Landsat 7

137 Pages·2007·10.59 MB·German

by  Rene Höfer

Technische Universität Dresden
Institut für Geographie
Lehrstuhl für Raumentwicklung
Univ.-Prof. Dr.Dr. Bernhard Müller
Diplomarbeit
Arbeitstitel:
Vergleich der multispektralen Sensoren
ETM+ (Landsat 7) und LISS3 (IRS-P6)
hinsichtlich der Nutzung einer möglichen
CORINE Land Cover-Aktualisierung
René Höfer
Matrikel-Nummer: 2696246
Betreuer:
Verantwortliche Hochschullehrer:
Univ.-Prof. Dr.Dr. Bernhard Müller
Lehrstuhl für Raumentwicklung
Leibniz-Institut für Ökologische Raumentwicklung e.V. (IÖR)
Dr. Günter Strunz
Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD)
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)
Tag der Einreichung:
Dresden, den 31.05.2007
Danksagung
An dieser Stelle möchte ich all jenen danken, die durch ihre fachliche und persönliche Un-
terstützung zum Gelingen dieser Diplomarbeit beigetragen haben.
Mein besonderer Dank gilt Herrn Dipl.-Geogr. Thilo Wehrmann vom Deutschen Zentrum
für Luft- und Raumfahrt (DLR) für sein Engagement bei der fachlichen Betreuung und
für die zahlreichen Denkanstöße. An dieser Stelle soll auch den Mitarbeitern der Abteilung
DFD-UGmeinDankfürdieHilfsbereitschaftundtechnischeUnterstützungausgesprochen
werden.
Dankbar bin ich zudem Herrn Dr. Gotthard Meinel vom Leibniz-Institut für Ökologische
Raumentwicklung e.V. (IÖR), der durch seine Beratung und konstruktive Kritik zum Ge-
lingen dieser Arbeit bei trug.
Ein Dankeschön auch an die KorrekturleserInnen, die durch ihre Verbesserungen und kon-
struktiven Anmerkungen die Fertigstellung dieser Arbeit maßgeblich unterstützt haben.
Meiner Freundin Susanne danke ich für ihre Hilfe, Aufmunterung und vor allem ihre Ge-
duld mit meiner Laune und Müdigkeit während der letzten Wochen.
Abschließend möchte ich meinen Eltern für ihren Zuspruch und ihre Unterstützung wäh-
rend meines Studiums herzlichsten Dank aussprechen.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis I
Abbildungsverzeichnis IV
Tabellenverzeichnis VII
Abkürzungsverzeichnis IX
1 Einführung 1
1.1 Einleitung und Zielstellung der Arbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Aufbau der Arbeit/Methodik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Datengrundlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Benutzte Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2 Theoretische Grundlagen und Stand der Forschung 5
2.1 Das Prinzip der Fernerkundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Der Begriff Fernerkundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Physikalische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2.1 Elektromagnetische Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2.2 Atmosphärische Beeinflussung der Strahlung . . . . . . . . 7
2.1.2.3 Materialeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.1.3 Satellitenbilddaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2 Fernerkundungsplattformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1 Allgemeine Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1.1 Aufnahmeparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.1.2 Aufnahmesysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Landsat 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 IRS-P6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 CORINE Land Cover. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Datengrundlage Image2000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3.2 Datenaufnahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
I
Inhaltsverzeichnis
2.3.3 Ausblick CORINE Land Cover 2006 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 ATKIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5 Pixel- und objektorientierte Klassifikationsverfahren . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1 Pixelbasierte Klassifikationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1.1 Unüberwachte Klassifikationsverfahren . . . . . . . . . . . . 19
2.5.1.2 Überwachte Klassifikationsverfahren . . . . . . . . . . . . . 20
2.5.1.3 Hierarchische Klassifikationsverfahren . . . . . . . . . . . . 21
2.5.2 Objektbasierte Klassifikationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2.1 Grundprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.5.2.2 Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5.3 Validierungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Untersuchungsgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.1 Geographische Abgrenzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6.2 CORINE Land Cover innerhalb der Untersuchungsgebiete . . . . . . 32
2.7 Definiens Developer Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.1 Segmentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.7.2 Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3 Vergleich von Landsat 7 - ETM+ und IRS-P6 - LISS3 39
3.1 Allgemeine Spezifikationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 Signal-Rausch-Verhältnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.1 Datenaufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2.2 Klassifikationsablauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2.1 Unüberwachte Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.2.2 Überwachte Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.3 Validierungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.3.1 Ground-Truth-Daten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.3.2 Accuracy Assessment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.2.4 Einfluss der Trainingsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.3 Zwischenergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4 Umsetzung von CLC mit objektorientierten Verfahren 49
4.1 Umsetzung in Definiens Developer Earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1 Inputlayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.1.1.1 Kontinuierliche Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.1.1.2 Thematische Daten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.1.2 Projektaufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.3 Segmentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.1.3.1 Einflussparameter und Inputlayer . . . . . . . . . . . . . . 52
II
Inhaltsverzeichnis
4.1.4 Aufbau Regelwerk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.1.4.1 Abbildbarkeit der CORINE Land Cover-Klassen . . . . . . 54
4.1.4.2 Merkmalsextraktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.4.3 Aufbau der Klassenhierarchie und des Prozessbaums . . . . 58
4.2 Anwendung im Untersuchungsraum Schleswig-Holstein . . . . . . . . . . . . 59
4.2.1 Abbildbare CORINE Land Cover-Klassen (Schleswig-Holstein) . . . 59
4.2.2 Klassifikationsablauf (Prozessbaum) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 Klassifikationsgütevalidierung Schleswig-Holstein . . . . . . . . . . . 63
4.3 Übertragung auf den Untersuchungsraum Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.1 Abbildbare CORINE Land Cover-Klassen (Sachsen) . . . . . . . . . 64
4.3.2 Notwendige Anpassungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.3.3 Klassifikationsgütevalidierung Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
5 Ergebnisse und Diskussion 67
5.1 Vergleichbarkeit der Sensorcharakteristik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.1 Klassentrennbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
5.1.2 Klassifikations- und Validierungsergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . 68
5.2 Möglichkeiten objektorientierter Verfahren zur Umsetzung von CORINE
Land Cover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.1 Accuracy Assessment Schleswig-Holstein . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2.2 Accuracy Assessment Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.3 Kritische Punkte bei der Erstellung und Umsetzung des Regelwerks. 83
5.2.4 Übertragbarkeit des Regelwerks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2.5 Unsicherheiten bei der Validierung für objektorientierte Klassifikati-
onsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6 Fazit und Ausblick 87
Literaturverzeichnis 91
A Abbildungen 97
B Tabellen 111
C Metadaten der Projekt-DVD 119
D Ehrenwörtliche Erklärung 125
III
Inhaltsverzeichnis
IV
Abbildungsverzeichnis
2.1 Elektromagnetisches Spektrum (Quelle: Albertz 2001[1]) . . . . . . . . . . . 6
2.2 Absorption und Streuung in der Atmosphäre (Quelle: Albertz 2001[1]) . . . 8
2.3 Spektrale Signaturen (Vegetation, Wasser, Boden) (Quelle: Albertz 2001[1]) 9
2.4 Aufnahmesysteme (Quelle: Albertz 2001[1]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 CLC2000 (Quelle: Keil 2005[28]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Spektraler Merkmalsraum (Quelle: Albertz 2001[1]). . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 Pixelbasierte Klassifikationverfahren (Quelle: Krause 1988[32]) . . . . . . . 21
2.8 Ablauf der pixelbasierten Klassifikationverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.9 Hierarchische Klassifikation (Quelle: Albertz 2001[1]) . . . . . . . . . . . . . 23
2.10 Beispiel einer pixel- und objektorientierten Klassifikation . . . . . . . . . . . 24
2.11 Abläufe der Interpretation von Fernerkundungsdaten und kognitive Wahr-
nehmung (Quelle: Schiewe 2003[47]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.12 Objektrepräsentation in unterschiedlichen Segmentierungsebenen . . . . . . 26
2.13 Untersuchungsgebiet Schleswig-Holstein und Abdeckung der LISS3 Szene . . 29
2.14 Untersuchungsgebiet Sachsen und Abdeckung der LISS3-Szene. . . . . . . . 31
2.15 Klassenbeschreibung und Membership-Funktion in Definiens Developer Earth 36
3.1 Radiometrische Auflösung ETM+ und LISS3 . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Untersuchungsraum Sachsen: Hersteller und Nutzergenauigkeit der Klasse
Urban . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.3 Untersuchungsraum Sachsen: Herstellergenauigkeit der Klasse Offener Boden 47
4.1 Schematische Darstellung des Arbeitsablaufs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2 Segmentierungsebenen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.3 Vergleich der Phänologie von Ackerland (hellgrün) und Grünland (dunkel-
grün) (Quelle: Wehrmann 2007[52]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.4 Beispiel Klassifikationsablauf der Klasse 211 Nicht bewässertes Ackerland . . 59
4.5 Übersicht der verwendeten Grundklassen Segmentierungsebene1. . . . . . . 61
V
Abbildungsverzeichnis
5.1 Vergleich der Ergebnisse der Maximum Likelihood- und Support Vector Ma-
chine-Klassifikation im Untersuchungsraum Schleswig-Holstein
(Siedlungsbereich Kiel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
5.2 Mögliche CLC2006-Umsetzung im Untersuchungsraum Schleswig-Holstein,
a) CLC2000 (oben), b) CLC2006 25ha (Mitte), c) CLC2006 5ha (unten) . . 78
5.3 Fehlklassifikation im Bereich des Großen Garten Dresden . . . . . . . . . . 80
5.4 Mögliche CLC2006-Umsetzung im Untersuchungsraum Sachsen,
a) CLC2000 (links), b) CLC2006 25ha (Mitte), c) CLC2006 5ha (rechts) . . 82
5.5 AktualitätderATKIS-DatendesLandesvermessungsamtesSachsen(Quelle:
ATKIS-Objektartenkatalog[2]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6 Unterschiede der Objektgrenzen von CLC2000 (gelb) und ATKIS (schwarz) 85
A.1 CORINE Land Cover-Legende für Deutschland . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.2 ROI Separability - Klassentrennbarkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.3 Nutzer- und Herstellergenauigkeit der Klassen der Maximum Likelihood-
Klassifikation im Untersuchungsraum Schleswig-Holstein . . . . . . . . . . . 99
A.4 Nutzer- und Herstellergenauigkeit der Klassen der Maximum Likelihood-
Klassifikation im Untersuchungsraum Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
A.5 Ergebnisse der Maximum Likelihood-Klassifikation mit ansteigender Anzahl
an Trainingsgebieten im Untersuchungsraum Schleswig-Holstein . . . . . . . 105
A.6 Ergebnisse der Maximum Likelihood-Klassifikation mit ansteigender Anzahl
an Trainingsgebieten im Untersuchungsraum Sachsen . . . . . . . . . . . . . 108
VI
Tabellenverzeichnis
2.1 Gegenüberstellung von Auswertungsverfahren (verändert
nach Neubert 2005[42]) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2 Koordinaten der Untersuchungsgebiete linker oberer Ecke (UL) und rechter
unterer Ecke (LR)(geographisch und nach lat/long) . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3 Aufnahmeparameter der ETM+ (Landsat 7)- und LISS3 (IRS-P6)-Szenen
für Schleswig-Holstein (S-H) und Sachsen (SA) . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Vorkommen der häufigsten CORINE Land Cover-Klassen in den Untersu-
chungsräumen Schleswig-Holstein, Sachsen und Deutschland . . . . . . . . . 33
3.1 Werte der Standardabweichung in hellen/ dunklen Bereichen für die Kanä-
le des ETM+- und LISS3-Sensors in den Untersuchungsräumen Schleswig-
Holstein und Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Grundklassen der überwachten Klassifikation für die Untersuchungsräume
Schleswig-Holstein und Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
4.1 Eingangslayer der Klassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
4.2 Unterteilung von Bildmerkmalen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Verwendete Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
5.1 Nutzer- und Herstellergenauigkeiten (in %) der Maximum Likelihood-
Klassifikation im Untersuchungsgebiet Schleswig-Holstein . . . . . . . . . . 69
5.2 Nutzer- und Herstellergenauigkeiten (in %) der Maximum Likelihood-
Klassifikation im Untersuchungsgebiet Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.3 Nutzer-undHerstellergenauigkeiten(in%)fürdieUmsetzungderCORINE
Land Cover-Klassifikation in den Untersuchungsgebieten Schleswig-Holstein
und Sachsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
B.1 Technische Daten Landsat 7 und IRS-P6 (verändert nach Kramer 2002[31]) 111
B.2 Klassifikationsgüte der Maximum Likelihood-Klassifikation im
Untersuchungsgebiet Schleswig-Holstein (Sensor ETM+) . . . . . . . . . . . 112
VII
Tabellenverzeichnis
B.3 Klassifikationsgüte der Maximum Likelihood-Klassifikation im
Untersuchungsgebiet Schleswig-Hostein (Sensor LISS3) . . . . . . . . . . . . 113
B.4 Klassifikationsgüte der Maximum Likelihood-Klassifikation im
Untersuchungsgebiet Sachsen (Sensor ETM+) . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
B.5 Klassifikationsgüte der Maximum Likelihood-Klassifikation im
Untersuchungsgebiet Sachsen (Sensor LISS3) . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
B.6 Klassifikationsgüte der CORINE Land Cover-Klassifikation in Schleswig-
Holstein – Konfusionsmatrix Overall-Accuracy 90,154%; Kappakoeffizient
0,8919 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
B.7 Klassifikationsgüte der CORINE Land Cover-Klassifikation in Sachsen –
Konfusionsmatrix Overall-Accuracy 88,8061%; Kappakoeffizient 0,8752 . . . 117
C.1 Metadaten der Projekt-DVD (alphabetisch sortiert) . . . . . . . . . . . . . . 120
VIII