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TransDEM

DEM-Bearbeitung

 

TransDEM bietet verschiedene Funktionen zur Bearbeitung und auch Erstellung von digitalen Geländemodellen (DEM, Digital Elevation Model).

Dazu gehören Grundfunktionen wie Öffnen, Beschneiden, Zusammenfügen und Speichern. Weiterhin gibt es Funktionen zum Ändern der Auflösung, zum Glätten, zum Auffüllen von Löchern und zur Höhenkorrektur. In verschiedenen Funktionen kommt dabei ein unregelmäßiges Dreiecksnetz (TIN, Triangulated Irregular Network) aus frei setzbaren Stützpunkten zum Einsatz. Schließlich kann mit Hilfe des TIN-Verfahrens auch ein DEM auf der Basis von Höhenlinien künstlich erzeugt werden.

Vorbemerkung: Intern arbeitet TransDEM mit recht viel Mathematik. Mathematische Algorithmen bleiben für den Anwender jedoch verborgen. Die Bedienung von TransDEM ist so konzipiert, dass nur minimale Kenntnisse über DEMs, Koordinaten und Korrekturverfahren erforderlich sind. Diese Kenntnisse können an Hand der mitgelieferten Dokumentation und der Tutorial-Beispiele erworben werden.

Orbitale DEMs

TransDEM war in seinen Lese- und Bearbeitungsfunktionen ursprünglich auf DEMs aus orbitalen Forschungsmissionen ausgelegt, kann aber inzwischen auch kanadische und USGS DEMs lesen sowie alle metrischen und UTM basierten DEMs im MicroDEM .dem-Format und vor allem speichern. Ferner wird ASCII .xyz als Import und Export unterstützt.

ASTER-DEMs

Anmerkung: ASTER-DEMs waren einige Jahre kostenlos verfügbar. Dies ist seit Anfang 2006 nicht mehr der Fall.

ASTER-Daten haben eine Auflösung von 30m. Sie werden in UTM-Koordinaten geliefert. Jedes DEM (ein Granule) hat etwa 60 km Kantenlänge. Durch die schräg zum Koordinatensystem verlaufenden Satellitenumlaufbahnen ergeben sich DEM-Dimensionen von etwa 70 x 70 km. TransDEM kann ASTER-DEMs im geotiff -Format lesen.

ASTER-DEMs sind noch nicht flächendeckend und nicht in konstanter Qualität verfügbar. Auch bereits erfasste Daten sind bisher nur teilweise zu DEMs aufbereitetet worden. Für eine geplante Anwendung ist zunächst eine Datenbankrecherche erforderlich, ob DEMs bereits verfügbar sind oder aus den Rohdaten erstellt werden können. Eine neue DEM-Erstellung dauert etliche Wochen, bereits fertige DEMs sind praktisch sofort verfügbar (in beiden Fällen mit Kosten verbunden).

ASTER-DEMs können Fehler verschiedener Art aufweisen Die bekanntesten sind:

TransDEM bietet verschiedene Funktionen, um viele solcher Fehler durch Bearbeitung korrigieren zu können.

Bild 1: aster-dem.gif (104509 Byte)

Bild 1 zeigt ein typisches ASTER-DEM. Dieses DEM enthält das Maas-Tal, westlich von Aachen im niederländisch/belgisch/deutschen Dreiländereck. Maas, Maas-Seen und einige der Kanäle sind Wasserflächen, die teilweise als DEM-Loch wiedergegeben werden. Das UTM-Gitterraster in diesem Bild beträgt 20 km.

 

SRTM-DEMs

SRTM-Daten haben eine Auflösung von 3 Bogensekunden (außer USA, dort 1 Bogensekunde). 3 Bogensekunden entsprechen etwa 90m auf der Nordachse und in mitteleuropäischen Breiten etwa 60 m auf der Ostachse. Die DEMs werden jeweils für einen Längen-/Breitengrad geliefert (etwa 70 x 100 km in Mitteleuropa). TransDEM liest das SRTM-eigene Datenformat .hgt und konvertiert die Daten bereits beim Einlesen in das UTM-System.

SRTM-DEMs sind für die bewohnten Landflächen der Erde inzwischen weitgehend flächendeckend verfügbar (bis 60° Nord) und können unmittelbar heruntergeladen werden.

Auch SRTM-DEMs können Fehler aufweisen (einige sind inzwischen mit der seit Ende 2005 verfügbaren Version 2 behoben):

Auch SRTM-Fehler können mit TransDEM-Funktionen bearbeitet werden.

Bild 2: srtm-dem.gif (99302 Byte)

Bild 2 zeigt ein SRTM-DEM, von TransDEM bereits in UTM konvertiert. Dieses DEM beschreibt die Landschaft westlich von London mit den Chiltern Hills und dem Themse-Tal. Das UTM-Gitterraster dieser Darstellung beträgt 50 km.

 

ASTER und SRTM im Vergleich

ASTER-DEMs haben für Mitteleuropa auf die Fläche bezogen etwa eine sechs mal größere Auflösung als SRTM-DEMs, 30 x 30 m gegenüber 60 x 90 m. Allerdings weisen ASTER-DEMs mehr meist mehr Fehler auf und bedürfen intensiverer Nachbearbeitung. Das folgende Bild zeigt ASTER und SRTM im Vergleich, links ASTER, rechts SRTM, mit gemeinsamer Auflösung von 30m. Das SRTM-DEM ist dazu entsprechend angepasst worden. ASTER wirkt körnig, SRTM etwas "verwaschen".

aster-srtm.gif (129597 Byte)

Bild 3: ASTER und SRTM nebeneinander. Das Bild zeigt den "Aachener Kessel", im Südwesten den Stadtwald, im Norden das Tal der Wurm. Im "Kessel" ist auch der Lousberg zu erkennen.

Terrestrische DEMs

Direkt unterstützt werden auch kanadische DEMs vom Typ CDED, die in der Auflösung 0,75 oder 1,5 Bogensekunden vorliegen (ca 20m bzw. 40m Gitterweite).

Weiterhin können USGS DEMs der NED-Reihe im Geotiff-Format direkt verarbeitet werden. TransDEM unterstützt die Auflösungen 1 und 1/3 Bogensekunden (ca 30 m bzw 10 m Gitterweite).



DEM-Darstellung

TransDEM visualisiert die Höhen in den DEMs mit Atlasfarben. Zusätzlich kann eine Schummerung aktiviert werden, die einen quasi-dreidimensionalen Eindruck erzeugt. Außerdem kann TransDEM aus dem DEM zur Laufzeit Höhenlinien berechnen und einblenden. 

Bild 4: DEM Präsentation (210 kB)

Bild 4 zeigt ein DEM mit Schummerung und von TransDEM ermittelten Höhenlinien.

 

Beispiele von TransDEM Funktionen für die DEM-Bearbeitung

Zusammenfügen "Merge"

Zu den DEM-Bearbeitungsfunktionen von TransDEM gehört die Hinzufüge-Funktion, im englischen merge. Mit dieser Funktion kann TransDEM einzelne DEMs zu größeren DEMs verschmelzen, auch bei Überlappung, bei unterschiedlicher Auflösung und auch über UTM-Zonengrenzen hinweg.

Bild 4: srtm-merge.gif (391878 Byte)

Bild 5 mit dem Ergebnis eines TransDEM Merge-Prozesses der SRTM-DEMs von 6 x 6 Winkelgraden. Dargestellt ist der nordwestliche Teil Deutschlands. Gut zu erkennen der Harz oder das Rheintal. Die DEMs wurden auf 60 m Auflösung gebracht. Das gesamte DEM hat etwa 84 Milliarden Höhenpunkte und benötigt 107 MB Speicher im binären MicroDEM-Format.

 

Korrektur von Artefakten

Besonders bei ASTER-DEMs tauchen in DEMs künstliche Gebilde auf, Höhen und Senken, die so in der Natur nicht vorkommen, sogenannte Artefakte.

TransDEM bietet Funktionen zur klein- und großflächigen Höhenkorrektur, mit deren Hilfe auch solche Artefakte behandelt werden können.

Mit Hilfe von beliebig im Gelände zu setzenden Kontrollpunkten und einem zwischen diesen Kontrollpunkten von TransDEM aufgespannten Dreiecksnetz können Höhenfehler durch Interpolation behoben werden. Die gesetzten Kontrollpunkte geben dabei die neue Höhe vor.

Die folgende Bildsequenz zeigt eine solche Höhenkorrektur für zwei Artefakte, eine falsche Erhebung und Senke. Mit Hilfe von Kontrollpunkten, deren Höhe unverändert bleibt, werden die Artefakte umgrenzt. Im Innern der Artefakte werden Kontrollpunkte mit neuer Sollhöhe gesetzt. Danach wird das Kontrollpunktnetz zu einer DEM-Neuberechnung herangezogen, die die Artefakte beseitigt.   

Bild 5 : artefact2.gif (15168 Byte)
Bild 6 : artefact3.gif (21306 Byte)
Bild 7 : artefact4.gif (13658 Byte)

Die Bilder 6 - 8 zeigen die Entfernung von Artefakten mit TransDEM. In Bild 6 sind zwei solcher Artefakte identifiziert. Bild 7 zeigt die gesetzten Kontroll- oder Stützpunkte, die zunächst die Artefakte umfassen. Jeweils ein Kontrollpunkt im Inneren der Artefakte gibt die neue Höhe innerhalb der Umgrenzung an. Zwischen den Kontrollpunkten spannt TransDEM ein Dreiecksnetz auf, das bei der Neuberechnung die DEM-Interpolation bestimmt. Das Ergebnis dieser Berechnung ist in Bild 8 zu sehen, die Artefakte sind entfernt.

 

DEM-Löcher füllen

Zum Füllen von Löchern im DEM bietet TransDEM verschiedene Möglichkeiten. Die folgende Bildsequenz stellt sie vor, an Hand der Aufgabe, eine Wasserfläche herzustellen.

Die für den Anwender einfachste Option ist es, eine Rechteckmaske aufzuziehen, und im Inneren der Maske den Auffüllalgorithmus anzuwenden. Gezeigt wird hier allerdings das Verfahren mit Kontrollpunkten.

Das Kontrollpunktnetz besteht im Beispiel aus 6 Punkten (Bild 9). Die 4 Randpunkte sind Fixpunkte. Sie halten diese Punkte und alles außen drum herum auf der bisherigen Höhe fest. Die beiden inneren Punkte, rötlich umrandet, definieren eine neue absolute Höhe, nämlich eine Annahme für die Höhe der Wasserfläche.

Zu den interessanteren Möglichkeiten, die fehlenden Punkte zu ergänzen, gehört die gewichtete Mittelwertbildung mit einem Gaußfilter (hierbei bleiben die inneren Kontrollpunkte unberücksichtigt). Das Ergebnis   (Bild 10) sieht nicht schlecht aus, nur der Charakter einer Wasserfläche stellt sich nicht ein.

Stattdessen der Versuch mit der Dreiecksinterpolation (Bild 11). Jetzt wirken die beiden Punkte mit der neuen, absoluten Höhenvorgabe. Die Höhenlage im ergänzten Bereich ist wesentlich flacher und kommt der Wasserfläche schon nahe. Jedoch ist die Grenze zwischen altem Datenbestand und der Ergänzung deutlich zu sehen.

Deswegen wurde noch ein weiteres Verfahren eingeführt, das in zwei Phasen arbeitet (Bild 12). In der ersten Phase werden die Höhen per Dreiecksinterpolation ergänzt. In der zweiten Phase werden dann im Randbereich zum alten Bestand Punkte mit gewichteten Mittelwerten berechnet und überlagert. Aus diese Weise entsteht ein gleitender Übergang.

Für ganz einfache Löcher gibt es auch noch die Möglichkeit, alle fehlenden Punkte auf eine einheitliche Höhe zu zwingen.

Welches Verfahren für welchen Zweck jeweils am besten geeignet ist, ist von Fall zu Fall entscheiden.

Bild 8: demfill2.gif (47767 Byte)Bild 9: demfill3.gif (69955 Byte)
Bild 10:demfill4.gif (60013 Byte)Bild 11: demfill5.gif (59344 Byte)

Die Bilder 9 -12 zeigen das Auffüllen von Löchern mit verschiedenen Verfahren. Bild 9 (oben links) zeigt das Kontrollpunktnetz; Bild 10 (oben rechts) das gewichtete gaußsche Interpolationsverfahren; Bild 11 (unten links) die lineare, baryzentrische Interpolation über das Dreiecksnetz und Bild 12 (unter rechts) die Kombination der beiden Verfahren.

 

DEM aus Höhenlinen erstellen

Das Dreiecksnetz kann auch benutzt werden, um ein DEM neu zu erstellen, oder großflächig zu ändern, in dem Höhenlinien nachgezeichnet werden. Dazu wird eine topographische Karte hinterlegt (siehe Behandlung von Bitmap-Karten) und die Darstellung des Dreiecksnetzes auf Höhenlinien umgeschaltet. Das Verfahren mit Kontrollpunkten und Dreiecken bleibt hierbei unverändert, lediglich die Darstellung ändert sich. So werden Dreieckskanten mit konstanter Höhe farblich hervorgehoben, was die Nachbildung von Höhenlinien erleichtert.

Bild 12 : contour-lines.gif (228358 Byte)

Bild 13: Dreiecksnetz als Höhenlinien. Die Höhenlinien der Kartenvorlage wurden für dieses Beispiel in 20 m-Schichten nachgezeichnet. An den Stellen, an denen hier gleichfarbige Dreiecke zu sehen sind, entstehen sogenannte Terrassen, die, da meist unerwünscht, noch nachgearbeitet werden müssen.
 

Bild 13 : Albula.jpg (72539 Byte)

Bild 14 zeigt das Ergebnis eines solchen selbst erstellten DEMs aus Höhenlinien. Zu sehen ist eine Beta-Ausgabe der Zusi-Nachbildung der Rhätischen Bahn im oberen Albulatal, gebaut von Christian Omlin. Das mit TransDEM allein auf der Basis topographischer Karten erstellte DEM wurde anschließend vom Geländeformer für den eigentlichen Zusi-Landschaftsbau genutzt.

 


© 2003 - 2006 Roland Ziegler