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