Heft 61/1998

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie


 
Heft 61/1998

CUI, Tiejun

Generierung Digitaler Geländemodelle aus analogen Karten mittel Mathematischer Morphologie

Dissertation
III, 186 S.

Auflage:  450

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung


 

 

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.

Promotionsausschuß:  
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. Februar 1998 bei der Universität der Bundeswehr München, Werner-Heisenberg-Weg 39, D-85577 Neubiberg eingereicht.

Tag der mündlichen Prüfung:  8. Mai 1998
 



Verkürztes Inhaltsverzeichnis

1  Einleitung 1
    1.1  Digitale Geländemodelle 1
    1.2  Mathematische Morphologie 3
    1.3  Inhaltsübersicht 4
 
2  Einführung in die Mathematische Morphologie 6
    2.1  Mathematische Schreibweise 6
    2.2  Logische Operationen 8
    2.3  Grundtransformationen der Mathematischen
           Morphologie

9
    2.4  Kombinationstransformationen der Mathematischen
           Morphologie

15
    2.5  Grundeigenschaften der Transformation 17
    2.6  Erweiterung der Mathematischen Morphologie auf das
           Grauwertbild

19
    2.7  Strukturierungselemente 20
    2.8  Zerlegen des Strukturierungselementes 21
 
3  Anwendung der Mathematischen Morphologie in der
    Bildverarbeitung

25
    3.1  Morphologische Filter 25
    3.2  Mittelachsentranformation 31
    3.3  Homotope Verdünnung 39
    3.4  Segmentierung des Binärbildes 53
    3.5  Extraktion der Wasserscheide 63
    3.6  Aufbau eines triangulierten Netzwerkes 74
 
4  Automatische Digitalisierung der Reliefdarstellung 85
    4.1  Datenerfassung aus graphischen Vorlagen 85
    4.2  Geometriekorrektur und Transformation in andere
           geodätische Systeme

88
    4.3  Qualitätsverbesserung durch Binärisierung 91
    4.4  Bildbereinigung und Segmentierung 94
    4.5  Raster-Vektor-Konvertierung 97
 
5  Automatische Ableitung von Gerippelinien und
    Mittellinien aus Höhenliniendaten

101
    5.1  Einführung 101
    5.2  Bisherige Arbeiten 102
    5.3  Ableitung der Mittellinien durch Mittelachsentransformation 104
    5.4  Ableitung der Gerippelinien durch Extraktion von
           Wasserscheiden

105
    5.5  Ausdünnung der Gerippelinien und Höhenzuweisung 107
 
6  Aufbau eines hochqualitativen DGM aus Höhenlinien
    unter Berücksichtigung von Gerippelinien

108
    6.1  Aufbau Digitaler Geländemodelle 108
    6.2  Aufbau des Dreiecks-DGM 111
    6.3  Aufbau des Gitter-DGM 112
    6.4  Genauigkeit und Auswahl der Rasterweite eines Gitter-DGM 116
 
7  Zusammenfassung und Ausblick 119
 
Literaturverzeichnis 121
 
Anhang I:   Testausschnitt zum Aufbau des DGM mit den
                   einzelnen Bearbeitungsschritten

128
Anhang II:  Softwarepaket 177
 
Lebenslauf 185
Dank 186
 

 
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-Konvertierung 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 qualitativ 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 der 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 Preogrammiersprache C implementiert und erprobt. Ein System der Ableitung hochwertiger Digitasler 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.
 


 
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