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MI-SFS - Ableitung digitalen Geländemodellen mit Hilfe des Multi-Image Shape-from-Shading Verfahrens (2006)

Bearbeitung:Dipl.-Ing. Volker Lohse
Laufzeit:2003- 2006
Förderung durch:Deutsche Forschungsgemeinschaft

Forschungsbereich: Sensororientierung und geometrische/topographische Bildauswertung

Ansprechpartner: Prof. Dr. -Ing. Christian Heipke, Dipl.-Ing. Volker Lohse

 

Hintergrund

Die Erforschung der terrestrischen Planeten stellt für die Planeten- und Geowissenschaften eine besondere Herausforderung dar, da sie durch ihre Nachbarschaft zur Erde zu unserer erweiterten Umwelt im Sonnensystem gehören. Im strengen Sinne handelt es sich dabei um Merkur, Venus und Mars. Sinnvollerweise wird aber der Begriff der erdähnlichen Planeten erweitert, so dass er auch den Erdmond und die großen Monde der Riesenplaneten umfasst (Io, Europa, Ganymed, Kallisto, Titan und Triton).

Der wissenschaftliche Reiz ihrer Erforschung liegt vor allem darin, durch Vergleich mit der Erde die Entstehung und Entwicklung unseres Heimatplaneten besser zu verstehen und Gründe für ähnliche und verschiedene Entwicklungslinien zu suchen.

Der Planet Mars gilt in vieler Hinsicht als der erdähnlichste der terrestrischen Planeten und ist nach dem Mond am leichtesten zugänglich. Deshalb wird in den nächsten Jahren eine Vielzahl von Missionen den Mars in großen Umfang untersuchen (z.B. Mars Express, Start 2003). Aus diesem Grund nimmt der Mars im DFG-Schwerpunktprogramm eine besondere Rolle ein.

Ziel des Schwerpunktprogramms ist, die räumlichen und zeitlichen Zusammenhänge der Planetenentstehung, der Entwicklung planetarer Körper, ihrer Oberflächen und Atmosphären sowie mögliche biologische Prozesse auch außerhalb der Erde am Beispiel des Mars, aber nicht beschränkt auf den Mars, zu verstehen.

Grundlegende Elemente dieser Untersuchungen sind die stratigraphische Bestimmung von Oberflächeneinheiten und die Ableitung geologischer Entwicklungsprozesse. Mit Hilfe von digitalen Geländemodellen (DGM) kann für diese Zwecke eine regionale Interpretation erreicht werden.

Ziele und Methoden

Das Ziel des Forschungsprojektes ist die Entwicklung eines Verfahrens zur automatischen Generierung hochauflösender DGM von planetaren Oberflächen aus digitalen Bilddaten durch Kombination von Bildzuordnung (image matching) und Photoklinometrie (Shape-from-Shading). Vorrangig sollen Bilder der in nächster Zeit startenden Missionen zum Planeten Mars bearbeitet werden (z.B. Mars Express), aber auch auf Bilder anderer terrestrischer Planeten soll die Methode angewendet werden. DGM sind für verschiedene Aufgaben der Planetologie innerhalb des DFG-Schwerpunktprogramms und darüber hinaus nutzbar, die wichtigsten sind die Kartierung der planetaren Oberfläche mit Hilfe von Orthophotomosaiken sowie die Auswahl von Landegebieten für zukünftige Missionen.

Eine wesentliche Voraussetzung für die digitale Bildzuordnung ist das Vorhandensein von genügend lokaler Textur in den Bilddaten. Es gibt jedoch Gebiete, in denen die Oberfläche nicht die notwendige Textur besitzt. Für diese Gebiete versagt die digitale Bildzuordnung. Diese Feststellung trifft insbesondere auf Bildern planetarer Oberflächen zu, die im Gegensatz zur Erdoberfläche keine Vegetation und keine von Menschen geschaffenen texturierten Objekte enthalten. Für Bilder dieser Gebiete wurden andere Methoden zur Ableitung der dreidimensionalen Oberflächenform entwickelt, eine davon ist Multi-Image Shape-from-Shading (MI-SFS). MI-SFS stellt eine Verbindung zwischen der Helligkeit die ein Pixel im Bild aufweist, und der Neigung des zugehörigen Elementes der Oberfläche relativ zur Beleuchtungsrichtung her. Je größer der Winkel zwischen der Flächennormalen und der Beleuchtungsrichtung ist, desto dunkler ist der resultierende Grauwert.

Die vorgeschlagene Methodik ist eine Integration der objektbasierten digitalen Bildzuordnung und des MI-SFS. Die Wahl ist dadurch begründet, dass keine der beiden Methoden für sich alleine brauchbare Ergebnisse für planetare Oberfläche liefert, und dass die jeweiligen Anforderungen an die Bildtextur komplementär sind. In den Arbeiten soll auf ein bestehendes mathematisches Modell zum MI-SFS aufgesetzt werden, zu dem bereits einige Untersuchungen vorliegen. Das Ziel der geplanten Arbeit ist eine gegenüber dem heutigen Stand der Forschung deutlich verbesserte Methode zur automatischen Ableitung hochgenauer DGM von planetaren Oberflächen, wie sie für die unterschiedlichsten Anwendungen der Planetologie benötigt werden.

Publikationen

Lohse, V.;Heipke, C. (2003): Derivation of digital terrain models by means of multi-image shape-from-shading: results using Clementine images. In: Institut für Photogrammetrie und GeoInformation (Hrsg.), Hannover, 2003, 7S., CD  | file |

Lohse, V.;Heipke, C. (2004): Multi-Image Shape-from-Shading: Derivation of Planetary Digital Terrain Models using Clementine Images: IntArchPhRS. Band XXXV, Teil B4. Istanbul, 2004, S. 828-833 | file |

Lohse, V.;Heipke, C.;Kirk, R. L. (2006): Derivation of planetary topography using multi-image shape-from-shading. In: Planetary and Space Science 54 (2006), Nr. 7, S. 661-674 | file |

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