Georeferenzierung

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Beschreibung

Durch den Vorgang der Georeferenzierung wird eine Positions- oder Ortsinformation auf der Erde („Geo-“) mit einem Objekt der Erdabbildung (Karte, Rasterdatei, Information) in Verbindung gebracht.

Dies erfolgt meist mit Hilfe von Koordinaten in einem Bezugs- oder Koordinatensystem. Dabei besteht das Problem, ein 3D-Objekt (Kugel oder Ellipsoid) auf ein 2D-Objekt (Kartenblatt) zu projizieren. Dies kann prinzipbedingt nicht verlustfrei erfolgen.

Der Vorgang wird im Zusammenhang mit Landinformationssystemen (LIS) oder Geoinformationssystemen (GIS) auch als Verortung bezeichnet.

Siehe auch: Geodäsie, Geokodierung, Kartografie, geografische Breite und Länge, Kugel, Erdellipsoid, Projektion, Navigation, Global Positioning System

Bei Bilddateien können die Ergebnisse der Georeferenzierung entweder intern im Header der Bilddatei (img, sid) oder extern als separate World-Datei (gif -> gfw, bmp -> bpw, jpg -> jgw) gespeichert werden. Das Tiff-Format unterstützt sowohl die Speicherung von GeoTiff-Dateien mit Informationen im Header als auch die Speicherung von tfw-Worldfiles.


Eine TFW-Datei ist eine ASCII-Datei und besteht aus folgenden 6 Zeilen (Beispiel):

2.50000000000000        Breite eines Pixels (in x-Richtung)
0.00000000000000        Rotationsterm für die x-Achse (rows)
0.00000000000000        Rotationsterm für die y-Achse (columns)
2.50000000000000        Höhe eines Pixels (in y-Richtung),oft negativ da der Ursprung von Rasterbildern links oben ist
4450933.75000000000000  x-Koordinate der linken, oberen Bildecke
5407046.25000000000000  y-Koordinate der linken, oberen Bildecke


Ziele

Im wesentlichen gibt es drei mögliche Gründe eine Georeferenzierung durchzuführen:

  1. Eliminierung geometrischer Verzerrungen in Bilddaten, bedingt durch z.B. unebenes Gelände, zentralperspektivische Aufnahme oder falsche Orientierung des Aufnahmesystems (auch Rektifizierung genannt)
  2. Einpassen der Bildkoordinaten in ein geodätisches Referenzsystem, d.h. in reale "Weltkoordinaten" (auch Geokodierung genannt)
  3. relative Anpassung zweier unterschiedlich orientierter bzw. skalierter Bilder aneinander.

Tools

if you're comfortable with commandline tools GDAL Utilities, part of the FWTools suite will help you. For GUI's check out Thuban and Quantum GIS. And of course there's Grass, which has everything including the geospatial kitchen sink but will take some time to learn. (all of these tools use gdal under the hood).

Kommerzielle Tools

  • Blue Marble Geographics - Geographic Transformer
    'Master Raster' with our image georeferencing, reprojection, tiling and mosiacing tool. As raster images are becoming more prevalent in GIS projects, the need to reproject images into the appropriate coordinate system becomes increasingly important.
  • In ArcGIS 8.x wird die Georeferenzierung mit einer eigenen Toolbar durchgeführt. Durch Festlegung von identischen Punkten im Rasterbild und in einer Referenzkarte wird eine Link-Tabelle erzeugt und eine Fehlerberechnung (Residual Error) durchgeführt.

Durchführung

Finden einer Transformationsgleichung

Um ein Bild georeferenzieren zu können, muss eine Transformationsgleichung gefunden werden, mit welcher jeder Bildpunkt des Eingabebildes in die Matrix des Ausgabebildes übertragen wird. Grundsätzlich gibt es zwei Herangehensweisen diese Gleichung zu finden:

Interpolationsverfahren:

Bei Interpolationsverfahren wird darauf verzichtet, die Abbildungsgeometrie zu modellieren. Die Transformation basiert lediglich auf einer Interpolation zwischen ausgewählten Passpunkten (sogenannten Ground Control Points). Als Passpunkte eignen sich alle markanten, punktuellen, lageunveränderlichen Stellen, wie beispielsweise Straßenkreuzungen. Ihre Koordinaten werden normalerweise einer topografischen Karte größeren Maßstabes entnommen. Aufgrund der Beziehung zwischen mindestens drei Passpunkten kann die Lage aller anderen Bildpunkte interpoliert werden, es ist jedoch ratsam möglichst viele Passpunkte einzubeziehen.

Nachteilig bei einem solchen Interpolationsverfahren ist, dass Höhenunterschiede des Geländes kaum berücksichtigt werden. Es ist lediglich möglich das Relief indirekt einzubeziehen, indem die Passpunkte so gewählt werden, dass dieses mit beschrieben wird. Werden die Passpunkte z.B. entlang eines Hangfußes, am Rand sowie im Bett eines Grabens und auf herausragenden Bergkuppen platziert, ist es möglich die Geländeform in begrenztem Maße zu beschreiben. Allerdings müssen die genauen Koordinaten solcher Geländepunkte bekannt sein.

Parametrische Verfahren:

Die aufwendigeren Verfahren sind die Parametrischen Verfahren, bei denen die Aufnahmegeometrie modelliert und damit eine weitaus größere Genauigkeit erreicht wird. Hierbei müssen zwei Voraussetzungen erfüllt sein: (i) die Orientierung (Lage und Bewegung) des Sensors ist bekannt und (ii) ein Digitales Geländemodell der aufgenommenen Fläche liegt vor. Um den Bezug zum Referenzsystem herzustellen werden ebenfalls Passpunkte verwendet.

Transformation

Mittels der bestimmten Transformationsgleichung kann nun eine Neuordnung der Daten des Eingabebildes in die Matrix des Ausgabebildes durchgeführt werden. Eine solche Transformation, auch Resampling genannt, kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Transformation werden zunächst die neuen Koordinaten für jedes Eingabebild-Element berechnet und anschließend diesen Ausgabebild-Elementen Grauwerte zugewiesen. Im Fall der indirekten Transformation wird umgekehrt vom Ausgabebild in das Eingabebild zurück gerechnet, dort der Grauwert "geholt" und dieser in das Ausgabebild geschrieben.

Die Zuweisung der Grauwerte kann nach verschiedenen Regeln erfolgen:

  1. Nearest Neighbour: es wird der Grauwert des Pixels zugewiesen, welch

Verweise