Lernprogramm: Satellitenbildprodukte mit Ortho-Mapping in ArcGIS Pro mit Server erstellen

Mit der Advanced-Lizenz verfügbar.

In ArcGIS Pro können Sie Satellitenbilder photogrammetrisch korrigieren, um geometrische Verzerrungen aufgrund von Plattform- und Terrainversatz zu entfernen. Nach dem Entfernen dieser Verzerrungen können Sie Ortho-Mapping-Produkte generieren. Diese Verarbeitung kann remote auf Ihrer selbst gehosteten Unternehmensinfrastruktur durchgeführt werden, sodass Sie eine Konfiguration mit mehreren Computern für die verteilte Verarbeitung nutzen können.

In diesem Lernprogramm richten Sie einen Ortho-Mapping-Workspace zur Verwaltung Ihrer Satellitenbilder-Sammlung ein. Als Nächstes führen Sie eine Blockausgleichung und im Anschluss daran eine optimierte Ausgleichung unter Verwendung von Bodenpasspunkten durch. Schließlich erstellen Sie ein orthorektifiziertes Mosaik bzw. ein Orthomosaik.

ArcGIS Pro kann Satellitenbilder aus vielen Sensorplattformen verarbeiten, vorausgesetzt, die Bildausrichtung wird durch ein rationales Polynomkoeffizientenmodell (Rational Polynomial Coefficient, RPC) oder ein strenges Sensormodell beschrieben. Dieses Modell ist üblicherweise in die Bilddatei eingebettet oder als gesonderte Metadatendatei enthalten.

Hinweis:

Voraussetzung für dieses Lernprogramm ist ArcGIS Image Server mit Konfiguration für Raster-Analysen oder ArcGIS Reality Server. Informationen zum Einrichten einer ArcGIS Image Server-Raster-Analyse-Site finden Sie unter Raster-Analyse-Bereitstellung. Informationen zur Konfiguration von Reality Server finden Sie unter Installation von Reality Server.

Herstellen der Verbindung mit Server

Um den Server für die Verarbeitung Ihrer Daten in ArcGIS Pro nutzen zu können, müssen Sie zunächst eine Verbindung zum Server herstellen.

1. Öffnen Sie ArcGIS Pro, und klicken Sie auf dem Menüband auf die Registerkarte Projekt und dann auf die Seite Portale.

   Auf die Seite "Portale" können Sie auch über den Link "Portale verwalten" im Menü zugreifen.

2. Klicken Sie auf Portal hinzufügen.

3. Geben Sie im Dialogfeld Portal hinzufügen die URL (https://webadaptorhost.domain.com/webadaptorname) des Portals ein, und klicken Sie auf OK.

4. Melden Sie sich beim Portal an, indem Sie auf die Schaltfläche "Optionen" klicken oder mit der rechten Maustaste auf das Portal klicken und dann auf Anmelden klicken. Geben Sie Ihren Benutzernamen und Ihr Kennwort ein.

5. Um die neue Verbindung als aktives Portal festzulegen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die URL, und klicken Sie auf Als aktives Portal festlegen.

6. Nachdem Sie sich erfolgreich bei Ihrem Portal angemeldet haben, wird Ihr Benutzername oben rechts in ArcGIS Pro angezeigt.

   

Einen Ortho-Mapping-Workspace erstellen

Ein Ortho-Mapping-Workspace ist ein ArcGIS Pro-Teilprojekt, das für Ortho-Mapping-Workflows vorgesehen ist. Es handelt sich um einen Container in einem ArcGIS Pro-Projektordner, der alle Ressourcen und abgeleiteten Dateien speichert, die zu einer einzelnen Bildsammlung in einem Ortho-Mapping-Task gehören.

Die Bilddaten im Paket für dieses Lernprogramm wurden von Maxar Technologies erfasst und bereitgestellt. Sie umfassen ein multispektrales und panchromatisches Bilddatenpaar, eine Tabelle mit Bodenpasspunkten sowie ein DEM.

Führen Sie die folgenden Schritte aus, um einen Ortho-Mapping-Workspace zu erstellen:

1. Laden Sie das Dataset für das Lernprogramm herunter, entpacken Sie es, und speichern Sie dessen Inhalte unter C:\SampleData\orthomapping_satellite_tutorial.

2. Erstellen Sie in ArcGIS Pro ein Projekt mithilfe der Vorlage Karte.

3. Klicken Sie auf der Registerkarte Bilddaten in der Gruppe Reality-Mapping auf das Dropdown-Menü Neuer Workspace, und wählen Sie Neuer Workspace aus.

4. Geben Sie im Fenster Workspace-Konfiguration einen Namen für den Workspace ein.

5. Klicken Sie auf die Dropdown-Liste Workspace-Typ, und wählen Sie Ortho-Mapping aus.

6. Wählen Sie unter Sensor-Datentyp die Option Satellit aus.

7. Klicken Sie auf das Dropdown-Menü Grundkarte, und wählen Sie die Option Topografisch aus.

8. Legen Sie den Faktor für parallele Verarbeitung fest. Hiermit wird die maximale Rechenleistung für die verteilte Verarbeitung festgelegt. Es wird empfohlen, einen Prozentausdruck zu verwenden. Wenn Sie beispielsweise über zwei Serverknoten verfügen, legen Sie den Faktor für parallele Verarbeitung auf 50 % fest, um einen Computer für die Blockausgleichung und die Erstellung von Ortho-Mapping-Produkten zu nutzen.

9. Aktivieren Sie Diese Bildsammlung auf dem Server verarbeiten.

   

10. Übernehmen Sie alle anderen Standardwerte, und klicken Sie auf Weiter.

    Das Fenster Bildsammlung wird angezeigt.

11. Wählen Sie im Fenster Bildsammlung unter Sensortyp die Option GeoEye-1 aus.

12. Klicken Sie unter Ordner mit Bildern auf die Schaltfläche Durchsuchen, navigieren Sie zu dem Ordner mit den Lernprogrammdaten auf dem Computer, wählen Sie den Bilddatenordner (GeoEye_NAD83_UTM10N) aus, und klicken Sie auf OK.

    Die entsprechenden Informationen zum Workspace-Raumbezug werden automatisch ausgefüllt.

    

13. Klicken Sie auf Weiter.

14. Wählen Sie im Fenster Data Loader unter Höhenquelle die Option DEM aus. Navigieren Sie unter DEM zu dem mit dem Dataset für das Lernprogramm bereitgestellten DEM.

    Hinweis:

    Dieses DEM wird für die Blockausgleichung verwendet.

15. Die meisten Höhendaten weisen orthometrische Höhen auf, sodass Sie eine Geoid-Korrektur anwenden müssen. Stellen Sie unter Geoid-Korrektur, sicher, dass EGM96 ausgewählt ist.

16. Wählen Sie unter Verarbeitungsvorlage die Option Pansharpen aus.

17. Blenden Sie den Bereich Erweiterte Optionen ein.

18. Stellen Sie sicher, dass die Option Statistiken schätzen aktiviert ist.

19. Übernehmen Sie alle anderen Standardeinstellungen, und klicken Sie auf Weiter.

    

20. Geben Sie im Fenster Remote-Prozess eine Beschreibung und Tags für den Image-Service ein, und klicken Sie auf Fertig stellen.

    

Nachdem der Workspace erstellt wurde, werden die Bilder angezeigt. Im Bereich Inhalt wird die Kategorie "Ortho-Mapping" hinzugefügt, in der der Image-Service für die Bildsammlung und der Service für abgeleitete Ortho-Mapping-Produkte gespeichert werden.

Um die Bild-Footprints anzuzeigen, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Bildsammlung im Bereich "Inhalt" > Eigenschaften > Anzeige, und aktivieren Sie die Option Footprints anzeigen.

Die erste Anzeige der Bilddaten im Workspace bestätigt, dass alle Bilder und notwendigen Metadaten für die Initialisierung des Workspace bereitgestellt wurden. Möglicherweise müssen Sie die Ansicht stark vergrößern, um das Bild erkennen zu können.

Im ArcGIS Pro-Hauptmenü wird die neue Registerkarte Ortho-Mapping hinzugefügt. Wenn Sie auf diese Registerkarte klicken, werden eine Reihe von für das Ortho-Mapping vorgesehenen Werkzeugen und Workflows angezeigt. Die Schaltflächen in der Kategorie Produkt sind nicht verfügbar, da die Bilder noch nicht ausgeglichen wurden.

Durchführen einer Blockausgleichung

Nach dem Erstellen des Ortho-Mapping-Workspace führen Sie im nächsten Schritt eine Blockausgleichung mit den Werkzeugen in den Gruppen Ausgleichen und Optimieren durch. Die Blockausgleichung berechnet zunächst Verknüpfungspunkte, d. h. gemeinsame Punkte in Bereichen mit Bildüberlappung. Die Verknüpfungspunkte werden dann zur Berechnung der Orientierung von jedem Bild verwendet, was in der Photogrammetrie als äußere Orientierung bekannt ist.

1. Klicken Sie auf der Registerkarte Ortho-Mapping in der Gruppe Ausgleichen auf Ausgleichen .

2. Wählen Sie im Fenster Ausgleichen unter Transformationstyp die Option RPC aus. Die Ausgleichung wird mit der Transformation mit rationalen polynomialen Koeffizienten (Rational Polynomial Coefficients, RPC) durchgeführt, die bei Satellitenbildern mit RPC-Informationen in den Metadaten verwendet wird.

3. Aktivieren Sie das Kontrollkästchen neben Verknüpfungspunkte neu projizieren.

   Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Kartenkoordinaten der Verknüpfungspunkte berechnet werden.

4. Übernehmen Sie im Bereich "Ausgleichen" unter "Abgleich von Verknüpfungspunkten" alle Standardwerte.

   

5. Klicken Sie auf Ausführen, um die Blockausgleichung durchzuführen.

6. Verknüpfungspunkt-Residuen und Genauigkeitsberichte können in der Protokolldatei angezeigt werden. Klicken Sie auf der Registerkarte Ortho-Mapping in der Gruppe Überprüfen auf Protokolle , um auf die Datei Protokolle zuzugreifen. Verknüpfungspunkt-Residuen werden in der Zeile "RMSE_Tie_Image(x,y)" angezeigt. Die Einheit für den RMSE der Verknüpfungspunkte ist Pixel.

   Das Residuum kann leicht vom Beispiel unten abweichen.

   

Beachten Sie, dass nach der initialen Ausgleichung alle Schaltflächen in der Kategorie Produkt aktiv sind. Diese Schaltflächen geben Aufschluss darüber, welche Bilddatenprodukte generiert werden können. Vor dem Generieren von Produkten wird die absolute Genauigkeit der Bilder mit Hilfe von Bodenpasspunkten verbessert.

Hinzufügen von Bodenpasspunkten (GCP)

Bodenpasspunkte (Ground Control Points, GCPs) sind Punkte mit bekannten X-, Y-, Z-Bodenkoordinaten. Sie werden häufig aus Landvermessungen oder vorhandenen Daten übernommen und dienen dazu, sicherzustellen, dass die Bilder im Bodenkoordinatensystem genau georeferenziert werden. Die Blockausgleichung kann ohne GCPs angewendet werden und dennoch eine relative Genauigkeit gewährleisten. Durch das Hinzufügen von GCPs wird die absolute Genauigkeit der angepassten Bilddaten jedoch erhöht. Wenn Ihnen keine GCPs aus einer Landvermessung vorliegen, Sie jedoch über einen georeferenzierten Raster-Layer (Raster-Dataset, Mosaik-Dataset oder Image-Service) verfügen, können Sie ihn als Referenz für die Berechnung von GCPs hinzufügen.

In einem Referenz-Layer ausgewählte und in einer Textdatei gespeicherte GCPs können ebenfalls importiert und zur Verbesserung der Ausrichtungsgenauigkeit verwendet werden. Für dieses Lernprogramm fügen Sie dem Projekt GCPs mit dieser Importmethode hinzu.

Führen Sie zum Importieren von GCPs die folgenden Schritte aus:

1. Klicken Sie auf der Registerkarte Ortho-Mapping in der Gruppe Optimieren auf Bodenpasspunkte verwalten, um den GCP-Manager zu öffnen.

2. Klicken Sie im Fenster GCP-Manager auf die Schaltfläche Bodenpasspunkte importieren .

3. Navigieren Sie im Fenster Bodenpasspunkte importieren zu der GCP-Datei (Vancouver_NAD83-UTM10N.csv), und wählen Sie sie aus. Klicken Sie auf OK.

4. Klicken Sie unter GCP-Raumbezug festlegen auf die Schaltfläche Durchsuchen . Blenden Sie für Horizontale Systeme die Optionen Projiziertes Koordinatensystem, Nordamerika, Zone Series und UTM (NAD 1983) ein, und wählen Sie NAD 1983 UTM Zone 10N aus. Klicken Sie auf OK, um die Änderungen zu übernehmen und das Fenster Raumbezug zu schließen.

   Das vertikale Koordinatensystem (VKS) wurde nicht festgelegt, da im digitalen Höhenmodell, das zum Extrahieren der Höhenwerte für die Bodenpasspunkte verwendet wurde, kein VKS definiert war. Wenn im verwendeten DEM ein VKS definiert gewesen wäre, wären die vertikalen Systeme mit übereinstimmenden Koordinaten festgelegt worden.

5. Klicken Sie unter Geographische Transformationen auf die Registerkarte Horizontal, und wählen Sie WGS 1984 (ITRF00) in NAD 1983 in der Dropdown-Liste aus.

6. Stellen Sie sicher, dass die Feldzuordnungen korrekt sind.

7. Klicken Sie auf die Schaltfläche "Durchsuchen" unter Speicherort des GCP-Fotos, navigieren Sie zu dem Ordner, in dem die Bilder der GCP-Positionen enthalten sind, und wählen Sie diesen aus. Klicken Sie auf OK.

8. Wählen Sie für Fotodateierweiterung in der Dropdown-Liste die Option PNG aus.

1. Klicken Sie auf OK, um die GCPs zu importieren.

Nachdem die GCPs importiert wurden, ist die Tabelle im GCP-Manager gefüllt.

1. Um Verknüpfungspunkte für den ausgewählten GCP hinzuzufügen, klicken Sie im Abschnitt Vorschau auf die Schaltfläche GCP-Foto anzeigen , um den Bildausschnitt des GCP anzuzeigen. Verwenden Sie das Mausrad, um den Bildausschnitt zu vergrößern und die durch einen roten Pfeil angegebene GCP-Position anzuzeigen.

2. Klicken Sie auf das Dropdown-Menü neben der Schaltfläche "Bodenpass- oder Verknüpfungspunkt hinzufügen" im Fenster "GCP-Manager", und wählen Sie "Halbautomatisch" aus, um für jedes Bild einen Verbindungspunkt in der Bildanzeige hinzuzufügen.

Die Verknüpfungspunkte für andere Bilder werden durch den Bildabgleichsalgorithmus nach Möglichkeit automatisch hinzugefügt. Die Genauigkeit der einzelnen Verknüpfungspunkte sollte jedoch überprüft werden. Wenn der Verknüpfungspunkt nicht automatisch identifiziert wurde, dann fügen Sie den Verknüpfungspunkt manuell hinzu, indem Sie die entsprechende Position im Bild auswählen.

1. Wiederholen Sie die Schritte 10 und 11, um Verknüpfungspunkte für die restlichen Bodenpasspunkte auszuwählen und hinzuzufügen.

2. Nachdem die einzelnen GCPs mit Verknüpfungspunkten gemessen wurden, wählen Sie den Punkt PP_GCP02 aus, und klicken Sie mit der rechten Maustaste auf den Punkt, um ihn in einen Prüfpunkt umzuwandeln. Dieser Punkt wird im Ausgleichungsprozess nicht berücksichtigt, sondern dient stattdessen dazu, die Genauigkeit der Ausgleichungssergebnisse unabhängig zu bewerten.

3. Nachdem die GCPs und Prüfpunkte hinzugefügt wurden, muss die Ausgleichung erneut ausgeführt werden, um diese Punkte zu integrieren. Klicken Sie auf Ausgleichen.

Überprüfen der Ausgleichungsergebnisse

Die Ergebnisse der Ausgleichungsqualität können im GCP-Manager angezeigt werden, indem die Residuen für die einzelnen GCPs analysiert werden. Residuen stellen die Differenz zwischen der gemessenen und der berechneten Position eines Punktes dar. Sie werden in den Einheiten des Raumbezugssystems des Projektes gemessen. Nach der Ausgleichung mit GCPs werden die drei neuen Felder dX, dY und dZ in der GCP-Manager-Tabelle hinzugefügt. In ihnen werden die Residuen für die einzelnen GCPs angezeigt. Mit diesen Werten kann die Qualität der Übereinstimmung zwischen dem ausgeglichenen Block und dem Kartenkoordinatensystem bewertet werden. Der RMSE-Fehler (Root Mean Square Error, mittlerer quadratischer Fehler) der Residuen kann angezeigt werden, indem der Abschnitt Übersicht über Residuen im GCP-Manager eingeblendet wird.

Der Ausgleichungsbericht enthält zusätzliche Ausgleichungsstatistiken. Um diesen Bericht zu generieren, klicken Sie auf der Registerkarte Ortho-Mapping in der Gruppe Überprüfen auf Ausgleichungsbericht.

Generieren eines digitalen Oberflächenmodells (Digital Surface Model, DSM)

Die Stereobildpaare einer Bildsammlung werden verwendet, um eine Punktwolke (3D-Punkte) zu erstellen, für die Höhendaten abgeleitet werden können. Die abgeleiteten Höhendaten werden entweder als digitales Geländemodell (Digital Terrain Model, DTM) klassifiziert, das nur die Bodenoberfläche umfasst, oder als digitales Oberflächenmodell (Digital Surface Model, DSM), das die Höhen von Bäumen, Gebäuden und anderen oberirdischen Features umfasst.

Hinweis:

Bei einem dicht bewaldeten Gebiet mit undurchdringlicher Vegetationsbedeckung kann keine DTM-Bodenoberfläche abgeleitet werden, da der Boden nicht sichtbar ist. Dieses Problem kann auch in dicht bebauten städtischen Gebieten auftreten, wo Gebäude den Boden verdecken. In solchen Fällen ist das am besten geeignete Höhenoberflächenprodukt ein DSM, das speziell den oberen Bereich der städtischen Umgebung abbildet.

Führen Sie die folgenden Schritte aus, um mithilfe des Assistenten ein DSM zu erstellen.

1. Klicken Sie auf der Registerkarte Ortho-Mapping in der Gruppe Produkt auf die Schaltfläche DSM .

   Das Fenster Ortho-Mapping-Produktassistent wird angezeigt.

2. Klicken Sie auf Weiter, um im Assistenten zum Fenster Punktwolkeneinstellungen zu wechseln.

3. Wählen Sie im Fenster Punktwolkeneinstellungen als Abgleichmethode die Option Semi-globaler Abgleich (Semiglobal Matching) aus dem Dropdown-Menü aus.

   Diese Methode wird in der Regel für städtische Gebiete verwendet und erfasst detailliertere Terrain-Informationen.

4. Übernehmen Sie den Standardwert Punkt-Bodenauflösung.

   Dadurch wird die Bodenauflösung, mit der die 3D-Punkte erstellt werden, in Meter definiert. Die Standardeinstellung ist das 3-fache der Auflösung der Quellbilddaten.

5. Übernehmen Sie alle übrigen Standardwerte, und klicken Sie auf Weiter.

   Weitere Informationen zur Option Erweiterte Einstellungen finden Sie unter Erstellen von Höhendaten mit dem Ortho-Mapping-DEM-Assistenten.

   

6. Verwenden Sie im Fenster DSM-Einstellungen für Zellengröße den Standardwert 3 für x GSD.

   Dies bestimmt die Auflösung des DSM, die in diesem Fall das Dreifache der Auflösung der Bilddaten beträgt.

7. Übernehmen Sie alle übrigen Standardwerte, und klicken Sie auf Weiter.

   Das DSM wird erstellt.

Ein Orthomosaik generieren

Als Nächstes generieren Sie ein Orthomosaik. Ein Orthomosaik ist ein aus einer Bildsammlung mosaikiertes orthorektifiziertes Bildprodukt. Geometrische Verzerrungen wurden korrigiert und die Bilddaten wurden zur Erstellung eines Mosaiks farblich abgestimmt.

1. Klicken Sie auf der Registerkarte** Ortho-Mapping** in der Gruppe Produkt auf Orthomosaik, um den Orthomosaik-Assistenten zu starten.

2. Vergewissern Sie sich, dass die Optionen Farbausgleich und Seamlines generieren aktiviert sind.

3. Klicken Sie auf Weiter.

4. Wählen Sie im Bereich Farbausgleichseinstellungen für Ausgleichsmethode aus der Dropdown-Liste die Option Dodging aus, und übernehmen Sie alle anderen Standardoptionen.

5. Klicken Sie auf Weiter.

6. Wählen Sie im Fenster Seamline-Einstellungen für Berechnungsmethode im Dropdown-Menü die Option Voronoi aus.

7. Blenden Sie den Abschnitt Verarbeitung ein, und geben Sie 20 für die Verschmelzungsbreite ein.

   

8. Klicken Sie auf Weiter.

   Der durch den Assistenten vorgegebene Workflow wechselt zum nächsten Bereich, Orthomosaik-Einstellungen.

9. Übernehmen Sie alle Standardeinstellungen im Bereich Orthomosaik-Einstellungen, und klicken Sie auf Fertig stellen.

   Das Orthomosaik wird erstellt, im Bereich Inhalt aufgelistet und in die Kartenanzeige geladen.

Zusammenfassung

In diesem Lernprogramm haben Sie eine Verbindung zum Server hergestellt, einen Ortho-Mapping-Workspace für Satellitenbilder erstellt und mithilfe der Ausgleichungswerkzeuge eine photogrammetrische Ausgleichung mit Bodenpasspunkten durchgeführt. Anschließend haben Sie Werkzeuge in der Gruppe Produkte zum Erstellen eines DSM und eines Orthomosaiks verwendet.

Die in diesem Lernprogramm verwendeten Satellitenbilder wurden von Maxar Technologies aufgenommen und bereitgestellt.

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