of DOM. The evaluation of different camera systems showed that the optimum angle of view for woodlands lays between 5 to 10 degrees. In addition to that camera systems with a long focal length are more suitable for the derivation of DOM in woodlands because of its low perspective tipping of raised objects to its edge. Besides focal length and picture overlapping the given ground resolution is a very decisive fact for the result of DOM. Examinations show that the optimum ground resolution lays between 15 and 20 cm. In the second part of this thesis a method for single tree extraction is presented. Based on a tree model - which includes all relevant information for the derivation of trees - the single tree derivation is carried out using geometric data of digital surface models and spectral data of aerial images. Thereby the single tree derivation is divided into two parts. First tree tops are extracted with the help of a GIS based Focal Statistics Analysis. Afterwards the extracted tree tops are used as initial points for the region growing approach in order to derivate tree rings. Doing so special emphasis is put on the derivation of deciduous and conifer trees. Because of its habitus using the presented method conifer trees can be derivated with very high completeness and correctness. Due to its geometric form the extraction of deciduous trees is still a big challenge until today. With the presented method deciduous trees can also be extracted with a high correctness, but the correctness of deciduous trees extraction is still lower than the extraction of conifer trees.