Informationsgehalt neuester hochauflösender Satellitenbilddaten (IRS-1C) und ihre Anwendung in der Raumplanung
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Veröffentlicht in: J.STROBL und F.DOLLINGER (1998): Angewandte Geographische Informationsverarbeitung. Beiträge zum
AGIT-Symposium Salzburg 1998. H. Wichmann Verlag Heidelberg. ISBN 3-87907-324-4
Informationsgehalt neuester hochauflösender
Satellitenbilddaten (IRS-1C) und ihre
Anwendung in der Raumplanung
Meinel, G., Lippold, R. und U. Walz
Institut für ökologische Raumentwicklung e.V.,
Weberplatz 1, 01217 Dresden
Inhalt:
1. Zusammenfassung
2. Neue Herausforderungen für die Raumplanung
3. Entwicklung des Satellitenbildmarktes
4. Der indische Erdbeobachtungssatelliten IRS-1C
5. Bildqualität und Vorverarbeitung der IRS-1C-Daten
6. Nutzen und Einsatzbereiche der IRS-1C-Bilddaten
7. Zusammenfassung und Ausblick
8. Literatur
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1. Zusammenfassung
Die Anforderungen an Raumplanung und Umweltüberwachung wachsen stetig. Grundlegende Planungsdaten bzw.
Zustandsinformationen müssen immer aktueller zur Verfügung stehen. Dieser Datenbedarf kann unter Berücksichtigung
der knappen öffentlichen Kassen in der erforderlichen Aktualität in Zukunft insbesondere durch die Erdfernerkundung
mit neuen Satellitensensoren abgedeckt werden. Derzeit stehen durch den indischen Satelliten IRS-1C Daten mit 5 m
Bodenauflösung zur Verfügung, in Kürze werden Daten im 1 m Auflösungsbereich durch die amerikanischen
Satellitenbildsensoren Ikonos1 und QuickBird erwartet. Aussagegehalt, operationalisierbare Prozessierungsstrategien und
Dateneignung für die verschiedenen planerischen Fragestellungen werden im Beitrag für IRS-1C-Daten anhand neuer
Farbkomposite untersucht. Die Daten sind hervorragend geeignet für die Regional- und Stadtplanung sowie für den
kommunalen Umweltschutz.
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2. Neue Herausforderungen für die Raumplanung
Die Globalisierung stellt die Raumplanung vor neue Herausforderungen. Die Zeiträume, in denen immer komplexer
werdende Zusammenhänge möglichst aktuell zu erfassen sind, werden immer kürzer. Der internationale Wettbewerb wird
härter und ruft zunehmend auch die Konkurrenz von Kommunen und Regionen auf der Suche nach finanzstarken
Investoren hervor. Das führt oft selbst für raumbedeutsame Projekte zu Planungen unter hohem Zeitdruck.
Aus der Präzisierung planerischer und begleitender Fragestellungen als auch aus den Anforderungen der
Informationsverarbeitung ergeben sich zunehmend höhere Ansprüche an die Datenqualität (Lagetreue und
Datenattributierung). Letztlich steigen auch die Ansprüche an eine überzeugende Visualisierung der Planungen. Eine
solche wird sowohl für die politische Durchsetzung als auch die Bürgerbeteiligung im Rahmen der öffentlichen
Auslegung in der Zukunft immer entscheidender werden.Während sich die Verarbeitungswerkzeuge der Daten in den letzten Jahren in Form der Geoinformationssysteme stetig
weiterentwickelt haben, ist immer noch ein großes Defizit an Daten und Methoden zur kostengünstigen, aktuellen
Erhebung der Bestandssituation festzustellen. Zur Behebung dieser Defizite können in Zukunft neue Entwicklungen des
Satellitenbildmarktes beitragen.
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3. Entwicklung des Satellitenbildmarktes
Der Satellitenbildmarkt ist zur Zeit in einer enormen Entwicklung. Neue Anwendungen in der Raumplanung, der
Landwirtschaft, der Umweltüberwachung und die Weiterentwicklung der Bilddistribution führten zu einer
Kommerzialisierung der Erdfernerkundung und so zu einer weiteren Beschleunigung der Entwicklung. Allein in den USA
werden in den kommenden zwei Jahren vier neue kommerzielle Anbieter Bildprodukte mit einer geometrischen
Auflösung zwischen einem und fünf Meter auf den Markt bringen. Mit diesen Daten ist auch ein deutlicher
Qualitätssprung in der Datenvermarktung geplant. Bildrecherche, Auswahl- und Kauf werden durchs Internet vereinfacht,
flexibilisiert und wesentlich zeitlich verkürzt. Die Lieferzeiten (Aufnahme bis Auslieferung) werden sich extrem
verkürzen (< 2 Tage), und nicht zuletzt werden die Produktpreise weiter sinken.
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4. Der indische Erdbeobachtungssatelliten IRS-1C
Der Indian Remote Sensing Satellit (IRS-1C) wurde am 28.12.1995 gestartet und ist der dritte und leistungsfähigste
Erdbeobachtungssatellit des indischen Programms. IRS-1C sendet seit Sommer 1996 kontinuierlich Daten. Er ist mit drei
Hauptinstrumenten ausgestattet. Die panchromatische Zeilenkamera (PAN) mit einer räumlichen Auflösung von
5,5-5,8 m nimmt eine Streifenbreite von 70 km auf. Sie kann für die Aufnahme von Stereobildern bzw. die Erzielung
einer hohen zeitlichen Abdeckung geschwenkt werden. Die multispektrale High Resolution Visible-Kamera (LISS-III)
verfügt über vier spektrale Kanäle, je einem im sichtbaren Grün-, im Rot-, im nahen Infrarot- und im kurzwelligen
Infrarotbereich. Die drei erstgenannten haben eine räumliche Auflösung von 23 m, der SWIR eine Auflösung von 70 m.
Der baugleiche Zwillingssatelliten IRS-1D sendet seit 3/98 Daten. Er wird die Repititionszeit von derzeit 24 Tagen auf
die Hälfte verkürzen und die operationelle Akquisitionsplanung erleichtern.
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5. Bildqualität und Vorverarbeitung der IRS-1C-Daten
5.1. Datenrecherche und -beschaffung
Die Recherche von IRS-1C-Bilddaten über das Satellitenbildarchiv ISIS des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums
(DFD) gestaltet sich ausgesprochen einfach und komfortabel. Es gestattet neben der Suche archivierter Bilddaten und
wichtiger Aufnahmeparameter (Aufnahmedatum, Bewölkung, abgedeckte Flächen usw.) auch die Darstellung und den
Download von Quicklooks der Größe 500*500 Bildpunkte. Diese ermöglichen allerdings nur die Einschätzung der
Bewölkung und eventuell vorhandener Dunstgebiete. Nicht eingeschätzt werden kann in der Darstellung im Maßstab
1 : 1 000 000 für die 140*140 km großen multispektralen Bilddaten und die im Maßstab 1 : 500 000 dargestellten
panchromatischen Bilddaten (70*70 km), ob und welche Bildfehler vorhanden sind.
Die Datendistribution durch die Firma Euromap GmbH könnte in einigen Punkten noch einfacher werden, da z.B.
hinsichtlich der Verschiebung von Szenen innerhalb eines Streifens einige telephonische Rücksprachen erforderlich
waren. Daß z.B. die Daten des SWIR-Kanals nur zum Lieferumfang gehören, wenn auf einen Datenshift verzichtet wird,
wurde erst nach der Datenbeschaffung in Erfahrung gebracht. Auch eine Verknüpfung der Bilddaten mit dem
Nachbarstreifen ist derzeit nicht möglich. Weiterhin wäre eine Verbesserung der Lagestabilität der Szenen
wünschenswert. Die abgedeckten Flächen bei gleicher Szenenbezeichnung varieren doch noch relativ stark.5.2. Bildqualität Die Bildqualität der IRS-1C-LISS-Viertelszene und der PAN-Subszene vom 16.09.97 kann insgesamt als sehr gut eingeschätzt werden. Insbesondere gilt das für die innere Bildgeometrie, die eine Entzerrung mit hoher Genauigkeit zuläßt. Bildfehler treten aber in der PAN-Szene in Form von Blobs und Fehlstreifen auf. Der Sensor wird bei der Aufnahme von extrem hellen und glatten Oberflächen, insbesondere bei tiefen Sonnenständen übersteuert und benötigt einige Zeit bis zur Wiedergabe korrekter Reflexionswerte. Die Fehler sind teilweise nur schwer oder nicht behebbar. Während einzelne Zeilen oder Punkte problemlos durch Mittelwertbildung behoben werden können, ist der Ersatz eines Mehrzeilenausfalls meist unmöglich. Hier muß die Fläche ggf. mit Daten eines anderen Bildsatzes gefüllt werden. In der panchromatischen Bildszene ist eine leichte Streifenbildung in Flugrichtung zu verzeichnen (ca. 6 % Intensitätsschwankung im Abstand von ca. 4 Pixeln) , die sich in sehr dunklen Flächen wie z.B. Wasserflächen z.T. störend bemerkbar macht. 5.3. Georeferenzierung Die panchromatischen Bilddaten wurden anhand eingescannter topographischer Karten im Maßstab 1 : 25 000 georeferenziert und das multispektrale Bild (LISS) anschließend auf das panchromatische Bild entzerrt. Damit war eine hohe Lagegenauigkeit zwischen den beiden Bildprodukten gegeben. In der PAN-Szene wurde bei einem mittleren Fehler von 0,78 Pixeln eine mittlere Lagegenauigkeit von
Abb. 1: Überlagerung von panchromatischen IRS-1C Daten mit der Baublockgeometrie (Stadtgebiet Dresden)
5.4. Atmosphärenkorrektur
Einer Atmosphärenkorrektur wird in Zukunft bei der immer besseren Auflösung von Satellitenbilddaten hohe Bedeutung
zukommen. Gerade Change Detection Methoden oder die Anwendung absoluter Spektralsignaturen für
Flächennutzungsklassifikationen verlangen eine Atmosphärenkorrektur. Inzwischen stehen hier auch sehr leistungsfähige
und für den operationellen Einsatz geeignete Programmpakete zur Verfügung, die auch in bergigem Gelände anwendbar
sind und reliefbedingte Beleuchtungsunterschiede ausgleichen (ATCOR3, Richter, 1997). Im Forschungsprojekt erfolgte
eine Atmosphärenkorrektur der Daten mit Rückgriff auf ein Höhenmodell (Rasterweite 25 m, Höhengenauigkeit ca. 15 m
im Gebirge) mit dem Programm ATCOR3 (Dieser Teil wurde dankenswerterweise von R.Richter (DLR) vorgenommen).
Durch die Umrechnung der Intensitätswerte auf relative Reflexionswerte werden die atmosphären- und
beleuchtungskorrigierten Bildprodukte wesentlich leichter interpretier- und klassifizierbar, beispielsweise durch die
Aufhellung von steilen Schattenhängen.
5.5. Bildkombinationsprodukte IRS-1C PAN und LISS
Die Berechnung von Farbkompositen aus IRS-1C-Daten gestaltete sich schwieriger als erwartet. Die Farbkomposite
konnten z.T. weder in ihrer Detailschärfe (keine vollständige Abbildung der hochauflösenden panchromatischen
Information) noch in der Farbtreue (keine vollständige Beibehaltung der multispektralen Information) überzeugen. Die
Ursache könnte darin zu suchen sein, daß das panchromatische Bild nur zwei Spektralbänder des multispektralen Bildes
abdeckt (sichtbares Grün und Rot), das nahe Infrarot außerhalb des panchromatischen Spektralbereichs liegt und damit
die Kongruenz der Aufnahmen zwischen panchromatischer und multispektraler Abbildung nicht gegeben ist.
Für die Erstellung von Farbkompositen wurden die Methoden IHS-Transformation (IHS),
Hauptkomponententransformation (PC) und Verfahren nach Brovey (B) getestet. Die besten visuellen Ergebnisse liefert
das PC-Verfahren. IHS- und B-Verfahren bedingen deutlich unschärfere Ergebnisse. Die Qualität der PC-Ergebnisse
hängt allerdings von dem gewählten Bildausschnitt ab. So muß zum Zeitpunkt der Niederschrift weiterer
Forschungsbedarf bezüglich der Erstellung optimaler Farbkomposite auf IRS-1C-Bilddatenbasis konstatiert werden.
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6. Nutzen und Einsatzbereiche der IRS-1C-Bilddaten
6.1. Regionalplanung
Die Regionalplanung gewinnt in Deutschland zunehmend als Bindeglied zwischen der Flächennutzungsplanung und dem
Landesentwicklungsplan an Bedeutung. Die Regionalplanung beklagt Informationsdefizite in der Ausweisung der
aktuellen Flächennutzung insbesondere bezüglich der Klasse Bebauung. Die Flächennutzung wird derzeit noch auf
Grundlage topographischer Karten und Geländebegehungen erhoben. Die Regionalplanung bewertet IRS-Farbkomposite
als eine sehr gute Planungsgrundlage, da wesentliche Daten für die Planung im Maßstab 1 : 100 000 im Maßstab
1 : 25 000 vorliegen. So brächte z.B. eine Flächennutzungskartierung auf Grundlage eines IRS-Farbkomposits durch
Klassifikation oder Bildinterpretation höchsten Gewinn. Auch die Bewertung des Landschaftsbildes im Zusammenhang
mit Großbauprojekten auf Basis von 3D-Visualisierungen wäre ein wichtiges Einsatzgebiet, welches durch
IRS-Farbkomposite und digitale Geländehöhenmodelle gelöst werden könnte.
6.2. Stadtplanung
Bezüglich des Einsatzes von IRS-1C-Bilddaten in der Stadtplanung werden nach intensiven Diskussionen mit
Stadtplanern die folgenden Einsatzfelder gesehen:
- Fortschreibung des Flächennutzungsplans durch Einarbeitung der realen Flächennutzung (durchBildschirmdigitalisierung des FNP auf Basis unterlegter IRS-Daten)
- Realnutzungskartierungen und Abgrenzung von Siedlungsräumen
- Versiegelungskartierung (Klassifikation auf Basis des Vegetationsindex NDVI oder visuelle Abschätzung innerhalb der
Baublöcke in 5 Klassen)
- Überblick über Flächenpotentiale und Flächennutzungskonflikte
- Grunddatenbeschaffung für neueingemeindete Flächen.
Zur Validierung der Einsatzfelder werden in nächster Zeit der Flächennutzungsplan von Dresden bezüglich der
Realnutzung der Flächen auf Basis eines IRS-Farbkomposits fortgeschrieben.
6.3. Umweltschutz
Umfassende Diskussionen mit dem städtischen Umweltamt und dem Grünflächenamt bezüglich der Eignung von
IRS-Farbkompositen erbrachten die folgenden Erkenntnisse: Wichtig für den Bereich Stadtökologie ist eine
Stadtstrukturtypenkartierung (Einzel-, Reihenhaus, Villenviertel, Blockbebauung usw.), da städtische Strukturtypen
wesentliche ökologische, ökonomische und soziale Merkmale der Flächen widerspiegeln (z.B.
Versiegelungsabschätzung, KFZ-Bestand, Wohndichte). Stadtstrukturtypen wiederum können hervorragend aus einem
IRS-Farbkomposit im Maßstab 1 : 25 000 abgeleitet werden.
Eine Bewertung städtischer Grünflächen ist sehr gut möglich. Straßengrün ist in seiner Vitalität einschätzbar, Parkanlagen
sind nach Wiesen und baumbestandenen Flächen gut trennbar. Die Hauptklassen einer städtischen Biotopkartierung sind
sehr gut im IRS-Farbkomposit bestimmbar, während Unterklassen nur in Einzelfällen erkannt werden können. Damit ist
auch der hohe Wert der Daten für die Fortführung einer Biotopkartierung belegt, indem z.B. der Umfang der
Geländearbeit entscheidend vermindert werden kann.
6.4. Vermessung
In Deutschland ist derzeit der Aufbau von ATKIS in der ersten Stufe im Maßstab 1 : 25 000 (Erhebungsmaßstab
1 : 10 000) abgeschlossen. Die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV) erarbeitet nunmehr Verfahren
zur Fortführung des digitalen Datenbestandes. Die Fortführung der ATKIS-Vektordaten soll voraussichtlich durch
Bildschirmdigitalisierung auf unterlegten Ortholuftbildern des Maßstabs 1 : 10 000 erfolgen. Setzt man die
Notwendigkeit einer Auflösung im Maßstab 1 : 10 000 voraus, so ergibt sich eine notwendige Bodenauflösung von ca.
2 m. Damit wären die IRS-1C-Daten für die Fortführung des ATKIS-Datenbestandes ungeeignet.
Neben der Erarbeitung und Weiterführung der digitalen Stadtkarte im Maßstab 1 : 500 in der Stadtvermessung erfolgt
auch die Bearbeitung einer digitalen Übersichtskarte (bei mittelgroßen Städten im Maßstab 1:25 000). Für die
Fortführung dieser Karte ist ein IRS-Farbkomposit ideale Datengrundlage. Auch die geforderte Lagegenauigkeit von 3 m
kann bei akkurater Entzerrung (bei bewegtem Gelände auf Grundlage eines Höhenmodells) eingehalten werden.
6.5. Landschaftsplanung
Ein panchromatisches IRS-Bild mit überlagertem Straßen-, Wege- und Gewässernetz (ATKIS-Linienobjekte) ist
ausgezeichnet als Übersichtskarte für Geländekartierungen im Rahmen der Landschaftsplanung geeignet. So lassen sich
beispielsweise in ATKIS noch nicht enthaltene bauliche Entwicklungen (Fortführungsdefizite) schnell erfassen. Einzelne
Nutzungstypen können bereits in diesem Stadium besser eingeschätzt werden und so der Aufwand für die
Felduntersuchungen eingeschränkt bzw. notwendige Erhebungen gezielter angegangen werden.
Gegenüber ATKIS gestatten die IRS-Daten eine wesentlich feinteiligere Interpretation, die gerade für die
Landschaftsplanung und -ökologie von großem Wert ist. So sind große Bäume einschließlich ihrer Vitalität gut
interpretierbar sowie Buschbestände an Wegrändern sowie Schlaggrenzen- und Feldänderungen zu sehen.
Zum Inhalt!7. Resümee und Ausblick
IRS-1C-Daten sind in hervorragender Weise für die Regionalplanung, die Stadtplanung und den regionalen und
kommunalen Umweltschutz geeignet. Der Einsatzbereich der Daten könnte bei entsprechender Datenveredelung und
weiterer Verbesserung der Datendistribution nach Meinung der Autoren noch wesentlich erweitert werden. Das ist das
Ergebnis aus vielen Gesprächen mit potentiellen Dateninteressenten, bei denen immer wieder das große Interesse an den
Daten deutlich wurde, aber die Datenbeschaffung und -auswertung als noch unbekannt und schwierig eingeschätzt wurde.
Auch muß davon ausgegangen werden, daß das Anwendungspotential der Bilddaten bei weitem noch nicht ausgeschöpft
ist. Nach der "Vorgabe" denkbarer Anwendungen seitens der Wissenschaft muß nun eine Vermittlung der neuen Daten zu
den Endanwendern erfolgen und im unmittelbaren Kontakt mit den Tagesaufgaben von z.B. Planungs- und
Umweltämtern der Datennutzen weiter ausgetestet werden. Von potentiellen Bildinteressenten werden besonders die
folgenden Wünsche geäußert:
- Flexibilisierung im Kauf der Fläche (nur unmittelbar interessierende Fläche sollte käuflich sein)
- Entzerrung mit hoher Genauigkeit
- Bildkomposite in Naturfarben und Farbinfrarotdarstellungen
- Geländehöhenmodelle
- Monitoring bezüglich verschiedener Fragestellungen
Entscheidend für die Zukunft erscheint neben der Präzisierung der Anwendungsfelder die Frage nach der Integration der
Daten in den Grunddatenbestand der Ämter. In Deutschland kann, wenn auch sehr langsam, von einer zunehmend
modernen informations- und kommunikationstechnischen Ausstattung der Planungs- und Umweltämter ausgegangen
werden. Digitale Geobasisdaten in Form von topographischen Informationen (ATKIS), administrativen Geometriedaten
(z.B. städtische Blockkarte), sowie Fachdaten (Biotopkartierung, Stadtstrukturtypen usw.) stehen in wachsendem Maße
zur Verfügung und bilden im Zusammenhang mit der Verbreitung von Geoinformationssystemen ein ideales Umfeld für
den Einsatz hochauflösender Fernerkundungsdaten in der Zukunft.
Zum Inhalt!
8. Literatur
Euromap (1996): Internes Arbeitspapier mit Informationen zum IRS-1C-Programm
Kramer, H.J. (1996): Observation of the Earth and its Environment, Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum,
Springer-Verlag, Berlin
Meinel, G.; Lippold, R.; Netzband, M. (1998): Nutzungsmöglichkeiten neuer hochauflösender Satellitenbilddaten für
die Raumplanung, CORP’98, Wien
Richter, R. (1997): ATCOR3-Atmosphärische und topographische Korrektur von Bilddaten, Tagungsband des
Geosystems User Group Meeting, Germering
Schumacher, V. (1997): Produktentwicklung und Anwendungen von IRS-1C-Daten, Tagungsband der Geosystems
Fachtagung 1997, Germering
Zum Inhalt!
© 1998 Institut für Geographie der Universität SalzburgSie können auch lesen
