3D-Stadtmodelle aus höchstauflösenden Satellitenbildern · Ableitung von Objekten durch...

AUTOMOTIVE INFOKOM VERKEHR,UMWELT & ENERGIETECHNIK

LUFTFAHRT RAUMFAHRT VERTEIDIGUNG &SICHERHEIT

3D-Stadtmodelle aus höchstauflösenden Satellitenbildern

Workshop 3D-Stadtmodelle der DGfK und DGPFBonn, 06.11.2012

Dipl.-Geogr. Johann Sehner, IABG mbH

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Themenabgrenzung und Motivation

3D-Stadtmodelle für Regionen, in der eine Flugzeuggetragene Befliegung nicht möglich ist, zu teuer ist oder zu langsam istIn Entwicklungs- und Schwellenländer häufig keine Gebäudegrundrisse und kein Lidar-DOM/ DGM Vorteil bei der Nutzung von Satellitenbildern: Weltweit verfügbar, redundant, preiswert, großflächig Interpretation höchstauflösenden stereoskopische Satellitenbilddaten. Vorteil: Maximaler Detaillierungsgrad und thematische Qualität, dritte DimensionFlächendeckende Erfassung dreidimensionaler Vektordaten in urbanen Räumen, keine ‚Pixel‘, sondern ‚intelligente‘ GeoinformationZur Generierung virtueller Welten zusätzlich Ableitung von Geländemodell und OrthophotoGlobale Anwendungen:§ Unterstützung militärischer Einsätze (Simulation/ Virtuelles Training, Lagerschutz,

Evakuierung, Stadtpläne), zukünftig humanitärer Einsätze in Krisenregionen§ Notfallkartierung bei Naturkatastrophen (Im Idealfall vorher/ nachher Vergleich, Fokus

Erdbeben)§ Urbanes Risikomanagement in Entwicklungsländern (Hangrutschung, Überschwemmung,

Tsunami)Potentielle nationale Anwendungen: Aktualisierung von 3D-Stadtmodellen

06.11.2012, Johann Sehner

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IABGGesamtleistung: ca. 170 Mio. €* - Mitarbeiter: ca. 1.000

(davon ca. 10% Investitionen in Forschung und Entwicklung, Anlagen, Personalentwicklung)

Automotive

Mitarbeiter:ca. 120

Entwicklung undBetrieb Mechatro-nischer Test-Sys-teme für OEM u.Zulieferer

Verteidigung & Sicherheit

Mitarbeiter:ca. 370

Betrieb von mili-tärischen Simula-tions- und Test-systemen für Analysen undKonzeptionen

Luftfahrt

Mitarbeiter:ca. 160

Betriebsfestig-keitsversuche für Gesamtzellen und Baugruppen

Mobilität, Energie & Umwelt

Mitarbeiter:ca. 100

Lösungen fürUmweltschutz, Elektromobilitätund die Energie-wende

InfoKom

Mitarbeiter:ca. 130

Entwicklung undBetrieb von sicheren IuK-Systemen

Raumfahrt

Mitarbeiter:ca. 130

Betrieb ESA-koordinierter Raumfahrt-Testzentren in Ottobrunn undNoordwijk

87,4 % SCHWARZ Holding GmbH

12,6% IABG Mitarbeiterbeteiligungs AG

Die IABG ist ein führendes europäisches Technologie-Unternehmen mit den Kernkompetenzen Analyse, Simulation & Test


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Die IABG Geodaten Factory


Dienstleister im Bereich Fernerkundung, Photogrammetrie und GeoinformatikIn 2011: 134 Projekte mit einem Umsatz von 5,7 Mio € bearbeitetEffizientes Team von 80 Experten in Dresden und OttobrunnKunden: Bundeswehr, Bundesämter, Landesämter, Kommunen, EU Organisationen, MobilfunkunternehmenBediente Märkte: Militär, Kataster/Vermessung, Flächenplanung, Umweltschutz, Wasserwirtschaft, Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Telekommuni-kation, Ver-/Entsorgung

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Inhalt

1. Photogrammetrie: Genauigkeiten und Auswerteverfahren

2. Optische Stereofähige Satelliten-Sensoren

3. Objekterfassung und -modellierung

4. Virtuelle Welt Kunduz

5. Zusammenfassung


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Photogrammetrie: Orientierung von Satellitenbildern

Zu den Satellitenszenen wird zusätzlich die genäherte Satellitenorientierung in Form rationaler Polynomkoeffizienten (RPC) geliefertRPCs beschreiben Sensorkoordinaten als Funktion der geografischen ObjektkoordinatenDie Genauigkeit reicht häufig in der Praxis nicht ausKorrektur der Lage und Höhe mithilfe von GCPs (Ground Control Point)Verbesserung durch Berechnung von Verknüpfungspunkten zwischen Bildern und Bündelblockausgleich


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Photogrammetrie: Erzielbare Genauigkeiten

Absolute und relative Genauigkeit, horizontale und vertikale Genauigkeit, verschiedene Genauigkeitsmaße: RMSE, CE90, LE90…Abhängig von der Genauigkeit des Orbitmodells des SensorsAbhängig von Verfügbarkeit, Genauigkeit und Verteilung von BodenpasspunktenAbhängig vom Aufnahmewinkel des SensorsBei Orthophoto abhängig von der Genauigkeit des GeländemodellsVerkippung von Objekten über der Geländeoberfläche (Gebäude, Bäume…) abhängig vom Aufnahmewinkel des Sensors. Alternative: ‚True Orthophoto‘

Alaska Mapped Imagery Workshop Whitepaper, 2009, www.alaskamapped.org


http://www.alaskamapped.org

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Photogrammetrie: Manuelle Auswerteverfahren

HardwareVermessung z.B. an Stereo-Bildschirmen von Planar: Visualisierung durch zwei polarisierte Flachbildschirme, einem halbtransparenten Spiegel und einer polarisierten BrilleHohe Genauigkeit und Effizienz durch spezielle Zweihand-Maus in Kombination mit Sprachsteuerung

SoftwareAuswertung der Stereo-Bilder in GIS-Software (z.B. ArcGIS), einer Stereo-Erweiterung (z.B. Stereo Analyst für ArcGIS) und Mehrbenutzer-DatenbankZusätzliche Software-Erweiterungen für performante Objekt-Aufnahme, z.B. von Gebäude und Gelände

MethodenbewertungVorteile: Hoher Detailgrad und maximale thematische Qualität. Exakte Lage- und Höhenmessung. Keine Objekt-Verkippung und sichttote Bereiche Nachteil: Hoher Arbeitsaufwand


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Photogrammetrie: Automatisierte Objektextraktion

Automatisierte Auswertung von Stereo-BildernAbleitung von digitalen Oberflächen- bzw. Höhenmodellen durch autom. Punktzuordnungs-Verfahren (Korrelation, Matching). Autom. Ableitung von Objekten durch objektorientierte Bildanalyse (OBIA) aus (True-) Orthophotos und/oder Reliefanalyse digitaler Oberflächenmodelle. Mächtig durch Nachbarschaftsanalyse.Extraktion der Landnutzung und -bedeckung überwiegend automatisiert möglichHerausforderung bei sonstigen Objekten: Geringe Bildauflösung, weltweit große Vielfalt an Gebäudetypen, Abgrenzung von Gebäuden in der Nähe von Bäumen, ObjektverkippungRein automatisch abgeleitete Daten erreichen häufig nicht die Qualitätsziele, deshalb oft Kombination beider Verfahren.


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Photogrammetrie: Automatisierte Objektextraktion

Hochwertiges DOM + DGM als Vorrausetzung für Extraktion von Gebäude und Vegetationskörpern


Stereo-satelliten-

szene

GCPVerbesserungOrientierung

DOM

DGM

TrueOrthophoto

Differenz-modell

Vegetation

Gebäude

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Inhalt





5. Zusammenfassung


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Optische Stereofähige Satelliten-Sensoren: Überblick

2000 – erster hochauflösender (1m), stereofähigerErdbeobachtungssatellit (IKONOS)

Seitdem: Verbesserung der Technologie mit Quickbird, WorldView-1/2,GeoEye-1 und Pléiades

Die Entwicklung im Überblick

Erhöhung der Auflösung und Vergrößerung der Szenenfläche

*NIR-Kanal: ~760-900nm

IKONOS QuickBird GeoEye-1 WV-1 WV-2 Pléiades

Programmdauer 1999-heute (geplant 2009) 2001-2014 2008-2018 2007-2014 2009-2016 2011-2016

IKONOS QuickBird GeoEye-1 WV-1 WV-2 PléiadesAuflösung (pan) 1m 0,6m 0,5m 0,5m 0,5m 0,5m (0,7m)Spektrale Kanäle* RGB + NIR RGB + NIR RGB + NIR Pan RGB + NIR + 4 RGB + NIR

Szenenfläche 11 x 11km 16,5 x 16,5km 15,2 x 15,2km 17,5 x 17,5km 16,4 x 16,4km 20 x 20km

Satellite Imaging Corporation


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Optische Stereofähige Satelliten-Sensoren: Agilität

Schnellere Wiederholungsraten, höhere Agilität und Aufnahmekapazität

* Werte für maximale Auflösung und Verkippung <20° off-nadir (bei GeoEye <28°)

§ Beispielhaft für WorldView-2

§ Beispiel-Video: Reaktionsfähigkeit des Pléiades


Wiederkehrzyklus* 2,9 Tage 5,6 Tage 2,8 Tage 5,9 Tage 3,7 Tage 2,7 TageAgilität 7.5 km/sec. 5,4km/sec. 7.5 km/sec. 20km/sec. 20km/sec. 20km/sec.Aufnahmekapazität (pan)

150.000km²/Tag

135.000km²/Tag

700.000km²/Tag

750.000km²/Tag

975.000km²/Tag

1.000.000km²/Tag

Quelle: European Space Imaging


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Optische Stereofähige Satelliten-Sensoren: Genauigkeit

Verbesserung der nativen Lagegenauigkeit

*ohne Ground Control Points

Rahmenbedingungen einer Bestellung

*Umrechnungskurs Oktober 2012: 1USD = 0,76€

IKONOS QuickBird GeoEye-1 WV-1 WV-2 PléiadesNative Genauigkeit*(Angabe Provider)

15m CE90 (22m LE90)

23m CE90(17m LE90)

4m CE90(6m LE90)

6,5m CE90(6,5m LE90)

6,5m CE90(6,5m LE90) 4,5m CE90

Korrigierte Genauigkeit(Angabe Provider)

4m CE90(6m LE90) 4m CE90 2m CE90

(3m LE90) 2m CE90 2m CE90 1,5m CE90(1,5m LE90)


Provider

Vertrieb für Deutschland

Programmierbarkeit P P P P P P

Preise* Stereo-Bilder (Archiv/Tasking) 27/27 €/km² 21/30 €/km² 30/30 €/km² 21/30 €/km² 21/30 €/km² 20/29 €/km²

Beschaffungsdauer Stereo-Bilder (Archiv/Tasking)

<10/>60 Arbeitstage 3/3 Arbeitstage >60/>60

Arbeitstage 3/3 Arbeitstage 3/3 Arbeitstage 3/3 Arbeitstage


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Optische Stereofähige Satelliten-Sensoren: Ausblick

Pléiades-2Start: 2012/13§ Kommerzielle Auflösung: 0,5m§ Gleiche Technologie wie Pléiades-1

GeoEye-2Geplanter Start: 2013§ Kommerzielle Auflösung: 0,5m§ Gleiche Technologie wie GeoEye-1, jedoch mit verbesserter „direct tasking“ Funktionalität

WorldView-3Geplanter Start: 2014§ Kommerzielle Auflösung: 0,5m§ Gleiche Technologie wie WorldView-2 (8 Bänder)


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Inhalt





5. Zusammenfassung


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Objekterfassung und –modellierung

Welche Objekte und Objekteigenschaften können mit hoher Güte aus Bildern mit 0,5-1m Bodenauflösung extrahiert werden?


WorldView-2 (50cm) Luftbild (20cm)

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WorldView-2 (50cm)Luftbild (20cm)

Beispiel: Kleine Gebäude sind im orthorektifizierten Satellitenbild nicht immer eindeutig erkennbar → Stereoskopische Auswertung und/oder DOM liefert nicht nur Z-Koordinate, sondern erhöht auch die thematische Qualität

© IABG 2012 1906.11.2012, Johann Sehner


Durch Satellitenbildauswertung LOD2 erzielbar

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AbstractBuilding attribute class1000 habitation 1100 schools, education, research

1010 sanitation 1110 maintainence and waste management

1020 administration 1120 healthcare

1030 business, trade 1130 communicating

1040 catering 1140 security

1050 recreation 1150 storage

1060 sport 1160 industry

1070 culture 1170 traffic

1080 church institution 1180 function

1090 agriculture, forestry



Erkennbarkeit von Objekt-Eigenschaften aus Satellitenbildern und evtl. unterstützende Quellen (z.B. Stadtplan)Empfohlene internationale CityGML Code-ListenGrün: Eindeutig erkennbarOrange: Bedingt erkennbarRot: Nicht erkennbar



AbstractBuilding attributes function and usage1000 residential building 1840 rubbish bunker

1010 tenement 1850 building for rubbish incineration

1020 hostel 1860 building for rubbish disposal

1030 residential- and administration building 1870 building for agrarian and forestry

1040 residential- and office building 1880 barn

1050 residential- and business building 1890 stall

… …

1340 petrol / gas station 2180 activity building

1350 washing plant 2190 library

1360 cold store 2200 fort

1370 depot 2210 religious building

1380 building for research purposes 2220 church

1390 quarry 2230 synagogue

1400 salt works 2240 chapel

1410 miscellaneous industrial building 2250 community center

1420 mill 2260 place of worship

1430 windmill 2270 mosque

… …



BuildingInstallation attribute class1000 outer characteristics 1040 communicating

1010 inner characteristics 1050 security

1020 waste management 1060 others

1030 maintenance

BuildingInstallation attributes function and usage1000 balcony 1040 tower (part of a building)

1010 winter garden 1050 column

1020 arcade 1060 stairs

1030 chimney (part of a building) 1070 others

AbstractBuilding attribute roofType1000 flat roof 1070 pavilion roof

1010 monopitch roof 1080 cone roof

1020 dual pent roof 1090 copula roof

1030 gabled roof 1100 sawtooth roof

1040 hipped roof 1110 arch roof

1050 half-hipped roof 1120 pyramidal broach roof

1060 mansard roof 1130 combination of roof forms



AbstractTunnel attribute class1000 traffic 1030 others

1010 supply

1020 historical

AbstractTunnel attributes function and usage1000 railway tunnel 1020 canal tunnel

1010 roadway tunnel 1030 pedestrian tunnel

AbstractBridge attribute class1000 arced bridge 1040 truss bridge

1010 cable-stayed bridge 1050 pontoon bridge

1020 deck bridge 1060 suspension bridge

1030 cable-stayed overpass

AbstractBridge attributes function and usage1000 railway bridge 1040 canal bridge

1010 roadway bridge 1050 aqueduct

1030 cable link 1060 foot bridge



CityFurniture attribute class1000 traffic 1020 security1010 communication 1030 others

CityFurniture attributes function and usage1000 communication fixture 1270 pole

1010 telephone box 1280 radio mast

1020 postbox 1290 aerial

1030 emergency call fixture 1300 radio telescope

1040 fire detector 1310 chimney

1050 police call post 1320 marker

1060 switching unit 1330 hydrant

1070 road sign 1340 upper corridor fire-hydrant

1080 traffic light 1350 lower floor panel fire-hydrant

1090 free-standing sign 1360 slidegate valve cap

1100 free-standing warning sign 1370 entrance shaft

1110 bus stop 1380 converter

1120 milestone 1390 stair

1130 rail level crossing 1400 outside staircase

… …



LandUse attribute class1000 Settlement Area 3000 Vegetation 1100 Undeveloped Area 4000 Water2000 Traffic

LandUse attributes function and usage1010 Residential 2050 Track

1020 Industry and Business 2060 Square

1030 Mixed use 3010 Grassland

1040 Special Function Area 3020 Agriculture

1050 Monument 3030 Forest

1060 Dump 3040 Grove

1070 Mining 3050 Heath

1110 Park 3060 Moor

1120 Cemetary 3070 Marsh

1130 Sports, leisure and recreation 3080 Untilled land

1140 Open pit, quarry 4010 River

2010 Road 4020 Standing Waterbody

2020 Railway 4030 Harbour

2030 Airfield 4040 Sea

2040 Shipping



SolitaryVegetation attribute class1000 shrub 1060 coniferous tree1010 low plants 1070 decidous tree1020 medium high plants 1080 bushes1030 high plants 1090 aquatic plants1040 grasses 1100 climber1050 ferns 9999 unknown

Plant Cover attribute class1010 Lemnetea 1280 Arrhenatheretea

1020 Asplenietea rupestris 1290 Molinio-Juncetea

1030 Adiantetea 1300 Scheuchzerio-Caricetea fuscae azidophile

1040 Thlaspietea rotundifolii 1310 Festuco-Brometea

1050 Crithmo-Limonietea 1320 Elyno-Seslerietea

1060 Ammophietea 1330 Caricetea curvulae azidophile

1070 Cakiletea maritimae halophile 1340 Calluno-Ulicetea

1080 Secalinetea 1350 Oxycocco-Sphagnetea

1090 Chenopodietea 1360 Salicetea purpureae

1100 Onopordetea 1370 Betulo-Adenostyletea

1110 Epilobietea angustifolii 1380 Alnetea glutinosae

… …



AuxiliaryTrafficArea attribute function1000 soft shoulder 1300 traffic island1010 hard shoulder 1400 bank1020 green area 1410 embankment, dike1030 middle lane 1420 railroad embankment1040 lay by 1430 noise protection1100 parking bay 1440 noise protection wall 1200 ditch 1500 noise guard bar 1210 drainage 1600 towpath1220 kerbstone 1700 others1230 flower tub

TrafficArea attribute function1 driving_lane 20 crosswalk

2 footpath 21 barrier

3 cyclepath 22 stairs

4 combined foot-/cyclepath 23 escalator

5 square 24 filtering lane

6 car_park 25 airport_runway

7 parking_lay_by 26 airport_taxiway

8 rail 27 airport_apron


Objekterfassung und –modellierung9 rail_road_combined 28 airport_heliport10 drainage 29 airport_runway_marking11 road marking 30 green spaces 12 road_marking_direction 31 recreation13 road_marking_lane 32 bus_lay_by14 road_marking_restricted 33 motorway 15 road_marking_crosswalk 34 motorway_entry 16 road_marking_stop 35 motorway_exit17 road_marking_other 36 motorway_emergency lane18 overhead wire (trolley) 37 private_area19 train platform 9999 unknown

TrafficArea attribute usage1 pedestrian 9 boat, ferry, ship

2 car 10 teleferic

3 truck 11 aeroplane

4 bus, taxi 12 helicopter

5 train 13 taxi

6 bicycle 14 horse

7 motorcycle 9999 unknown

8 tram, streetcar



TrafficArea and AuxiliaryTrafficArea attribute surfaceMaterial1 asphalt 8 soil 2 concrete 9 sand3 pavement 10 grass4 cobblestone 11 wood5 gravel 12 steel6 rail_with_bed 13 marble7 rail_without_bed 9999 unknown

TransportationComplex attribute class1000 private 1050 air traffic

1010 common 1060 rail traffic

1020 civil 1070 waterway

1030 military 1080 subway

1040 road traffic 1090 others



TransportationComplex attribute function and usage1000 road 1855 railway track

1010 freeway/motorway 1860 magnetic levitation train

1020 highway/national primary road 1900 railway station

1030 land road 1910 stop

1040 district road 1920 station

1050 municipal road 2000 power-wheel

1060 main through-road 2100 airport

1100 freeway interchange/ highway junction 2110 international airport

1110 junction 2120 regional airport

1200 road 2130 landing place

1210 driveway 2140 heliport

1220 footpath/footway 2150 landing place

1230 hiking trail 2160 gliding airfield

1240 bikeway/cycle-path 2170 taxiway

1250 bridleway/bridlepath 2180 apron

1260 main agricultural road 2190 runway

1270 agricultural road 2200 canal

… …



WaterBody attribute class1000 sea 1140 flooded land

1010 tidal waterbody 1150 artificial waterbody

1020 watercourse 1160 aqueduct

1030 river / stream 1170 canal

1040 ditch 1180 port basin

1050 spring / water hole 1190 reservior

1060 lake / pont 1200 excavation pont

1070 bayou 1210 moat

1080 body of standing water 1220 pool

1090 waterfall 1230 fountain

1100 rapids 1240 well

1110 swamp 1250 cistern

1120 sinkhole (karst) 1260 fish ladder

1130 ephemeral watercourse 9999 unknown



WaterBody attribute function1000 nature-sanctuary 1090 public swimming 1010 protected waterbody 1100 public fountain 1020 reservoir 1110 private waterbody1030 retention waterbody 1120 irrigation waterbody1040 flood plain waterbody 1130 watering place1050 waterway 1140 industrial waterbody1060 habor waterbody 1150 waterbody for fire-fighting1070 sluice waterbody 9999 unknown1080 sewage system

WaterBody attribute usage1000 sanctuary 1110 industrial / craft water supply

1010 recreation / sports 1120 military use

1020 drinking water supply 1130 mining / excavation

1030 hydroelectric water supply 1140 irrigation water supply

1040 ocean shipping 1150 fishing water

1050 inland shipping 1160 fish farm

1060 sewer 1170 archaeological site

1070 port 1180 water protection area

… …

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Objekterfassung und –modellierung DOM/DGM

High Resolution Elevation (HRE): Standard des NGA für hochauflösende Geländemodelle in einem Raster mit gleichmäßigen Abständen. Ersetzt den de facto Standard HRTE/HRTI und ergänzt DTED 0-2 seit 2009. 8 Ebenen.Max. bis zu HRE10 durch Stereo-Satellitenbildvermessung möglich. Höhere Qualität durch Tri-Stereo-PaareDOM: Kombination von autom. Punktzuordnungsverfahren, autom. Filterung von Artefakten und manueller Erfassung von Bruchkanten, v.a. GewässernDGM: Filterung und Einebnung von Gebäuden und Vegetation. Hoher Aufwand in städtischen und vegetationsreichen Gebieten. Modellierung von Stillgewässer und Fließgewässer, Strassenfläche, Gebäudegrundriss etc.

HRE Ebene

HRE Name

Zellen-größe

(Meter)

Horiz. Genauigk.

(CE90)

Vert. Genauigk.

(LE90)

2 HRE80 8 <10 <8

3 HRE40 4 <5 <4

4 HRE20 2 <3 <2

5 HRE10 1 <2 <1

6 HRE05 0,5 <1 <0,5


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Kunduz 3D: Auswertegrenzen und Ergebnisse

Basierend auf zwei überlappenden IKONOS-

Szenen

Gesamtfläche: 173 km²

Kunduz-Stadt: im Nordwesten der Szene

Deutsche und internationale ISAF-Lager

Vermessene 3D-Objekte:

38.000 Gebäude

6.900 Vegetationsobjekte

1.700 Landnutzungsflächen

700 Straßenabschnitte

…

Digitales Geländemodell: Qualität entspricht

HRE20

Orthophoto: Als RGB oder CIR mit 1m

Bodenauflösung

Datenformat/-modell: CityGML, ESRI

Geodatenbank / DFDD

Kunduz-Stadt

ISAF-Lager


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Zusammenfassung

Aktuelle optische Satelliten ermöglichen eine weltweite, präzise, dreidimensionale und großflächige Vermessung der realen Welt3D-Stadtmodelle aus stereoskopischen höchstauflösenden Satellitenbildern liefern wertvolle Unterstützung bei militärischen Einsätzen, dem internationalen Krisenmanagement und der EntwicklungshilfeDie erzielte geometrische Genauigkeit: LOD2Differenzierung der Objekteigenschaften: Gut bei Dachformen, Landnutzung, Vegetation und Gewässer. Eingeschränkt bei Gebäudenutzung und VerkehrsflächenGroßteil der Straßenmöblierung nicht erkennbarDreidimensionale Boden-Passpunkte mit Submeter-Genauigkeit sind notwendig für präzise absolute ObjektvermessungManuelle photogrammetrische Vermessung in Kombination mit automatischen Verfahren für hochwertige und effiziente Vektordatenerzeugung

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!


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Kontakt

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Johann SehnerProduktionsleiter Geodaten Factory

IABG mbHHermann-Reichelt-Str. 301109 DresdenDeutschland

Tel +49 351 8923 121Fax +49 351 8923 133E-Mail [email protected] www.iabg.de


mailto:[email protected]

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