DE3931378A1 - Verfahren zum erkennen von linearen in bilddaten und deren verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erkennen von Line­ aren in Bilddaten, insbesondere satelliten- und/oder flugzeuggestützter Aufnahmesysteme, und ihre Verwendung für geologische Aufgabenstellungen.

Für verschiedene Anwendungsgebiete der praktischen Geologie (Rohstoff­ exploration, Bergbau, Ingenieur-, Hydrogeologie) ist die geologische Strukturanalyse nach Linearen in Luftbildern bekannt geworden. Lineare sind natürliche, mehr oder weniger geradlinige Elemente, die meist geo­ logisch-tektonische Ursachen haben und vorwiegend Gesteinsgrenzen, Fa­ ziesänderungen und bruchtektonische Richtungen (Störungen, Kluftzonen) abbilden. Im Bildmaterial zeichnen sich Lineare durch Unterschiede in den Farb- bzw. Grautönen ab. die durch Änderungen in der Vegetation, der Feuchtigkeitsverteilung, des Zersetzungsgrades der Gesteine etc. bedingt sind. Lineare geben somit direkt oder indirekt Hinweise auf Störungs­ systeme und gestatten in Verbindung mit zusätzlichen geologischen Karten- und/oder Geländeinformationen Rückschlüsse auf den strukturellen Aufbau und die geologisch-tektonische Entwicklung des erfaßten Gebietes.

In jüngerer Zeit werden für Linearkartierungen zunehmend Bilddaten sa­ telliten- und flugzeuggestützter Aufnahmesysteme verwendet. Dazu ist bekannt, daß die Bilddaten mittels opto-mechanischer oder opto-elektro­ nischer Scanner gewonnen werden, die zeilenweise Bildelemente (Pixel) senkrecht zur Flugrichtung der Aufnahmeplattform (Satellit oder Flug­ zeug) abtasten. Scanner zeichnen die von der Erdoberfläche reflektierte und emittierte Strahlungsenergie synchron in mehreren, eng definierten Bändern (Kanälen) im optischen Bereich (0.4-14.0µm) des elektromagne­ tischen Spektrums auf. Die in den verschiedenen Kanälen digital vorlie­ genden Reflexions- und Emissionsdaten werden für jedes Bildelement (Pixel) einer Grauwertskala zugeordnet, wobei dem Grauwert "0" der opti­ sche Eindruck "schwarz" und dem Grauwert "255" der optische Eindruck "weiß" entspricht. Dadurch sind Reflexion und Emission eines Bildele­ ments durch einen bestimmten Grauwert bzw. Zahlenwert zwischen 0 und 255 beschrieben. Gewöhnlich werden die Bilddaten mittels geeigneter Ver­ arbeitungssysteme und sich anschließender fotomechanischer Verfahren in an sich bekannter Weise in reale Bilder umgesetzt.

Eine unmittelbare optisch-visuelle Auswertung von Satelliten- und Luft­ bildern unterliegt aus verschiedenen Gründen erheblichen Einschränkun­ gen. Wegen der unzureichenden Differenzierung von Farb- bzw. Grautönen durch das menschliche Auge bleiben optisch-visuelle Linearkartierungen meist unvollständig, subjektiv und oft nicht nachvollziehbar. Das Auswerteergebnis ist das Produkt eines sich über Jahre erstreckenden Lernprozesses und ist somit sehr von der Erfahrung des Bildauswerters abhängig.

Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Linearkartierung vereinfacht und objektiviert werden kann, so daß Lineare nach objektiven Kriterien identifiziert werden und beim Betrachten des fertigen Bildes ohne weitere Hilfsmittel das Ergebnis der Linearkartierung ersichtlich wird und für die geologisch-tektonische Strukturanalyse verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausge­ staltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein wesentlicher Kern der Erfindung liegt darin - in Abkehr von der bis­ lang üblichen Auswertemethode auf der Grundlage realer photographischer Bilder - zur Linearkartlerung Bilddaten satelllten- und/oder flugzeugge­ stützter Aufnahmesysteme zu verwenden und die Information unmittelbar aus den digitalen Bilddaten zu gewinnen.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung ist ein Linear durch eine Anhäufung von Bildelementen (Pixel oder Pixelgruppen) charakterisiert, wobei sich die einzelnen Bildelemente in ihren Grauwerten, d.h. in ihren Refle­ xions- und Emissionswerten, um eine einstellbar vorgegebene Grauwert­ differenz von ihren Nachbarbildelementen spektral unterscheiden. Die Ge­ samtheit dieser spektral auffälligen Pixel oder Pixelgruppen hebt sich gleichzeitig als Ganzes von der Umgebung ab. Im folgenden werden Bild­ elemente der Fachsprache gemäß als Pixel bezeichnet.

Erfindungsgemäß werden die Grauwerte der einzelnen Pixel eines digita­ len Bildes mit einem Verarbeitungsgerät zeilen- und spaltenweise mit den Grauwerten der Nachbarpixel verglichen und spektral auffällige Pixel in mehreren Zwischenbildern, bevorzugt in einem Zwischenbild markiert. Hin­ sichtlich ihrer räumlichen Verteilung werden spektral auffällige Pixel auf Korrelationen analysiert. Dazu wird ein Maskenfenster zeilen- und spaltenweise über das Zwischenbild bewegt, wobei zur sicheren Unter­ scheidung der Linearrrichtungen, bevorzugt in 5°-Schritten von 0° bis 180° (0° = Spaltenrichtung), eine Mindestlänge des Maskenfensters von 8 Pixel erforderlich ist und die variable, von 3×3 Pixel bis auf 112× 3 Pixel einstellbare Länge des Maskenfensters (L) das Erkennen unter­ schiedlich langer Lineare ermöglichen soll. Damit wird geprüft, ob sich innerhalb des Maskenfensters genügend markierte Pixel befinden und innerhalb des Maskenfensters deutlich mehr markierte Pixel liegen als beiderseits außerhalb angrenzend. Rechnerisch wird dazu die Summe der markierten Pixel in der Mitte (S) sowie links (SL) und rechts (SR) im Maskenfenster gebildet. Ein einstellbarer Schwellwert T1 legt die er­ forderliche Mindestanzahl markierter Pixel im Maskenfenster fest. Prak­ tischen Versuchen zufolge hat die Festlegung von T1 so zu erfolgen, daß mindestens 50% des Maskenfensters besetzt sein müssen, um markierte Pixel zu Linearen zusammenzufassen. Lineare sind nach ihrer Signifikanz grauwertkodiert: spektral auffällige Lineare sind heller dargestellt, spektral unauffällige Lineare erscheinen dunkler.

Mit Hilfe eines nach geologischen Optimierungsgrundsätzen festzulegen­ den Schwellwertes T2 werden spektral unauffällige Lineare eliminiert. T2 legt fest, um welchen Faktor die Pixelsumme S sich von den Pixel­ summen SL und SR unterscheiden muß. Die Kartierung signfikanter Lineare und ihr Eintrag im Ergebnisbild erfolgen, wenn die Kriterien

S < T1 × L

und

(SL × T2) < S < (SR × T2)

erfüllt sind.

Der vorstehend erläuterte Ablauf wurde nur in den für das Verständnis des Verfahrens notwendigen Schritten beschrieben. Für den Fachmann ist dabei ersichtlich, daß die einzelnen Schritte zur Erstellung des Ergeb­ nisbildes in einem Verarbeitungsgerät unmittelbar zusammengefaßt werden können und das Ergebnisbild auf elektronischem oder fotomechanischem Wege ausgegeben wird. Es ist zweckmäßig, Lineare eines Ergebnisbildes zur Verdeutlichung ihrer topographischen Lage mit einem realen Satelli­ ten- oder Flugzeugscannerbild zu kombinieren.

Die Lineare des fertigen Ergebnisbildes sind einfarbig. Gemäß einer Wei­ terbildung der Erfindung zur Wiedergabe der Lineare im Ergebnisbild hat es sich aus geologischen Gründen als zweckmäßig herausgestellt, die abgebildeten Lineare für 1-36 Linearrichtungen vorzugsweise in 5°- Schritten von 0° bis 180° grauwert- oder farbkodiert darzustellen bzw. ausgewählte Linearrichtungen farblich besonders hervorzuheben, z.B. Linearhauptrichtungen, erzkontrollierende Vorzugsrichtungen, glazigene Vorzugsrichtungen und dergleichen.

Im Hinblick auf die Verwendung des Ergebnisbildes empfiehlt es sich, kartierte Lineare statistisch auszuwerten. Die Wiedergabe der statisti­ schen Auswertung kann in Tabellen erfolgen, wobei die Summe aller kar­ tierten Lineare und ihre Gesamtlänge (in Pixel), die richtungsabhängige Anzahl der Lineare, die mittlere Linearlänge (in Pixel), die richtungs­ abhängige maximale und minimale Linearlänge (in Pixel) sowie die Linear­ hauptrichtung (in Grad) angegeben wird oder in einer 360°-Linearrose, aus der die Verteilung der Häufigkeit und der Streichrichtungen der Lineare des Ergebnisbildes unmittelbar ablesbar ist.

Einer anderen Weiterbildung der Erfindung gemäß ist es sinnvoll, die statistische Linearauswertung und geologischen Gesteinseinheiten ge­ trennt, d.h. nach Teilflächen mit unregelmäßigen Umrissen durchzu­ führen. Die statistische Linearauswertung läßt sich schließlich noch dadurch optimieren, daß die Kreuzungspunkte der Lineare entsprechend ih­ rer Häufigkeit pro Flächeneinheit grauwert- oder farbkodiert dargestellt werden. Eine derartige Darstellung ist im Hinblick auf die regional-geo­ logisch-tektonische Strukturanalyse sehr zweckmäßig, wenn sie mit geolo­ gischen Zusatzinformationen zur Verdeutlichung struktureller Zusammen­ hänge, z.B. zwischen Llneamenten bzw. Lineamentkreuzungen und Quellen­ standorten, Vorkommen von Mineral- und Thermalwässern, Erzfundpunkten und dergleichen verknüpft werden.

Die geologische Auswertung des Ergebnisbildes kann sehr einfach erfolgen und geschieht zweckmäßigerweise dergestalt, daß die Lineare in einer dem Bildmaßstab entsprechenden Karte mit geologischem und topographischem Hintergrund eingetragen und Lineare geologisch-tektonischer Natur aus­ gesondert werden. Praktische Versuche haben gezeigt, daß der Anteil geologisch-tektonischer Lineare am Linearinventar der Ergebnisbilder ab­ hängig ist von der geometrischen Bodenauflösung der verwendeten Bild­ daten, d.h. von der Flughöhe der Aufnahmeplattform. Bei Linearkartie­ rungen nach Satellitendaten, z.B. des Landsat Thematic Mapper-Satel­ liten mit einer geometrischen Bodenauflösung der Pixel von 30 m in den Kanälen 1, 2, 3, 4, 5 und 7 bzw. von 120 m im Kanal 6, ist der Anteil nicht-geologischer Lineare vernachlässigbar; geologisch-tektonische Lineare repräsentieren überwiegend regionale bis überregionale Störungen (Lineamente) und die Grenzen großer Gesteinseinheiten. Ergebnisbllder nach Flugzeug-Scannerdaten mit hoher geometrischer Bodenauflösung der Pixel < 5 m enthalten einen höheren Anteil nicht-geologischer Lineare, der abhängig ist vom Bebauungsgrad, dem Straßen-, Hege- und Gewässernetz etc. Geologisch-tektonische Lineare zeichnen sehr subtil neben lokalen Störungen auch lithologische Grenzen, Sandsteinhorizonte, Konglome­ ratzonen etc. nach.

Geologisch-tektonische Lineare der Ergebnisbilder sind die Grundlage für die geologisch-tektonische Strukturanalyse, die u. a. auf dle Erfassung des Störungsmusters eines betrachteten Gebietes abzielt. Nach den tech­ nischen Parametern des Verfahrens wird eine einzelne Störung als Linear erkannt und abgebildet, wenn sie eine Mindesterstreckung im Streichen aufweist und sich ihr Ausblß über die geforderte Mindesterstreckung spektral signifikant von der Umgebung abhebt. Für die praktische Anwen­ dung des Verfahrens ist es erforderlich, dle geologisch-tektonische Strukturanalyse im Gelände zu überprüfen und z.B. erkannte Störungen durch bekannte Methoden der Bodengeophysik, durch Schürfe oder Bohrungen zu verifizieren.

Das Verfahren nach der Erfindung kann für Aufgabenstellungen der ange­ wandten Geologie verwendet werden. Nichtige Anwendungsgebiete sind die Rohstoffexploration und Grundwassererkundung. Im Hinblick auf die Beur­ teilung der Höffigkeit eines Gebietes und die Ausweisung von Zielstruk­ turen ist die Erfassung des regionaltektonischen Bauplans in der Explo­ ration auf strukturkontrollierte Lagerstätten (Kohlenwasserstoff, Erze) und Grundwasservorkommen wesentliche Voraussetzung. Mit konventionellen Methoden der Satelliten- und Luftbildgeologie oder der geologischen Feldkartierung kann die geologisch-tektonische Strukturanalyse meist nur mit großem zeitlichen und finanziellen Aufwand erreicht werden. Ihre verbesserte Aussagefähigkeit nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann daher entscheidend sein für die schnellere Abschätzung des Lager­ stätten-/Grundwasserpotentials und die effiziente Durchführung nach­ folgender Geländearbeiten.

Weiteres Anwendungsgebiet ist die Lokalisierung kleinräumiger Störungen im Rahmen tektonischer Detailanalysen für die lokale Grundwassererkun­ dung, für Deponieerkundungen sowie für ingenieurgeologische Planungsmaßnahmen und Baugrundun­ tersuchungen. Insbesondere auf dem Gebiet der Ingenieurgeologie ist die Kenntnis von Störungen von Bedeutung hinsichtlich der Abschätzung des Gefährdungspotentials durch Störungen bei der Auswahl und Bewertung des Baugrundes im Zusammenhang mit Talsperren-, Tunnel- und Kavernenbau, Großbauwerken, Eisenbahn-, Kanal-, Straßen- und Pipelinetrassen, Hangrutschzonen und dergleichen.

Von maßgeblicher wirtschaftlicher Bedeutung ist die Früherkennung loka­ ler Störungen im Bergbau, insbesondere im Steinkohlenbergbau. Der untertägige Abbau verursacht hier vor allem in dichtbesiedelten Gebie­ ten Bergschäden an Übertageeinrichtungen und Gebäuden, die dann oft kostenaufwendige Sanierungsmaßnahmen verlangen. Die flächendeckende Störungserkennung im Vorfeld des Bergbaus lst im Kartenmaßstab 1 : 5000 derzeit nur nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Erfindung mög­ lich. Darüber hinaus ist das Verfahren im Rahmen der Planung bergbauli­ cher Auffahrungsarbeiten (Abteufen von Schächten, Auffahrung von Rampen) anwendbar.

Die Erfindung betrifft ein geophysikalisches Fernerkundungsverfahren, das vom Satelliten oder Flugzeug aus registrierte Bilddaten im opti­ schen Bereich des elektromagnetischen Spektrums nutzt. Es weist eini­ ge charakteristische Vergleichsmerkmale mit anderen geophysikalischen Verfahren auf. So entscheldet die Wahl der Aufnahmeplattform (Satellit oder Flugzeug) über die Meßpunktdichte, d.h. der Anzahl der Pixel pro Flächeneinheit, und entspricht der Definition des Meßgitters z.B. bei dem Einsatz bodengeophysikalischer Meßprogramme. Generell wird dadurch die geometrische Auflösung des Verfahrens bestimmt und damit der Maßstab der Ergebniskarten beeinflußt. Die Einstellung verschledener Schwell­ werte ist vergleichbar mit dem Wahlbereichsschalter eines Meßgerätes zur Einstellung der Meßempfindlichkeit. Die Darstellung der Ergebnisse in Form von Linearen entspricht bei anderen geophysikalischen Verfahren der Darstellung in Form von Profilen und Konturkarten. Es werden spek­ trale "Anomalien" erkannt und als Lineare abgebildet, die in Verbindung mit geologisch-tektonischen Zusatzinformationen eine objektive Grundlage für die geologisch-tektonische Strukturanalyse darstellen. Somit unter­ scheidet sich das Verfahren nach der Erfindung schon durch den technolo­ gischen Ansatz von einer optisch-visuellen Satelliten- oder Luftbildaus­ wertung.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen daher insbesondere darin, daß die Ergebnisbilder unabhängig von den Fähigkeiten und Erfah­ rungen eines Blldauswerters erstellt werden können und aufgrund mathema­ tischer Parameter reproduzierbar sind. In verschiedenen Kanälen gleich­ zeitig aufgenommene Bilddaten lassen Linearkartierungen sowohl im Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts als auch vorzugsweise im Be­ reich des Infrarot zu. Besonders vorteilhaft ist die generelle Anwend­ barkeit des Verfahrens auf digitale Satelliten- und Flugzeug-Scanner­ bilder mit Pixeln unterschiedlicher geometrischer Bodenauflösung; da­ durch werden Linearkartierungen und geologisch-tektonische Strukturana­ lysen im Maßstabsbereich von 1 : 250 000 bis 1 : 5000 möglich. Ein be­ sonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß auch Informationen über bislang unbekannte Störungen gewonnen werden, die heute weder aus geo­ logischen Karten noch aus anderen Ausarbeitungen zu entnehmen sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden näher erläutert. Es basiert auf Bilddaten im kurzwelligen Infrarot (2.08-2.35µm) des Landsat Thematic Mapper-Satelliten für ein Gebiet mit der Fläche 61 km × 61 km. Es zeigen

Abb. 1: Zwischenbild mit markierten spektral auffälligen Pixeln

Abb. 2: Ergebnisbild mit erkannten Linearen.

Zur Erstellung des Zwischenbildes (Abb. 1) wird das digitale Bild auf spektral auffällige Pixel analysiert. Als spektral auffällig werden in diesem Beispiel Pixel eingestuft, deren Grauwerte sich um mindestens 10 Grauwerte von den Nachbarpixeln unterscheiden. Als spektral auffällig erkannte Pixel werden in einem Zwischenbild (Abb. 1) markiert.

Zur Erstellung der Abb. 2 wird ein Maskenfenster zeilen- und spaltenwei­ se über das Zwischenbild bewegt, um die spektral auffälligen Plxel hin­ sichtlich ihrer räumlichen Anordnung auf Korrelationen zu analysieren. Dazu ist die Länge des variablen Maskenfensters so eingestellt, daß Li­ nearlängen von 16 bis 48 Pixel auffindbar sind. Zur Unterscheidung von 18 Linearrichtungen in 10°-Schritten von 0° bis 180° beträgt die Min­ destlänge des Maskenfensters 16 Pixel. Es werden spaltenweise die Rich­ tungen von 50° bis 132° und zeilenweise die übrigen Richtungen von 0° bis 180° untersucht, wobel 0° der Spaltenrichtung entspricht. Schwell­ wert T1 ist so definiert, daß mindestens 50% des Maskenfensters mit markierten Pixeln besetzt sind. Schwellwert T2 ist nach geologischen Kriterien so gewählt, daß diejenigen markierten Pixel zu Linearen im Er­ gebnisbild (Abb. 2) zusammengefaßt und eingetragen werden, deren Grau­ wertsumme mindestens 2.2 mal größer oder kleiner ist als in der direkten Umgebung.

Nach der maßstabsgerechten Vergrößerung des Ergebnisbildes werden die Lineare auf eine geologisch-topographische Karte übertragen und geolo­ gisch-tektonische Lineare hervorgehoben. Danach läßt sich dann in Ver­ bindung mit der linearstatistischen Auswertung sehr einfach die geolo­ gisch-tektonische Strukturanalyse anwendungs- und aufgabenorientiert durchführen, deren Überprüfung anschließend mit bekannten Methoden er­ folgen kann. Das Ausführungsbeispiel zeigt eine Linearkartierung für die regionalgeologisch-tektonische Strukturanalyse im Maßstab 1 : 250 000 im Rahmen der Mineralexploration.

Claims (9)

1. Verfahren zum Erkennen von Linearen in Bilddaten, insbesondere satelliten- und/oder flugzeuggestützter Aufnahmesysteme, da­ durch gekennzeichnet, daß

• a) ein digitales Bild zeilen- und spaltenweise auf spektral auf­ fällige Pixel analysiert wird, wobei sich spektral auffällige Pixel in ihren Grauwerten von den Nachbarpixel um eine ein­ stellbar vorgegebene Grauwertdifferenz unterscheiden,
• b) spektral auffällige Pixel in mehreren Zwischenbildern, bevor­ zugt in einem Zwischenbild markiert werden,
• c) das Zwischenbild zeilen- und spaltenweise mit einem Masken­ fenster zur Unterscheidung der Linearrichtungen von 0° bis 180° vorzugsweise in 5°-Schritten untersucht wird, wobei die Länge des Maskenfensters einstellbar ist,
• d) die Summe der markierten Pixel in der Mitte (S) sowie links (SL) und rechts (SR) im Maskenfenster der Länge (L) gebildet wird, wobei ein einstellbarer Schwellwert T1 die erforder­ liche Mindestanzahl markierter Pixel im Maskenfenster angibt und ein einstellbarer Schwellwert T2 festlegt, um welchen Faktor sich die Pixelsumme S von den Pixelsummen SL und SR unterscheiden muß,
• e) markierte Pixel bei Erfüllen der Kriterien S < T1 × Lund(SL × T2) < S < (SR × T2)als Lineare zusammengefaßt werden und ein Eintrag der Lineare im Ergebnisbild erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Darstellung der Lineare im Ergebnisbild einfarbig oder für 1 bis 36 Linearrichtungen in 5°-Schritten von 0° bis 180° grau­ wert- bzw. farbkodiert erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Häufigkeits- und Richtungsverteilung der Lineare des Er­ gebnisbildes in Tabellen beschrieben oder in Linearrosen dar­ gestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Häufigkeits- und Richtungsverteilung der Lineare des Ergebnis­ bildes für ausgewählte Teilflächen mit unregelmäßigen Umrissen in Tabellen beschrieben oder in Linearrosen dargestellt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreuzungspunkte der Lineare des Ergebnisbildes entsprechend ihrer Häufigkeit pro Flächeneinheit grauwert- bzw. farbko­ diert dargestellt werden.

6. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß geologisch-tektonische Lineare des Ergebnisbildes ausgesondert und diese für die geologisch-tektonische Struktur­ analyse verwendet werden.

7. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ergebnisse der geologisch-tektonischen Struk­ turanalyse im Gelände mit bekannten Methoden überprüft und Lineare z.B. als Störungen, Kluftzonen, Gesteinsgrenzen und dergl. verifiziert werden.

8. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 für Zwecke der

• - Rohstoffexploration (Kohle, Erz, Erdöl) und Grundwasserer­ kundung
• - Ingenieurgeologie (Talsperren-, Tunnel- und Kavernenbau, Eisenbahn-, Kanal-, Straßen- und Pipelinetrassen, hangrutsch­ gefährdete Zonen)

9. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 7 für Zwecke des Bergbaus bevorzugt zur Früherkennung von Störungen im Vorfeld bergbaulicher Auffahrungs- und Abbautätigkeiten, insbesondere im Hinblick auf die Reduzierung von Bergschäden.