Proseminar Geoinformation WS 200203 Georeferenzierung Andreas Weinberger 13

Proseminar Geoinformation WS 2002/03 Georeferenzierung Andreas Weinberger 13. 01. 2003 1

Gliederung • Problemstellung der Georeferenzierung • Transformationen • Georeferenzierung - Toolbar • Vorgehen in Arc. Map • Aufgabe 1 • Rektifikation, Resampling • Aufgabe 2 2

Problemstellung Luftbild eines Gebietes: Karte eines Gebietes: Luftbild hat keinen Raumbezug, d. h. keine Weiterverarbeitung, z. B. Abgreifen von Koordinaten möglich. 3

Erklärung Georeferenzierung: Herstellen eines Bezuges von geometrischen Sachverhalten ohne Raumbezug, mit solchen, die in einem bekannten Referenzsystem vorliegen. Beispiel: Luftbild (ohne Raumbezug) Georeferenzierung Bezug zur amtl. Topographische Karte Über identische Punkte müssen die beiden „Bilder“ zur Deckung gebracht werden TRANSFORMATION 4

Bezugherstellung Um einen Bezug herzustellen, müssen folgende Bedingungen erfüllt sein: • Rasterdaten und raumbezogene Daten eines Gebietes müssen vorhanden sein • Identische Punkte (Passpunkte) müssen erkennbar sein Passpunkte sind z. B. : - Straßenkreuzungen - Gebäudeecken - Vermessungspunkte In Arc. Map heißen diese Punkte „links“ 5

Transformation Arc. Map unterstützt: • Affinität • Ähnlichkeit • Projektivität Affine Transformation reicht für die meisten Georeferenzierungen aus. Affinität beinhaltet: Translation Rotation Unterschiedliche Skalierung Scherung 6

Transformationsparameter Affinität: x‘ = Ax + By + C y’ = Dx + Ey + F In Matrizenschreibweise: x‘, y‘ = berechnete Koordinaten des Pixels auf der Karte x = Spaltennummer eines Bildpixels y = Zeilennummer eines Bildpixels A = Dimension eines Pixels in Karteneinheiten in x-Richtung E = Dimension eines Pixels in Karteneinheiten in y-Richtung B, D = Rotation C, F = Translation, x und y Kartenkoordinaten der Pixelmitte der linken oberen Ecke 7

Auswahl der Passpunkte • Punkte gleichmäßig über das Rasterbild verteilen Gefahr der Extrapolation • Optimal: Punkte in den Bildecken Mehr Punkte als mindestens gefordert anwählen: • große Fehler in den einzelnen „links“ fallen dann nicht mehr so stark ins Gewicht wie bei geringerer Anzahl von „links“ • Qualität der Transformation hängt u. a. ab von: • Auflösung des Rasters • Sorgfalt beim Anwählen der Passpunkte • Genauigkeit des Referenzsystems • Beschaffenheit des Geländes Rasters 8

Anzahl der Passpunkte In Arc. Map wird eine Transformationsmatrix aufgestellt, die Koordinaten konvertiert Kommando Rectify - Resample (wird später behandelt) Je nach der „order“ der Transformation ist eine Mindestanzahl von „links“ nötig. Diese lässt sich mit folgender Formel berechnen: ((t+1)(t+2))/2 , t ist hierbei die „order“ Für die möglichen Transformationen ergeben sich : 1 st-order: mind. 3 Passpunkte (Affinität) 2 nd-order: mind. 6 Passpunkte 3 rd-order: mind. 10 Passpunkte 9

RMS (root mean square) Bei Transformationen treten Fehler auf, d. h. transformierte Punkte stimmen nicht zu 100% mit den Ausgangskoordinaten überein. e 1 = Koo. Soll - Koo. Trans RMS-Fehler: • Dieser gibt die mittlere Lagegenauigkeit der einzelnen „links“ an • Maß für die Genauigkeit RMS= , n = Anzahl der „links“ Werden mehr als drei „links“ verwendet gibt es Restfehler (residuals), weil Eindeutigkeit nicht mehr vorliegt. 10

Georeferencing-Toolbar Werkzeug in Arc. Map um das zu georeferenzierende Bild an das gewünschte Kartenformat anzupassen. View – Toolbars - Georeferencing oder Tools – Rechtsklick - Georeferencing Shift, Rotate Auswahl des Rasters Add Control Points View Link Table 11

Funktionen der Werkzeugleiste Dreht und verschiebt das Raster (Ermöglicht leichteres Auffinden von Passpunkten) Bestimmung der identischen Punkte Anzeige der identischen Punkte (RMS-Betrachtung, Auswahl der „links“ kann verändert werden) 12

Vorgehen in Arc. Map Raster und raumbezogene Daten in einen Frame legen Erkenntnis: Straßennetz des Luftbildes passt nicht zu dem raumbezogenen Straßennetz des Shapefiles Ziel ist es das Raster zu georeferenzieren, die Straßennetze zur Deckung zu bringen 13

Suchen der Passpunkte • Suchen der Passpunkte: Erleichterung durch Vergrößerung Link ist hier eine Kreuzung • Add Control Points: Erst Punkt auf Raster, dann Punkt auf Karte wählen, Verschiebevektor wird sichtbar. • Ergebnis: Punkte sind jetzt übereinander (Translation des Rasters) 14

Genauigkeitsbetrachtung Nach Anwählen der Mindestanzahl +1, kann die Güte der Transformation betrachtet werden. Vorher ist der RMS-Fehler = 0. • View Link Table des georeferencing toolbars Fehler der einzelnen „links“ Gesamte mittlere Lagegenauigkeit • Schlechte Punkte können wieder gelöscht werden „Faustregel“: • Je kleiner der RMS, desto besser die Transformation 15

Manuelle Eingabe von Koordinaten Erlaubt es die Auflösung des Bildes, können Koordinaten auch manuell eingegeben werden: 1. Möglichkeit: Link in Raster anwählen (hier Gebäudeecke), Rechtsklick, dann amtliche Koordinaten eingeben. 16

Manuelle Eingabe von Koordinaten 2. Möglichkeit: Passpunkt wie beschrieben bestimmen, View Link Table, XMap und YMap können durch Doppelklick angewählt und eingegeben werden. 17

Speichern der Transformation Ist man mit der Transformation zufrieden, kann sie gespeichert werden: 1. View Link Table 2. Save 3. Transformation wird als txt-Datei gespeichert Datei sieht aus wie das obige Fenster, hat aber keine Linknummer 18

Laden der Transformation Die eben gespeicherten Transformationspunkte können immer wieder benutzt werden, z. B, wenn man: • unabsichtlich die Transformation löscht • die beiden Layer später noch mal aufruft, zwischenzeitlich aber eine andere Georeferenzierung abspeichert • Punkte hinzufügt, die das Ergebnis verschlechtern View Link Table - Load und die entsprechende. txt-Datei aussuchen Bild wird nun wieder angeglichen, nicht georeferenziert! 19

Aufgabe 1 Einfache Transformation und Speicherung Kopiert Euch den Ordner V: GeorefAufgabe 1 in Euer eigenes Verzeichnis! • Öffnet dann in Arc. Map das Raster photo und roads. shp! Das Raster zeigt ein Luftbild von Horse Cave, Kentucky, das Shapefile einen Teil des Straßennetzes des Ortes. • Das Raster soll mit drei „links“ transformiert, nicht georeferenziert werden! • Speichert die Transformation ab! 20

Werkzeugleiste 2 Update Georeferencing: Bild wird belassen, wie es ist – Georeferenzierung in separater Datei Rectify: Das Bild wird mit der Information entzerrt, interpoliert, und als neue Datei abgespeichert Auto Adjust: Nach jedem Link wird das Bild angepasst ( zu empfehlen) Transformation: Auswahl von 1 st, 2 nd oder 3 rd-order Transformation Update Display: Wirkung wie Auto Adjust, falls dieser nicht aktiviert ist Delete Control Points: alle „links“ werden gelöscht Reset Transformation: Transformation wird gelöscht, „links“ bleiben aber erhalten 21

Was sind 1 st, 2 nd, 3 rd-order? • 1 st-order = affine Transformation • Die „order“ ist der Grad des Polynoms, d. h. der höchste Exponent • 1 st-order Transformation: linear • 2 nd-order Transformation: nichtlinear Bei 2 nd-order oder höher, werden Geraden nicht mehr als Geraden abgebildet - „nicht - geradentreue“ Transformationen Entscheidend: - Anzahl der Passpunkte - Beschaffenheit des Geländes 22

Rektifikation - Rectify Der Prozess, mit dem ein Bild aus Bildkoordinaten in Weltkoordinaten konvertiert, d. h. entzerrt und umgerechnet wird. Eine Speicherung ist möglich in den Formaten: • TIFF • ERDAS IMAGINE • ESRI GRID Wieder eine neue Auswahl: Was ist Resample Type ? 23

Resampling Vorgang, durch den bei geometrischer Transformation von Bildern aus einer vorliegenden Grauwertmatrix eine neue berechnet wird. Er ist mit einer Interpolation zwischen den vorliegenden Grauwerten des Eingabebildes verbunden. Input-Raster „links“ Transformation Rectify Resampling Output-Raster Resampling weist den Pixeln des Output-Rasters die Pixelwerte des Input-Rasters zu. 24

Interpolation Beim Resampling unterscheidet man drei Verfahren: 1) Nearest Neighbor Assignment: (für diskrete Daten) Bezogen auf den Mittelpunkt der neuen Zelle wird der Wert der nächsten alten Zelle genommen, um den Wert der neuen Zelle zu bestimmen. 2) Bilinear Interpolation: (für kontinuierliche Daten) Hier wird der Wert des gewichteten Mittels der vier nächsten alten Zellen genommen, um den Wert der neuen Zelle zu bestimmen. 3) Cubic Convolution: (für kontinuierliche Daten) Wie bei 2), nur werden hier die nächsten 16 Zellen berücksichtigt. 25

Erzeugte Dateien nach dem Rectify-Befehl: 1. . tif: das georeferenzierte Raster wird hier als neues Raster abgespeichert 2. . aux (auxiliary): enthält zusätzliche Informationen, die nicht im Raster selbst abgespeichert werden können, z. B. die Farbe, Projektion 3. . rrd (reduced resolution dataset): , wenn vorher Pyramiden gebaut wurden. Pyramiden spielen eine große Bedeutung bei der Darstellung eines Rasters, wenn vergrößert, bzw. verkleinert wird (siehe Vortrag Raster) 4. . tfw-Datei: sogenannte World-Datei (nächste Folie) 26

Inhalt der. tfw-Datei Die. tfw-Datei enthält die sechs bestimmten Transformationsparameter A-F, in der Reihenfolge A, D, B, E, C, F Der erste und dritte Buchstabe wird übernommen, anschließend mit einem w ergänzt. Im Falle von. tif wird daraus. tfw (Namensgebungskonvention für Arbeitsbereiche 8. 3) 27

Aufgabe 2 Georeferenzierung eines Rasters Kopiert Euch den Ordner V: GeorefAufgabe 2 in Euer eigenes Verzeichnis! • Öffnet dann in Arc. Map das Raster photocopy und roads. shp! • Das Raster ist mit 6 Passpunkten zu transformieren! • Rektifiziert das Raster, und resampelt es mit der „bilinearen Intepolation“! • Gebt dem neuen Raster einen Namen, und ladet es danach wieder in Arc. Map! Vorher ist das alte Raster zu entfernen! 28