Heft 61

Schriftenreihe des Studiengangs Geodäsie und Geoinformation
der Universität der Bundeswehr München

 


 

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Heft 61

Generierung hochwertiger Digitaler Geländemodelle aus analogen Karten mittels Mathematischer Morphologie
Dissertation

Autor: T. Cui

Universität der Bundeswehr München, Neubiberg, 1992
188 Seiten

Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der Universität der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Vorsitzender: Univ.-Prof. Dr. rer. nat. K. Wichmann
1. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. K. Brunner
2. Berichterstatter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. S. Meier, TU Dresden

Die Dissertation wurde am 25.02.1998 bei der Universität der Bundeswehr München,
D-8014 Neubiberg, Werner-Heisenberg-Weg 39, eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung: 08.05.1998

 


 

Inhalt

Einleitung

  • Digitale Geländemodelle
  • Mathematische Morphologie
  • Inhaltsübersicht

Einführung in die Mathematische Morphologie

  • Mathematische Schreibweise
  • Logische Operationen
    • Vereinigung
    • Durchschnitt
    • Differenz
  • Grundtransformationen der Mathematischen Morphologie
    • Translation
    • Spiegelung
    • Komplement
    • Dilatation
    • Erosion
    • Öffnung
    • Abscv
    • Abschließung
    • Treffen oder Verfehlen
    • Verdünnen
    • Verdicken
  • Kombinationstransformationen der Mathematischen Morphologie
    • Bedingte Transformationen
    • Fortgesetzte Transformationen
    • Fortgesetzte bedingte Transformationen
    • Dynamisch fortgesetzte bedingte Transformationen
    • Einheit der Kombinationstransformation
  • Grundeigenschaften der Transformation
    • Kommutativgesetz
    • Assoziativgesetz
    • Distributivgesetz
    • Gesetz der Unveränderlichkeit der Transformation
    • Potenzgesetz
    • Dualitätsgesetz
    • Dilatationszunahmegesetz
  • Erweiterung der Mathematischen Morphologie auf das Grauwertbild
  • Strukturierungselemente
    • Konvexes Strukturierungselement
    • Nicht konvexes Strukturierungselement
    • Strukturierungselemente der fortgesetzten Transformation
  • Zerlegen des Strukturierungselementes
    • Zerlegen des Strukturierungselementes im Binärbild
    • Zerlegen des Strukturierungselementes im Grauwertbild

Anwendung der Mathematischen Morphologie in der Bildverarbeitung

  • Morphologische Filter
    • Filter für Abschließung oder Öffnung
    • Tiefpaß-, Hochpaß- und Bandpaßfilter
    • Filter für besondere Strukturen
    • Filterung linearer Objekte im Binärbild
    • Eigenschaften der morphologischen Filter
  • Mittelachsentransformation
    • Metrik und Abstand
    • Algorithmus der Mittelachsentransformation mit der Mathematischen Morphologie
    • Zerlegung des Strukturierungselementes des Abstandes
  • Homotope Verdünnung
    • Einführung und Definition
    • Algorithmus der Verdünnung
    • Eigenschaft des Algorithmus der Verdünnung
  • Segmentierung des Binärbildes
    • Begriff und Definition
    • Extraktion gerader Linien in einer Richtung und deren Rekonstruktion
    • Extraktion linearer Objekte mit verschiedener Breite
    • Extraktion der Textur
    • Extraktion geschlossener Linien
  • Extraktion der Wasserscheide
    • Definition der Grundlagen der Transformation
    • Verfahren der Extraktion der Wasserscheide
    • Algorithmus zur Extraktion von Wasserscheiden
  • Aufbau eines triangulierten Netzwerkes
    • Begriff und Definition
    • Vektorielle Triangulation von Punktmengen und Zwangslinien
    • Rasterbasierte Triangulation von Punktmengen und Zwangslinien
    • Bewertung der rasterbasierten Triangulation

Automatische Digitalisierung der Reliefdarstellung

  • Datenerfassung aus graphischen Vorlagen
    • Inhalt der Testvorlage und Vorbereitung
    • Methodischer Stand der Digitalisierung, Bewertung und Verfahren
    • Automatische Digitalisierung
    • Gleichgewichtsbedingungen
  • Geometriekorrektur und Transformation in andere geodätische Systeme
  • Qualitätsverbesserung durch Binärisierung
    • Morphologische Filter zur Bestimmung der Binärisierungsschwelle
    • Kontrastverstärkung
    • Eliminierung heller bzw. dunkler Einzelpunkte
  • Bildbereinigung und Segmentierung
    • Extraktion von Gitterlinien und Rekonstruktion von Höhenlinien
    • Extraktion der Normalhöhenlinien mit der morphologischen Filterung
    • Eliminierung der Schrift
    • Eliminierung der Gewässer und der Gletschergrenzen
  • Raster-Vektor-Konvertierung
    • Skelettierung und Vektorisierung
    • Mängel der automatischen Digitalisierprozesse, Vektordateneditor
    • Höhenzuweisung zu vektoriellen Höhenlinien
    • Verdünnung der engen Stützpunkte von vektoriellen Linien

Automatische Ableitung von Gerippelinien und Mittellinien aus Höhenliniendaten

  • Einführung
  • Bisherige Arbeiten
    • Die Arbeit von /FINSTERWALDER 1986/
    • Die Arbeit von /CHRISTENSEN 1987/
    • Die Arbeit von /EBNER und TANG 1989, TANG 1991/
    • Die Arbeit von /AUMANN 1990/
    • Die Arbeit von /CHEN 1991/
  • Ableitung der Mittellinien durch Mittelachsentransformation
    • Vektor-Raster-Konvertierung
    • Mittelachsentransformation
    • Bestimmung der Mittellinien durch die Extraktion der Wasserscheide
  • Ableitung der Gerippelinien durch Extraktion von Wasserscheiden
    • Aufbau der Höhenmatrix aus den digitalen Höhenlinien
    • Ableitung von Wasserscheiden und Wassersammlern
    • Ableitung der Gerippelinien
    • Bewertung der Ableitung der Gerippelinien mit Extraktion der Wasserscheide
  • Ausdünnung der Gerippelinien und Höhenzuweisung
    • Ausdünnung der Gerippelinien
    • Höhenzuweisung der Gerippelinien

Aufbau eines hochqualitativen DGM aus Höhenlinien unter Berücksichtigung von Gerippelinien

  • Aufbau Digitaler Geländemodelle
    • Definition
    • Datenstruktur des DGM
    • Umwandlung der Höhenlinien ins Gitter-DGM
  • Aufbau des Dreiecks-DGM
  • Aufbau des Gitter-DGM
    • Interpolation der Höhenwerte an den Gitterpunkten mit Hilfe von Fallinien
    • Interpolation der Höhenwerte an den Gitterpunkten aus Dreiecksnetzen
  • Genauigkeit und Auswahl der Rasterweite eines Gitter-DGM

Zusammenfassung und Ausblick

Literaturverzeichnis

Anhang I: Testausschnitt zum Aufbau des DGM mit den einzelnen Bearbeitungsschritten

Anhang II: Softwarepaket

Lebenslauf

Dank

 


 

Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit werden die Einsatzmöglichkeiten der Mathematischen Morphologie zur Ableitung hochwertiger Digitaler Geländemodelle aus analogen Karten untersucht. In Kapitel 2 wird zuerst die Grundtheorie der Mathematischen Morphologie gezeigt. Sechs Anwendungsmodelle der Mathematischen Morphologie zur Lösung konkreter Probleme beim DGM-Aufbau werden in Kapitel 3 beschrieben, anhand praktischer Beispiele untersucht und beurteilt. Morphologische Filter werden zur Verbesserung der Bildqualität, Bildbereinigung und Segmentierung von topographischen Karten eingesetzt. Die Mittelachsentransformation dient zur Ableitung der Mittellinien zwischen Höhenlinien. Zur Raster-Vektor-Konvenertierung wird der Algorithmus der homologen Verdünnung (Skelettierung) mit der Mathematischen Morphologie realisiert. Die zur automatischen Datenerfassung der Höhenlinien notwendige Segmentierung des Binärbildes wird hier anhand eines Beispiels gezeigt. Verfahren zur Extraktion von Wasserscheiden, die eine wichtige Rolle zur Ableitung der Gerippelinien aus Höhenlinien spielen, werden ausführlich erläutert. Sie dienen dazu, künstliche Terrassen im aus Höhenlinien aufgebauten DGM zu vermeiden und insofern die DGM-Qualität zu verbessern. Der Aufbau eines triangulierten Netzwerkes wird mit der Mathematischen Morphologie untersucht. Er gestattet eine einfache Berücksichtigung von Zwangsseiten.

Kapitel 4 behandelt die Datenerfassung der Höhenlinien aus vorhandenen analogen Karten anhand eines Beispiels. Für ein qulitativ hochwertiges DGM braucht man gutes Ausgangsmaterial. Vor allem wird die Korrektur der geometrischen Genauigkeit und die Transformation zwischen Kartennetzen erläutert. Um die vorliegenden Rasterbilder der Karte mittels Raster-Vektor-Konvertierung (Vektorisierung) in notwendige Vektordaten zu konvertieren, ist es notwendig, die Qualität der Bilder durch morphologische Filter zu verbessern und das aus verschiedenen Objekten bestehende Bild (z.B. Höhenlinien, Schrift und Gitterlinien) in einzelne Teile zu separieren. Zuerst werden die Extraktion der Gitterlinien und die Rekonstruktion der Höhenlinien mit morphologischen Operationen vorgestellt. Danach werden die Normalhöhenlinien, Höhenkoten und Landschaftsnamen mit morphologischen Filtern extrahiert. Die Extraktion der Bezifferung der Höhenlinien wird durch morphologisches Markieren der Textur behandelt. Ebenso ist die Höhenzuweisung zu Höhenliniendaten und die Verdünnung der engen Stützpunkte von vektoriellen Linien erläutert.

Kapitel 5 und 6 zeigen praktische Methoden zur Ableitung eines hochqualitativen DGM aus Höhenliniendaten auf. Die automatische Ableitung von Gerippelinien aus Höhenlinien mit Hilfe von Wasserscheiden und die Ableitung von Mittelachsenlinien zwischen Höhenlinien mit Hilfe der Mittelachsentransformation sind speziell für den Einsatzbereich DGM-Aufbau aus Höhenliniendaten entwickelt worden. Sie eignen sich, wie in Kapitel 5 gezeigt wird, hierfür sehr gut. Sie leiten für den DGM-Aufbau aus Höhenliniendaten notwendige geomorphologische Information automatisch aus dem Datenmaterial ab. Kapitel 6 beschreibt die Triangulation eines Dreiecksnetzes aus digitalen Höhenlinien unter Berücksichtigung der Gerippelinien, die zum Aufbau eines qualitativ hochwertigen Digitalen Geländemodells aus Höhenlinien beitragen. Anhand praktischer Tests werden Untersuchungen zu verschiedenen Möglichkeiten des DGM-Aufbaus dargestellt und die Qualitätsbeurteilung des aufgebauten Digitalen Geländemodells diskutiert.

Die in dieser Arbeit entwickelten neuen Strategien und Verfahren lassen sich auch auf andere Anwendungen, z.B. Mustererkennung und Bildverarbeitung, übertragen und haben vielfältige Perspektiven.

Die hier vorgestellten Methoden wurden vollständig in der Programmiersprache C implementiert und erprobt. Ein System der Ableitung hochwertiger Digitaler Geländemodelle aus analogen Karten wird aufgebaut. Dieses System ist weitgehend praxisreif einsetzbar. Probleme bestehen noch für Karten mit sehr schlechter graphischer Qualität oder mit sehr dichtem Inhalt. Seine Schwächen offenbaren sich besonders auffällig bei der Segmentierung. Auf dichten Inhalt reagiert es mit schlechtem Erfolg. Der in Kapitel 4 beschriebene interaktive Editor leistet bei der Digitalisierung Hilfestellung. Die Übergänge zwischen interaktiven und automatisierten Verfahren werden sich jedoch weiter verwischen, wenn immer mehr automatische Verfahren in den interaktiven Nachbearbeitungsprozeß integriert werden.

 

DGM.gif

Perspektive des DGMs, das aus dem Dreiecks-DGM durch ebene Dreiecke interpoliert wird. (Cui, 1998, S. 161, Tafel 31)

 

 

 


 

 

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