Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF)

Verbundprojekt: Entwicklung und Validierung interferometrischer und radargrammetrischer Bildanalysemethoden zur automatisierten Extraktion und Charakterisierung von 3D Gebäudestrukturen für energie- und krisenrelevante Geoinformation

BMWi-Verbundantrag mit EIfER

Das Hauptziel dieses Verbundprojektes ist die Entwicklung TanDEM-X-spezifischer Bildanalyseverfahren zur automatisierten Erfassung und Änderungskartierung von Gebäudestrukturen. Das Resultat soll eine objektbasierte Beschreibung des Szeneinhaltes sein, auf deren Basis gebäudespezifische Analysen durchgeführt werden können. Hierbei soll insbesondere das Verwertungspotenzial von monotemporalen TanDEM-X Daten für die flächendeckende Energiebilanzierung von Gebäuden demonstriert werden. Eine Erweiterung auf multitemporale Daten soll der raschen Gewinnung von Änderungskartierungen dienen, die als Kriseninformation z.B. während Überschwemmungen oder nach Erdbeben extrem wichtig sind.

Um eine optimale wissenschaftliche Durchführung und Verwertung der Projektarbeiten zu gewährleisten, ist dieses Projekt als Verbundvorhaben zweier Partner – Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (IPF) des KIT und European Institute for Energy Research (EIfER) – mit ausgewiesener Expertise in den Bereichen SAR-Fernerkundung und Geoinformatik-gestütztes Energieplanung und -management konzipiert.

Im ersten Projektjahr wurde schwerpunktmäßig die Verarbeitungskette für die TanDEM-X-Daten entwickelt und die Gebäudesignatur in den High-Resolution Daten analysiert. Die entsprechende interferometrische Verarbeitungskette ist wie in Abbildung 1a aufgebaut. Der zweite Schritt – die Co-Registrierung – muss für diese neuen TanDEM-X-Daten nicht durchgeführt werden, da subpixelgenau registrierte Bildpaare geliefert werden. Im Anschluss erfolgten die Interferogrammberechnung und die Subtraktion des Flachen-Erde-Anteils. Die letzteren beiden Schritte wurden zusammen mit unserem Kooperationspartners Fraunhofer IOSB umgesetzt. Ein entsprechend prozessiertes Interferogramm ist in Abbildung 1b,c dargestellt.

 


a

 
b
  c
Abb. 1: Verarbeitungskette (a), HighResolution Spotlight Interferogramm von Paris – Intensitätsbild (b) und Phasenbild (c)

Die Signatur von Gebäuden wurde in Intensitäts-, Kohärenz- und interferometrischen Phasenbildern untersucht. Dabei konnten für die wichtigsten Signaturbereiche (veranschaulicht in Abbildung 2) – Layover (rot), Cornerlinie (gelb), Dachfläche (blau) und Schatten (weiß) – markante radiometrische und geometrische Eigenschaften identifiziert werden.

 


Abb. 2: Charakterisierung von Gebäudemerkmalen in Intensitäts-, Kohärenz- und Phasenbild

 

Intensität: Die Layover-Flächen zeichnen sich in der Regel durch kontrastreiche Muster aus, die durch regelmäßige Fassadenstrukturen hervorgerufen werden. Im Anschluss daran ist eine helle Linie erkennbar, die durch Zweifachreflexionen zwischen Gebäudewand und vorgelagerter Bodenfläche zustande kommt. Die blau markierte Dachfläche weist in den Intensitätsdaten mittlere Werte auf. Der anschließende Schattenbereich ist durch niedrige Intensitätswerte charakterisiert.

Kohärenz: Die Layover-Gebiete sowie die Cornerlinien zeigen im Kohärenzbild (mittleres Bild, Abbildung 2) hohe Werte. Abhängig vom Material kann der Dachbereich niedrige bis hohe Kohärenzwerte beinhalten. Der Schattenbereich von Gebäuden ist durch Signalrauschen dominiert und weist deshalb eine niedrige Kohärenz auf.

Phase: Die interferometrischen Phasen, dargestellt im dritten Bild der Abbildung 2, sind in der Regel durch einen linearen Rampenverlauf gekennzeichnet, der von near-range zu far-range abnimmt. Die Cornerlinie zeigt einen konstanten Phasenwert, welcher der lokalen Geländehöhe entspricht. Die Phasen innerhalb der Dachfläche sind für ein Flachdachgebäude auch konstant, korrespondieren aber zur Dachhöhe. Die von Signalrauschen bestimmte Schattenfläche weist gleichverteilte Phasenwerte auf.

Form: Neben der radiometrischen und interferometrischen Signatur ist auch die geometrische Form dieser Signaturanteile sehr charakteristisch, wenn man quaderähnliche Gebäude voraussetzt. Die Layover-Flächen entsprechen Parallelogrammen, die in slant-range-Richtung abgegrenzt sind. Die L-förmigen Cornerlinien beschreiben, ergänzt zu einem Parallelogramm, den tatsächlichen Grundriss des Gebäudes. Die Dachfläche entspricht einem Parallelogramm und die Schattenfläche einer Gruppe von Parallelogrammen.

Diese Analyseergebnisse sind in Abbildung 2 tabellarisch zusammengefasst und werden bei der Definition des Gebäudemodells sowie bei der Entwicklung des Rekonstruktionsansatzes berücksichtigt.