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NEUE ALGORITHMEN ZUR OPERATIONELLEN
BILDREGISTRIERUNG UND IHRE GIS-INTEGRATION
THOMAS BAHR
Fachtagung „Kampfmittelbeseitigung“
29. Februar 2016, Bad Kissingen
HARRIS.COM | #HARRISCORP
Inhalt
Über Harris
Motivation
HyPARE: Hybrid Powered Auto-Registration Engine
Bildregistrierung von Einzelbildern am Beispiel von Kriegsluftbildbefliegungen
Automatisierung und Implementierung der Bildregistrierung in ArcGIS®
Ausblick: Vom Einzelbild zum Bildverbund
Zusammenfassung
Die ausschließlich zu Test- und Präsentationszwecken verwendeten amerikanischen Kriegsluftbilder
sind eine Leihgabe des Kampfmittelbeseitigungsdienstes Niedersachsen.
TK25 3624 Hannover mit freundlicher Genehmigung des Landesamtes für Geoinformation und
Landesvermessung Niedersachsen.
Harris Proprietary Information
Neue Algorithmen zur operationellen Bildregistrierung und ihre GIS-Integration | 2
ÜBER HARRIS
HARRIS.COM | #HARRISCORP
Über Harris
23.000
Angestellte
Sicherheit
120
Jahre Erfahrung
Information
Kommunikation
9.000
Wissenschaftler &
Ingenieure
3.689
aktive Patente
• Hauptsitz in USA
• Weltweite Niederlassungen
• Kunden in über 125 Ländern
Harris Proprietary Information
8
größtes Unternehmen
in Raumfahrt &
Verteidigung
Neue Algorithmen zur operationellen Bildregistrierung für die Luft- und Satellitenbildauswertung | 4
Harris Geschäftsfelder
KOMMUNIKATIONSSYSTEME
Funkkommunikation
Nachtsichttechnologien
Verteidigungsnetzwerke
Radar
…
Harris Proprietary Information
KRITISCHE NETZWERKE
Flugverkehrskontrolle
Energie
Maritime Kommunikation
Bodenstationen
Netzwerke
IT Dienstleistungen
IT Infrastrukturen
…
ELEKTRONISCHE
SYSTEME
Avionik
Simulation
Elektronische Kampfführung
Unterwassersysteme
C4i
…
WELTRAUM-SYSTEME
Erdbeobachtung
Wetterdienste
Geoinformation
Sensorik
Analyse
LiDAR
…
Neue Algorithmen zur operationellen Bildregistrierung und ihre GIS-Integration | 5
Harris Geschäftsfelder
KOMMUNIKATIONSSYSTEME
Funkkommunikation
Nachtsichttechnologien
Verteidigungsnetzwerke
Radar
…
Harris Proprietary Information
KRITISCHE NETZWERKE
Flugverkehrskontrolle
Energie
Maritime Kommunikation
Bodenstationen
Netzwerke
IT Dienstleistungen
IT Infrastrukturen
…
ELEKTRONISCHE
SYSTEME
Avionik
Simulation
Elektronische Kriegsführung
Unterwassersysteme
C4i
…
WELTRAUM-SYSTEME
Erdbeobachtung
Wetterdienste
Geoinformation
Sensorik
Analyse
LiDAR
…
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Harris Geschäftsfelder – Weltraum-Systeme
Komplettlösungen für Erdbeobachtung, Geodaten, Wetterdienste,
Sicherheit und Aufklärung. Basierend auf hochentwickelten Sensoren und
Trägersystemen, moderner Datenverarbeitung und Informationsanalyse.
1
Scatter Radar
Raumfahrt
Wetter
Geospatial
Prozessierung
Zeitsignale und Navigation
VIS - Visual Information Solutions
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Produktübersicht
HARRIS GEOSPATIAL bietet Software und Lösungen für alle Abschnitte
der Geoinformationskette − von Datenaufnahme und Import über
Prozessierung und Analyse bis zur Informationsverbreitung.
ENVI
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IDL
SARscape
Service
& Training
Geodaten
(Luftbilder, LiDAR,
Satellitendaten)
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Platinum-Partnerschaft mit ESRI
Eine integrierte Lösung für GIS und Fernerkundung.
ENVI-Bildanalysefunktionen auf der ArcGIS®-Plattform.
ENVI
ArcGIS®
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MOTIVATION
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Motivation
„Kriegsluftbilder [weisen] häufig geometrische und fotografische
Besonderheiten auf, die auf technische Rahmenbedingungen oder
Umstände der Befliegungen zurückzuführen sind.“1
• Fehlende oder verminderte Überdeckungen.
• Geometrische Fehler in besonderem Maße.
• Fotografisch schlechte Bildqualität.
Einschränkungen hinsichtlich der
photogrammetrischen Methoden
und der Stereoauswertung.
Dann „muss die Orientierung von
Einzelbildern in Betracht
gezogen werden.“2
1, 2
Arbeitshilfen Kampfmittelräumung, 2014
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Neue Algorithmen zur operationellen Bildregistrierung und ihre GIS-Integration | 11
Motivation
Bildregistrierung für:
Georeferenzierung
Veränderungsdetektion
Quellbild
Datenfusion
3D-Modellierung
Anforderungen:
Bildkorrelation
Generierung von
Höhenmodellen
Transformation
& Interpolation
Mosaickierung
Referenzbild
Hohe Genauigkeit
Automatisierung
Boulder, CO, U.S.A.; Referenzbild: Quickbird; Quellbild: Ikonos; Methode: Kreuzkorrelation;
Geometrisches Modell: Globale Transformation; 104 Verknüpfungspunkte.
© DigitalGlobe, Inc. Alle Rechte vorbehalten.
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HYPARE
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HyPARE (Hybrid Powered Auto-Registration Engine)
Automatisierte Erzeugung von Verknüpfungspunkten
Kombination aller verfügbaren räumlichen Referenzinformationen
mit einer Reihe von Registrierungsansätzen.
Erzeugung der Verknüpfungspunkte:
• Kreuzkorrelation
• „Mutual Information“
Verknüpfungspunkte (man.)
Sensormodell
Filterung der Verknüpfungspunkte:
• Geometrische Modelle:
–Globale Transformation
–Zentralprojektion
Epipolare
Geometrie
HyPARE
Registration
Engine
Verknüpfungspunkte (auto.)
–Pushbroom-Sensor mit RPC
• Transformationen:
–Polynom 1. Ordnung
Karteninformation
Geländehöhe
–RST
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Arbeitsablauf zur Bildregistrierung
Satellitenbilder,
Luftbilder, DHM

Editieren der
Verknüpfungspunkte
Dateiauswahl
JA
Auswahl der HyPARE
Algorithmen
Registriertes Bild /
Orthophoto
Optional: Selektion von
Startpunkten
NEIN
Gewünschte
Genauigkeit?
Auswahl der Parameter
Verknüpfungspunkte
Weitere Verarbeitung
Manuelles
Editieren?
NEIN

JA

Transformation
& Interpolation
Nachprüfung

HyPARE
Registration Engine
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REGISTRIERUNG VON
KRIEGSLUFTBILDERN
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Neue Algorithmen zur operationellen Bildregistrierung und ihre GIS-Integration | 16
Registrierung von Luftbildern
Registrierung von
historischen Luftbildern
auf Kartenmaterial
Hannover
Referenz: TK 1:25.000
Quellbild: Luftbild
Methode:
Mutual Information
Geometrisches Modell:
Zentralprojektion
3 Startpunkte
29 Verknüpfungspunkte
Die ausschließlich zu Test- und Präsentationszwecken verwendeten amerikanischen Kriegsluftbilder
sind eine Leihgabe des Kampfmittelbeseitigungsdienstes Niedersachsen.
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Registrierung von Luftbildern
Registrierung von
historischen Luftbildern
auf Kartenmaterial
Hannover
Referenz: TK 1:25.000
Quellbild: Luftbild
Methode:
Mutual Information
Geometrisches Modell:
Zentralprojektion
3 Startpunkte
29 Verknüpfungspunkte
Die ausschließlich zu Test- und Präsentationszwecken verwendeten amerikanischen Kriegsluftbilder
sind eine Leihgabe des Kampfmittelbeseitigungsdienstes Niedersachsen.
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Neue Algorithmen zur operationellen Bildregistrierung und ihre GIS-Integration | 18
Registrierung von Luftbildern
Registrierung von
historischen Luftbildern
Hannover
Referenz: Luftbild
Quellbild: Luftbild
Methode:
Kreuzkorrelation
Geometrisches Modell:
Zentralprojektion
3 Startpunkte
79 Verknüpfungspunkte
Die ausschließlich zu Test- und Präsentationszwecken verwendeten amerikanischen Kriegsluftbilder
sind eine Leihgabe des Kampfmittelbeseitigungsdienstes Niedersachsen.
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Registrierung von Luftbildern
Registrierung von
historischen Luftbildern
Hannover
Referenz: Luftbild
Quellbild: Luftbild
Methode:
Kreuzkorrelation
Geometrisches Modell:
Zentralprojektion
3 Startpunkte
79 Verknüpfungspunkte
Die ausschließlich zu Test- und Präsentationszwecken verwendeten amerikanischen Kriegsluftbilder
sind eine Leihgabe des Kampfmittelbeseitigungsdienstes Niedersachsen.
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AUTOMATISIERUNG UND
IMPLEMENTIERUNG IN ArcGIS®
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ENVI 5 API
ENVITask-System
• Moderne, objektorientierte IDL-Programmierschnittstelle.
• Schließt die Lücke von der Desktop-Anwendung zur Enterprise-Lösung.
AdditiveLeeAdaptiveFilter
AdditiveMultiplicativeLeeAdaptiveFilter
ApplyGainOffset
AutoChangeThresholdClassification
BinaryGTThresholdRaster
BinaryLTThresholdRaster
BitErrorAdaptiveFilter
BuildBandStack
BuildIrregularGridMetaspatialRaster
BuildMetaspatialRaster
BuildMosaicRaster
BuildRasterSeries
BuildTimeSeries
CalculateCloudMaskUsingFmask
CalculateQUACGainOffset
ChangeThresholdClassification
ClassificationAggregation
ClassificationClumping
ClassificationSieving
ClassificationSmoothing
ClassificationToShapefile
ColorSliceClassification
ConvertGeographicToMapCoordinates
ConvertMapToGeographicCoordinates
ConvertMapToPixelCoordinates
ConvertPixelToMapCoordinate
CreatePointCloudSubProject
DarkSubtractionCorrection
DataValuesMaskRaster
DimensionsResampleRaster
DirectionalFilter
DirectionalKernel
EnhancedFrostAdaptiveFilter
EnhancedLeeAdaptiveFilter
EqualizationStretchRaster
ExportColorSlices
ExportRasterToPNG
FXSegmentation
FilterTiePointsByFundamentalMatrix
FilterTiePointsByGlobalTransform
FilterTiePointsByGlobalTransformWithOrthorectification
FilterTiePointsByPushbroomModel
ForwardICATransform
ForwardMNFTransform
ForwardPCATransform
FrostAdaptiveFilter
GammaAdaptiveFilter
GaussianHighPassFilter
GaussianHighPassKernel
GaussianLowPassFilter
GaussianLowPassKernel
GaussianStretchRaster
GenerateGCPsFromReferenceImage
GenerateGCPsFromTiePoints
GeneratePointCloudsByDenseImageMatching
GenerateTiePointsByCrossCorrelation
GenerateTiePointsByCrossCorrelationWithOrthorectification
GenerateTiePointsByMutualInformation
GenerateTiePointsByMutualInformationWithOrthorectification
GeoJSONToROI
GeoPackageToShapefile
GeographicSubsetRaster
GetColorSlices
GetSpectrumFromLibrary
GramSchmidtPanSharpening
HighClipRaster
HighPassFilter
HighPassKernel
ISODATAClassification
ImageBandDifference
ImageIntersection
ImageThresholdToROI
ImageToImageRegistration
KuanAdaptiveFilter
...
146 Tasks in ENVI 5.3.1
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ENVI 5 API – Beispiel
PRO registerAerialOnMapinArcGIS, inputBase, inputWarp, inputSeed, outputWarp
COMPILE_OPT IDL2
• ENVI starten im Batch-Modus
; Start the application
e = ENVI(/HEADLESS)
•  Quellbild und Referenzbild öffnen
; Open input rasters
rasterBase = e.OpenRaster(inputBase)
rasterWarp = e.OpenRaster(inputWarp)
•  Datei mit Startpunkten öffnen
; Open an existing seed point file
seedPoints = ENVITiePointSet(inputSeed)
•  ENVITask GenerateTiePoints
; Get the auto tie point generation task from the catalog of ENVITasks
TiePointTask = ENVITask('GenerateTiePointsByMutualInformation')
TiePointTask.INPUT_RASTER1 = rasterBase
TiePointTask.INPUT_RASTER2 = rasterWarp
TiePointTask.MATCHING_WINDOW = 61
; default
TiePointTask.MINIMUM_MATCHING_SCORE = 0.010
; default
TiePointTask.REQUESTED_NUMBER_OF_TIEPOINTS =121
; default
TiePointTask.SEARCH_WINDOW = 255
; default = 128
TiePointTask.INPUT_SEED_TIEPOINTS = seedPoints
TiePointTask.OUTPUT_TIEPOINTS_URI = e.GetTemporaryFilename('_tie.pts')
TiePointTask.Execute
•  ENVITask FilterTiePoints
; Get the tie point filter task from the catalog of ENVITasks
FilterTask = ENVITask('FilterTiePointsByFundamentalMatrix')
FilterTask.INPUT_TIEPOINTS = TiePointTask.OUTPUT_TIEPOINTS
FilterTask.OUTPUT_TIEPOINTS_URI = e.GetTemporaryFilename('_filter.pts')
FilterTask.Execute
•  ENVITask ImagetoImageRegistration
; Get the image-to-image registration task from the catalog of ENVITasks
RegistrationTask = ENVITask('ImageToImageRegistration')
RegistrationTask.Full_Extent = 1
; true = default
RegistrationTask.INPUT_TIEPOINTS = FilterTask.OUTPUT_TIEPOINTS
;RegistrationTask.OUTPUT_PIXEL_SIZE = [0.135, 0.135]
RegistrationTask.OUTPUT_RASTER_URI = outputWarp
; e.GetTemporaryFilename('_warp.dat')
RegistrationTask.RESAMPLING = 'Cubic Convolution'
RegistrationTask.WARPING = 'Polynomial'
; default
RegistrationTask.Execute
END
Harris Proprietary Information
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Implementierung in ArcGIS®
Aufruf der Bildregistrierung über
ein benutzerdefiniertes Skriptwerkzeug.
• Python-Skript übernimmt die Parameter
aus dem Dialogfenster und führt den
vorkompilierten IDL-Code aus.
import envipy, arcpy
inputBase = arcpy.GetParameterAsText(0)
inputWarp = arcpy.GetParameterAsText(1)
inputSeed= arcpy.GetParameterAsText(2)
outputWarp = arcpy.GetParameterAsText(3)
toolname = 'registerAerialOnMapinArcGIS'
envipy.RunTool(toolname, [], inputBase, inputWarp, inputSeed, outputWarp)
• IDL-Code dient als Schnittstelle zwischen
dem Python-Script und den ENVITasks.
Aufruf der Bildregistrierung
über die Python-IDL-Brücke.
• Mechanismus für den Aufruf von IDL aus dem Python-Fenster in ArcGIS®.
• IDL-Code dient als Schnittstelle zwischen dem Python-Script und den ENVITasks.
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Implementierung in ArcGIS®
Harris Proprietary Information
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Nutzung als webgestützter Service
Implementierung der ENVITasks zur Bildregistrierung in die
ENVI Services Engine.
Verfügbar als REST-basierte Webservices.
Harris Proprietary Information
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Nutzung als webgestützter Service
Implementierung der ENVITasks zur Bildregistrierung in die
ENVI Services Engine.
Verfügbar als REST-basierte Webservices.
Harris Proprietary Information
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Nutzung als webgestützter Service
ArcGIS Server mit
Portal for ArcGIS | ArcGIS Online
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Nutzung als webgestützter Service
ArcGIS Server mit
Portal for ArcGIS | ArcGIS Online
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AUSBLICK & ZUSAMMENFASSUNG
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Ausblick: Vom Einzelbild zum Bildverbund
ENVI OneButtonTM von Icaros Inc.
Photogrammetrische Lösung zur Orthorektifizierung und Georeferenzierung
von Luftbildern und UAV-Aufnahmen.
• Für alle Kameras und Sensorformate.
• Unterstützt RGB und Multispektral.
• Präzise Verortung von
Nadir- und Schrägaufnahmen.
• Automatisierter Arbeitsablauf.
• Einfache Benutzerführung.
• Vollständige Kontrolle über den
photogrammetrischen Prozess.
• Fortgeschrittene Werkzeuge für
Editierung und Qualitätssicherung.
• Detaillierte Protokollierung.
• Parallelprozessierung und
GPU-Unterstützung
Integriert in ENVI und ArcGIS®.
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Zusammenfassung
HyPARE (Hybrid Powered Auto-Registration Engine)
Kombination aller verfügbaren räumlichen Referenzinformationen
mit einer Reihe von Registrierungsansätzen.
Verbesserung der Genauigkeit, Effizienz und Automatisierung der Erzeugung
von Verknüpfungspunkten sowie der nachfolgenden Bildregistrierung.
Robustheit des Algorithmus ermöglicht die Registrierung von Bildern, die
• aus unterschiedlichen Betrachtungswinkeln,
• zu unterschiedlichen Tages- und Jahreszeiten,
• oder mit verschiedenen bildgebenden Sensoren aufgenommen wurden.
ENVI-ArcGIS® Integration
Automatisierte Bildregistrierung in servicebasierten Informationssystemen,
insbesondere ArcGIS®.
Kombination der Bildregistrierung und -analyse mit dem allgemeinem
Geodatenmanagement im GIS für die historische Gefahrenerkundung.
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(10” x 3.5”)
Vielen Dank!
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www.facebook.com/HarrisGeospatialSolutions
www.twitter.com/ExelisVis
www.youtube.com/user/ExelisVis
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