2.4 Erkennbarkeit von Objekten
Die Erkennbarkeit von Objekten hängt natürlich sehr stark von dem geometrischen Auflösungsvermögen des Sensors ab (Brennweiten, Flughöhe, Maßstab etc.). Daneben spielen aber auch Faktoren wie Bildkontrast, menschliches Farb- und Objektempfinden sowie dem individuellen Auflösungsvermögen des Auges eine große Roll: Im Gelände sind dies die Eigenschaften von Geo-Objekten und die ihrer Umgebung selbst; d.h. sie müssen sich z.B. durch Größe, Farbe und Form von ihrer unmittelbaren Umgebung deutlich abheben.
Auflösung photographischer Bilder
Das Auflösungsvermögen von Photos hängt von der Filmbeschaffenheit/Sensorgröße, der Brennweite, Objektivverzeichnung und der Flughöhe der Kamera ab. Üblicherweise wird das Auflösungsvermögen über genormte Testtafeln (Abb. 2.4.1) ermittelt, in denen Linienpaare pro qmm aufgetragen sind. In einem Vergleich zwischen Photo und Testtafel wird dann die Grenze der photographischen Auflösung bestimmt (analog zu berücksichtigen ist natürlich die Körnung (Gradation --> Lichtempfindlichkeit! des Films).
Generell nimmt das Auflösungsvermögen zum Rand der Aufnahme hin ab, da hier die Aberration der Optik am stärksten wirkt. Bei Wahl einer kleinen Blendenzahl (große Blendenöffnung!) verliert das Bild zusätzlich an räumlichem Auflösungsvermögen (geringe Schärfentiefe!).
Bei Luftbildern liegt die Auflösungsgrenze etwa bei 20 bis 50 Linienpaaren/mm2. Das menschliche Auge vermag nur 6 Linienpaare/mm2 zu trennen. Deshalb sollten Luftbilder bei maximal 6- bis 8-facher Vergrößerung betrachtet werden. Wichtig ist jedoch, daß auch noch Objekte jenseits der geometrischen Auflösungsgrenze ggf. erkannt werden können, wenn ihr Kontrast gegenüber der Umgebung sehr hoch ist (z.B. Straßenmarkierungen, Boote auf dem Wasser etc.). Liegt zusätzlich eine auffallende geometrische Form des Objektes vor, kann die Erkennbarkeit erneut steigen.
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Abb. 2.4.1: Testtafel zur Bestimmung des Auflösungsvermögens (aus Albertz, 1991) |
Für extreme Anwendungen (z.B. optische Spionageluft- oder Satellitenbilder, wie z.B. KVR-1000) muß eine optimale Kombination von hochauflösender Optik und Filmmaterial/Sensor gefunden werden (Abb. 2.4.2).
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Abb. 2.4.2: Optische KVR-1000 Spionageaufnahme (1000 mm Brennweite/270 km Höhe) eines Stadtgebietes von Berlin (1984) |
Achtung: Werden analoge Luftbilder digitalisiert (gescannt), muß die Scan-Auflösung (dots per inch = dpi) an die Auflösung des Ursprungsbildes angepaßt werden, damit die erzeugten Rasterdaten des Luftbildes die gewünschte Auflösung behält. Üblicherweise werden Scan-Auflösungen zwischen 1000 und 4600 dpi gewählt (vgl. Kap. 3.ff.).
Auflösung von Scanner- und Radarbildern oben
Bei Scannern und Radarsystemen werden die Bilder direkt digital erzeugt und gespeichert. Somit ergeben sich auch andere Auflösungsparameter für die Rasterdaten. Dies gilt auch für das Auflösungsvermögen von digitalen Photos (CCD) oder nachträglich gescannter Photos. Als Maß der geometrischen Auflösung wird bei Rasterdaten die Kantenlänge eines Bildelementes (Pixels) gewählt, so z.B. 30m/Pixel beim TM 5-Scanner oder 10m/Pixel beim ETM (pan). Eine solche Zuordnung ist eindeutig und erleichtert das Arbeiten mit Rasterdaten in unterschiedlichen Zoom-Ebenen. Die Erkennbarkeit von Geo-Objekten steigt natürlich mit der Verkleinerung der Kantenlänge eines Pixels (Abb. 2.4.3) - neue digitale Sensoren erlauben bereits bis zu 300 Linienpaaren/mm2 bzw. cm/Pixel.
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Abb. 2.4.3: Wiedergabe eines Stadtgebietes von Berlin mit Hilfe unterschiedlicher Sensoren: O.l. MSS (80m/p), o.r. TM (30m/p), u.l. SPOT XS (20m/p) und u.r. SPOT P (10m/p), (aus Albertz, 1989) |
Die Abbildungsauflösung von Rasterdaten hängt ganz entscheidend von der Form, Größe und vorhandenem Kontrasreichtum eines Objektes zu seiner Umgebung ab. Innerhalb eines Pixels wird immer nur ein Mischspektrum abgebildet, so daß lediglich spektral dominante Objekte in ihrer geometrischen Kombination von Pixelgruppen ein Objekt differenzierbar machen. Dies gilt i.d.R. nur für Objekte größer der Pixelauflösung des Sensors.
Ist die Größe des Objektes kleiner der Pixelauflösung des Sensors wird das Objekt nur erkannt, wenn es außergewöhnlich hohe Kontraste verursacht. Besonders deutlich werden diese Zusammenhänge bei linienhaften Strukturen wie Straßen, Bahnlinien, Hecken, Schlägen, tektonischen Störungen, etc.. Die Erkennbarkeit dieser Objekte hängt einerseits von ihrer Breite und dem Kontrast zur Umgebung ab, andererseits von der Auflösung des Sensors. Zusätzlich spielen auch zustandekommende Muster eine Rolle für die Differenzierung von Objektgruppen. Dunkle Straßen oder Flußläufe sind aufgrund ihres starken Kontrastes zur Umgebung auch dann noch gut zu erkennen, wenn ihre Breite unterhalb der geometrischen Auflösung des Sensors liegt. Dabei kann die tatsächliche Breite der Straße um das bis zu 5-fache kleiner sein als die eigentliche Sensorauflösung (Abb. 2.4.4)!
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Abb. 2.4.4: Einfluß des Kontrastes auf die Erkennbarkeit von linearen Strukturen unterhalb der Auflösungsgrenze der Pixel. Z.B. Pisten (<5m) und Eisenbahnstrecken (<10m) in der Pilbara-Wüste Westaustraliens auf einem IR TM-Falschfarbenbild (30m/P),(Zumsprekel & Prinz, 1998) |
Der Kontrastumfang ist bei multispektralen Sensoren natürlich auch von dem gewählten Spektrum (Kanal, Band) abhängig. So werden im VIS schmale Wasserläufe kaum erkannt während im IR wesentlich bessere Erkennbarkeiten aufgrund der höheren Kontraste im IR von Wasserflächen zu Festland erzielt werden (Abb. 2.4.).
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Abb. 2.4.5: Einfluß des gewählten Spektralbereiches auf die Erkennbarkeit von Geo-Objekten. Hier VIS gegen NIR in einer TM-Aufnahme von Münster (Schleusenbereich am Do/Ems Kanal) |
In Radaraufnahmen sind vielfach lineare Objekte zu erkennen, die in Luft- oder Satellitenbildern kaum sichtbar wären. Grundlegend sind hier die vollkommen andersartigen physikalischen Hintergründe des resultierenden Bildkontrastes. Obwohl die Auflösung von Radarsensoren nicht grundsätzlich höher als bei Scannern ist, sind extrem schmale Objekte mit hohen dielektrischen Eigenschaften oder besonders ausgeprägter Morphologie sehr gut zu erkennen (z.B. metallische Oberleitungen, Gräben, Mauern etc.) (Abb. 2.4.6).
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Abb. 2.4.6: SAR-Bild aus der ägyptischen Wüste mit dünnen, metallischen, elektrischen Oberleitungen (aus Albertz, 1989) |
Vergleich von Objekten in Bildern und Karten oben
Sowohl Luft- und Satellitenbilder als auch topographische Karten sind ein Abbild begrenzter räumlicher Geländeabschnitte, welche die Oberfläche verkleinert und in die Ebene projekziert wiedergeben. Beide können deshalb qualitativ (was ist wo?) und quantitativ (wieviel ist wo?) ausgewertet werden. Hinsichtlich ihrer Entstehung, Speicherung und Nutzung bestehen jedoch grundsätzliche Unterschiede.
Wenn es um die Erkennbarkeit von Objekten in Fernerkundungsdaten geht, spielt auch immer die Frage nach ihrer Ausprägung in topographischen Kartenmaterial eine Rolle. Abstrakte Begriffe wie Topologie, Attributierung, Symbolik etc. sind bei der Darstellung von Interpretationsergebnissen sehr wichtig, da hier bereits Gewichtungen getroffen werden. Vereinfacht heißt dies, daß Objekte mit einer guten Erkennbarkeit auch einer starken Gewichtung in der Karte unterliegen können obwohl ihre reale geowissenschaftliche Bedeutung für die Fragestellung vielleicht wesentlich geringer ist (und umgekehrt).
Um derartige Mißverständnisse zu vermeiden werden zu einer Fernerkundungsanalyse generell vorhandene Kartenwerke als Zusatzinformation herangezogen. Das Verhältnis zwischen Interpretation der Daten und der Kartenvorlage ist also sowohl konkurrierend als auch komplementär! Konkurrierend dann, wenn es um eine detektierbare Veränderung z.B. in der Topologie von Objekten oder Flächen geht; komplementär dann, wenn es um die Identifizierung von Objekten und die Orientierung im Bild geht.
Die meisten abgebildeten Objekte werden aufgrund ihrer Beschaffenheit und der persönlichen Erfahrung der Interpreten im FE-Bild erkannt und bewertet. Darüber hinaus gibt es aber auch Objekte, welche nicht eindeutig in Fernerkundungsdaten identifiziert werden können. Hier müssen Zusatzinformationen, z.B. durch Karten oder Feldbegehungen gewonnen werden (engl.: ground check, ground truth).
Topographische Karten dienen der mehr oder minder stark abstrakten Darstellung aller wesentlichen topographischen Gegebenheiten des Geländes. Die Hauptbestandteile einer thematisch-kartographischen Umsetzung beruhen also auf konventionellen Zusammenhängen (Siedlungen, Verkehrswege, Gewässer, Bodenbedeckung etc.). Ihre graphische Darstellung basiert auf festgelegten Mustersymbolen, deren Erkennen durch die Legende ermöglicht wird. Der echten Bildgestalt in der Fernerkundung steht also die generalisierende, z.T. abstrahierende Graphik der Karte gegenüber (Abb. 2.4.7)!
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Abb. 2.4.7: Beziehung von Objekten im Satellitenbild (KVR-1000) und in der entsprechenden generalsierten morphodynamischen Karte der Ostseeinsel Hiddensee |