Verbesserung der Diagnostik von Waldökosystemen unter besonderer Berücksichtigung strahlungsökologischer Fragen in Verbindung mit digitaler hemisphärischer Fotografie
Final Report Abstract
Der Schwerpunkt der photogrammetrischen Arbeiten des Vorhabens lag auf der geometrischen Modellierung und Kalibrierung der 180°-Fisheyekamera, sowie der Entwicklung von Segmentierungsverfahren. Zur Datenakquisition stand eine hochauflösende Digitalkamera zur Verfügung, welche sowohl autonom wie auch in Verbindung mit einem Notebook eingesetzt werden konnte. Diese ermöglichte eine flexible Datenakquisition unter realen Einsatzbedingungen. Die Nutzung einer Kamera als Messsystem bedingt die geometrische Modellierung des Abbildungsvorganges und eine darauf basierende Kalibrierung. Da die Kamera in Verbindung mit einem Fisheye-Objektiv genutzt werden sollte, wurde für diese besondere Art der Abbildung ein geeignetes Abbildungsmodell entwickelt. Auf der Basis dieses Modells und eines eingerichteten Kalibrierraumes konnte das Aufnahmesystem subpixelgenau geometrisch kalibriert werden. Ein zentraler Aspekt der Ausweitung der Bilddaten war die Segmentierung der Bilder mit dem Ziel der Extraktion beleuchtungsrelevanter Bereiche. Die Herausforderung bestand dabei in der Entwicklung eines subpixelgenauen Segmentierungsverfahrens, welches beleuchtungsrelevante Bereiche unabhängig von Wetterparametern - wie beispielsweise Wolkenbedeckung - zuverlässig erkennen sollte. Realisiert wurde dies mit einem Segmentierungsansatz, der mittels Texturanalyse zunächst gemischte Pixel von reinen Pixeln trennte und dann mittels aufeinander folgender globaler und lokaler Klassifizierungsmemoden die subpixelgenaue Zuordnung der Pixel zu strahlungsrelevanten und nicht strahlungsrelevanten Bereichen ermöglichte. Radiometrische Effekte in den Bilddaten, die sich negativ auf die Segmentierungsergebnisse auswirken können, werden besonders durch die Vignettierung des Fisheye-Objektivs hervorgerufen. Diese Einflüsse konnten ebenfalls durch den Einsatz lokaler Klassifizierungsmethoden kompensiert werden. Diese Systemveränderungen wurden in einem umfassenden Freilandeinsatz unter verschiedenen Bewölkungssituationen getestet und durch den Einsatz von PAR-Sensoren und anloger Fototechnik validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Segmentierung der Bilder nun objektiv, automatisiert und reproduzierbar erfolgen kann. Es wurde eine wesentliche höhere Genauigkeit in dunkleren Beständen erreicht. Der Einsatz bei heterogenen Witterungsbedingungen ist möglich. Die Stabilität des Systems ist auch bei der Überprüfung der einzelnen Strahlungskomponenten stabil. Da die entwickelte Methode auch für den Einsatz in der Praxis geeignet sein sollte, wurde nachgewiesen, dass sie sich das Verfahren auch auf preiswertere Amateurkameras übertragen lässt. Hierbei müssen allerdings Einschränkungen im Strahlungsbereichen unter 10% hingenommen werden. Dem gegenüber wurde auch die Übertragbarkeit der Methode auf eine hochauflösende Zeilenkamera getestet, um das technisch mögliche Genauigkeitspotential abzuschätzen. Die wesentlich höhere Auflösung der Pentagon-Kamera steht allerdings nicht im selben Verhältnis zu einer höheren Datengenauigkeit. Mit dem Einfügen eines Auswertungsalgorithmus zur Bestimmung mittlerer Strahlungsvektoren bei realen Witterungsbedingung konnte die Anwendung der hemisphärischen Fotos erweitert werden. Durch die Ermittlung der Strahlungsattribute für einzelne Bildsegmente kann die Berechnung eines mittleren Strahlungsvektors für direkte und diffuse Strahlung getrennt durchgeführt werden. Die Überprüfung erfolgte durch eine Blattwinkelmessung an Ahorn. Die Ergebnisse zeigen eine richtige Analyse der Belichtungssituation, werfen allerdings die Frage nach der Intention der Blattausrichtung von Ahornen, als Halbschattengewächse auf. Als Nebenaspekt wurde außerdem untersucht, inwieweit die terrestrische Abschirmungsanalyse Informationen liefert, die für die Parametrisierung der Filterung von Flugzeuglaserscannerdaten verwendet werden können. Hier musste jedoch festgestellt werden, dass die erzielbaren Ergebnisse für diesen Zweck nicht ausreichend zuverlässig sind.
Publications
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Publikation 1: Schwalbe, E., Maas, H.-G., Wagner, S., Röscher, M., 2004: Akquisition und Auswertung digitaler Hemisphärenbilder für waldökologische Untersuchungen. Publikationen der Deutschen Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation, Band 13, S. 113-120
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Publikation 2: Schwalbe, E., 2005: Geometrie modelling and calibration of fisheye lens camera systems. ISPRS Commission V / WG 5 International Archives of Photogrammetry and Remote Sensing, VoL 36-5/W8
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Publikation 3: Schwalbe, E., Schneider, D., 2005: Design and testing of mathematical models for a full-spherical camera on the basis of a rotating linear array sensor and a fisheye lens, Grün, A.; Kahmen H. (Eds.): Optical 3-D Measurement Techniques VII. Vol. I, pp. 245-254, Vienna (Austria)
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Publikation 4: Röscher, M., Wagner, S., Schwalbe, E., Maas, H.-G., 2005: How robust are segmentation routines for hemispherical photography under different radiation conditions, 4th International Canopy Conference, 10-17 July 2005, Leipzig, Germany
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Publikation 5: Wagner S., Hagemeier, M. 2005: Attempts to infer leaf inclination angle from hemispherical photographs in stands of high density taking into account different segmentation routines. 4th International Canopy Conference, 10-17 July 2005, Leipizg, Germany
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Publikation 6: Schwalbe, E., Maas, H.-G., 2006: Ein Ansatz zur Elimination der chromatischen Aberration bei der Modellierung und Kalibrierung von Fisheye-Aumahmesystemen. Photogrammetrie, Laserscanning, Optische 3D-Messtechnick - Beiträge der Oldenburger 3D-Tage 2006, S. 122-129
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Publikation 7: Schwalbe, E., Maas, H.-G., Kenter, M" Wagner, S., 2006: Profile based sub-pixelclassification of hemispherical images for solar radiation analysis in forest ecosystems. Remote Sensing: From Pixels to Processes, ISPRS Mid-term Symposium Com. VII
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Publikation 8: Wagner, S., Hagemeier M., 2006: Method of segmentation affects leaf inclination angle estimation in hemispherical photography, Agricultural and Forest Meteorology, 139, pp. 12-24
