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Maschinelle Koregistrierung von umfangreichen heterogenen Datenmengen planetarer Oberflächen zur systematischen Erstellung von globalen Bild- und Topographiemodellen

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Im Rahmen des Projekts "Koregistrierung" werden globale Bild- und Topographie-Modelle von planetaren Oberflächen erstellt. Methoden aus den Bereichen "Big Data" und Künstliche Intelligenz sollen die großvolumige und automatische Zusammenführung von Einzelbildern zu zusammenhängenden Mosaiken ermöglichen.

Ein entscheidendes Problem bei der Prozessierung der Daten ist die mangelhafte Lagegenauigkeit. Die Bildlage wird durch Strahlenschnitt von der Position der jeweiligen Kamera auf der Raumsonde und ihrer Orientierung mit der Planetenoberfläche ermittelt. Aufgrund der großen Entfernung der Kamera zum Planeten ergeben kleinste Abweichungen dieser Kameraorientierungen Lagefehler von bis zu mehreren hundert Pixeln, bezogen auf das kartenprojizierte Bildprodukt. Sollen zwei benachbarte Bilder miteinander verbunden werden, wirkt sich dies in Form von geometrischen Versätzen, sowie dem Fehlen oder Verdoppeln von abgebildeten Merkmalen der Oberfläche aus. Relativ zueinander lassen sich mehrere Bilder durch das Finden von gemeinsamen Bildpunkten ausgleichen – da es jedoch auf fremden Himmelskörpern keine flächendeckende Bodenkontrolle gibt, muss zur absoluten Bestimmung der Bildlage ein Referenzdatensatz herangezogen werden, dessen Lage gut bekannt ist – die Daten werden zueinander koregistriert.

Für den Mars wird hierfür meist auf ein Digitales Geländemodell (DGM) des Mars Orbiter Laser Altimeter (MOLA) Experiments zurückgegriffen. Das Laseraltimeter weist eine hohe Lagegenauigkeit auf und ist nahezu global für den Planeten verfügbar. Die relative Bodenkontrolle mittels MOLA ist jedoch limitiert, aufgrund der geringen lateralen räumlichen Auflösung von 463 m/px am Äquator und 116 m/px an den Polen.

Im großen Gegensatz dazu bestehen die globalen Mosaik-Produkte der HRSC jeweils aus einem gemeinsamen Satz von pixelgenau überlagertem DGM (50 m/px) und Orthobild (12,5 m/px), die beide bereits mit DGM-Genauigkeit auf MOLA verankert sind. Aufgrund der photogrammetrischen Möglichkeiten einer 5fach-Stereokamera wird eine Verbesserung der DGM-Auflösung von einer Größenordnung gegenüber MOLA erreicht. Aus diesem Grund stellt die Kombination aus DGM- und Bildmosaik den idealen Datensatz dar, um die anderen hochauflösenden Kameradaten in ihrer Lagegenauigkeit auf dem Planeten zu verbessern und geometrische Überlagerungen zu vermeiden. Ausserdem müssen jegliche Bilder zur geometrischen Entzerrung mit Hilfe eines DGM orthorektifiziert werden, um die Bildverzerrungen durch die Abbildungsperspektive zu korrigieren. Dabei hängt die Qualität der Entzerrung erheblich von der Auflösung und Genauigkeit des DGMs ab. Diese bald in globaler Abdeckung vorliegenden HRSC-Mosaike eignen sich aufgrund der pixelgenauen Überlagerung von DGM und Bildmosaik und ihrer kontrollierten Anpassung an MOLA optimal zur Korrektur der Lagegenauigkeit sowie zur Verbesserung der Genauigkeit bei der geometrischen Entzerrung mittels Orthorektifizierung.

Gegenwärtig befinden sich drei hochaufösende aktive Kamerasysteme im Orbit um den Mars, deren Daten frei zugänglich sind: Context Imager (CTX), High Resolution Imaging Science Experiment (HiRISE) und das Colour & Sterreo Surface Imaging System (CaSSIS). Die Aufnahmen der Systeme sind zwar als Einzelbilder, nicht jedoch als zusammenhängende Mosaike verfügbar. Aufgrund der nahezu globalen Abdeckung von CTX sind diese Daten ideal zur Erzeugung hochauflösender Bildmosaike geeignet. Dagegen werden die Bilder der HiRISE Kamera keine globale Abdeckung erreichen, aufgrund ihrer sehr hohen Auflösung zeigen sie aber an den vorhandenen Stellen wesentlich feinere Details. Die CaSSIS-Daten sind in ihrer Auflösung mit CTX zu vergleichen und besitzen eigene Farbkanäle. Für die High Resolution Stereo Camera  sind bereits offizielle Bildmosaike in Bearbeitung.

Daten

Kamera Mission Auflösung Missionsalter # Szenen Abdeckung
 CTX  MRO  6.0 m/px  15 Jahre  119.030  98 %
 HiRISE  MRO  0.3 m/px  15 Jahre  137.400  3 %
 CaSSIS  TGO  4.6 m/px  4 Jahre  20.000  n.a.
 HRSC  MEx  12.5 m/px  18 Jahre  24.528  99 %

MRO: Mars Reconnaissance Orbiter
TGO: ExoMars Trace Gas Orbiter
MEx: Mars Express

Koregistrierung

Koregistrierung

Eine beispielhafte Anwendung für eine Verschneidung deckungsgleich überlagerbarer heterogener Datensätzen ist die Pan-Schärfung von niedriger aufgelösten Multispektraldaten mit höher aufgelösten panchromatischen Daten. Dabei werden die Farbinformation der HRSC-Kanäle auf die höher aufgelösten Datensätze per Farbraum Transformation übertragen – CTX besitzt selbst keine und HiRISE nur sehr schmale eigene Farbkanäle. Zu sehen ist ein Mosaik aus 4 HiRISE Einzelbildern, koregistriert zu einem CTX-Mosaik aus 12 Einzelbildern, welches wiederum zum passenden HRSC-Mosaik koregistriert wurde. 
HRSC Orbit Location Extractor

HRSC-Mosaike || Presse Produkte


Die Fachrichtung Planetologie und Fernerkundung bietet im webGIS HRSC-Mosaike zum herunterladen an. Außerdem werden Aufnahmen mit der Stereokamera HRSC vom Mars regelmäßig gemeinsam mit dem DLR und der ESA veröffentlicht.  

MITGLIEDER IM PROJEKT KOREGISTRIERUNG


BMWILogo

DRITTMITTEL • PROJEKTFÖRDERUNG


  • Förderkennzeichen: 50 OO 2204
  • Aktueller Förderungszeitraum: 01.01.2022 - 31.12.2023