Georeferenzierung von Luftbildern (QGIS3)

Im Tutorial Georeferenzierung von Kartenblättern und eingescannten Karten (QGIS3) haben wir den grundsätzlichen Prozess der Georeferenzierung in QGIS betrachtet. Bei der verwendeten Methode wurden die Koordinaten von der gescannten Karte abgelesen und per Hand als Kontrollpunkte eingetragen. Oftmals sind auf der zu referenzierenden Karte keine Koordinaten vorhanden oder man möchte ein Bild georeferenzieren. In diesen Fällen kann eine andere bereits georeferenzierte Datenquelle als Unterstützung herangezogen werden. In diesem Tutorial lernen wir, wie man existierende frei verfügbare Datensätze bei der Georeferenzierung nutzen kann.

Überblick über die Aufgabe

Wir werden hoch aufgelöste Ballon-Luftbilder georeferenzieren. Dabei nutzen wir Referenzkoordinaten aus OpenStreetMap.

Weitere Fähigkeiten, die wir erlernen

  • Herunterladen frei zugänglicher hochauflösender Bilddaten.

  • XYZ-Kachellayer als Hintergrundkarte verwenden.

  • Benutzen des OSM Place Search plugins in QGIS.

  • Festlegen eines benutzerdefinierten no-data-Wertes für einen Layer.

Beschaffung der Daten

In diesem Tutorial werden wir Drachen- oder Ballon-Luftbildaufnahmen nutzen. Die Aufnahmen werden hier gesammelt: The Public Laboratory. Man findet hier auch georeferenzierte Aufnahmen. Wir werden aber die nicht georeferenzierten Aufnahmen im JPG-Format herunterladen und den Prozess der Georeferenzierung in QGIS durchgehen.

Lade folgendes JPG-Bild herunter: Washington Square Park, New York. Du kannst mit der rechten Maustaste auf den link klicken und auswählen:guilabel:Save link as....

Der Einfachheit halber kannst du auch eine Kopie des Datensatzes unter folgendem link herunterladen:

newyorkcity-washingtonsquarepark.jpg

Arbeitsablauf

  1. Wir nutzen eine Hintergrundkarte von OpenStreetMap, um Koordinaten zu erfassen. QGIS3 unterstützt von Hause aus Kachellayer. Kachellayer werden auch als “XYZ-Layer” bezeichnet. Die Layer setzen sich aus einzelnen Kacheln zusammen, die nach Zoomstufe (Z) in einem X,Y-Raster angeordnet werden. Du findest den OpenStreetMap Layer unter:guilabel:XYZ Tiles im Browser Panel. Ziehe den Layer in die Hauptarbeitsfläche. Nachdem der Layer geladen ist, achte auf das unten rechts angezeigte Koordinatensystem (Coordinate Reference System - CRS): EPSG 3857 Pseudo Mercator. Das ist wichtig, da wir die Koordinaten beim Georeferenzieren in diesem Koordinatensystem vom geladenen Layer ableiten werden.

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Bemerkung

Hier this page findest du mehr Details zu “XYZ-Layern” und wie man weitere Hintergrundkarten in QGIS hinzufügt.

  1. Das Bild, dass wir georeferenzieren ist vom Washington Square Park, New York. Du kannst mit scrollen und zoomen in der Karte versuchen, den Park zu finden. Das ist allerdings mühsam und unpraktisch. Ein einfachere Möglichkeit ist, dass OpenStreetMap (OSM) “Place Search” plugin zum Suchen der exakten Position zu verweden. Installiere das OSM Place Search plugin von:menuselection:Plugins –> Manage and install plugins –> All. Wenn du das plugin nicht in den Suchergebnissen findest, stelle sicher, dass du folgende Einstellung in QGIS gemacht hast:guilabel:Also show experimental plugins unter:guilabel:Settings. Weitere Informationen zur Benutzung von plugins in QGIS findet man unter:doc:../using_plugins.

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  1. Nachdem das plugin installiert wurde, sieht man einen neuen Arbeitsbereich:guilabel:OSM Place Search.... Suche nach Washington Square Park im Feld:guilabel:Name contains.. box and click ->. Du zum Namen passenden Orte erscheinen dann im Ergebnisbereich. Suche den richtigen Ort aus und klicke den:guilabel:Zoom Knopf.

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  1. Wir sehen die bekannte Karte, die die Orientierungspunkte enthält, die wir aus dem JPG-Bild kennen. Du kannst den:guilabel:OSM Place Search Bereich nun schließen. Wenn du ihn wieder benötigst, kannst du ihn unter View ‣ Panels ‣ OSM Place Search erneut öffnen.

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  1. Jetzt ist an der Zeit, mit der Georeferenzierung zu beginnen. Starte die Georeferencer mit Raster ‣ Georeferencer ‣ Georeferencer. Wenn du das Menü nicht siehst, muss du das Georeferencer GDAL plugin mit Plugins ‣ Manage and install Plugins ‣ Installed aktivieren.

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  1. Gehen im Fenster Georeferencer zu File ‣ Open Raster. Gehe zum heruntergeladenen JPG-Bild und klicke Open.

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  1. Im folgenden Fenster muss das Koordinatensystem (coordinate reference system - CRS) des Rasterdatensatzes angegeben werden. Unser Ausgangsbild ist ein reines JPG-Bild ohne Informationen bezüglich des Koordinatensystems. Wir klicken daher auf Cancel.

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  1. Bevor wir anfangen Passpunkte (GCP- Ground Control Points) zu setzen, müssen wir die Transformationseinstellungen festlegen. Gehe zu Settings ‣ Transformation settings.

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  1. Wähle in den Transformation settings Einstellungen als Transformation type Polynomial 2 aus. In der QGIS Documentation findet man weitere Informationen über die verschiedenen Transformationstypen und deren Einsatz. Wie schon erwähnt, hat unsere Hintergrundkarte das Koordinatensystem EPSG 3857 Pseudo Mercator, so dass wir dieses Koordinatensystem als Target CRS auswählen. Wir können den Eintrag unter Output raster unverändert lassen und LZW als Compression auswählen. Wähle Use 0 for transparency when needed. Achte darauf den Haken bei Load in QGIS when done zu setzen. Klicke OK.

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  1. Klicke jetzt auf den Hinzufügen Point Knopf auf der Toolleiste und wähle einen einfach zu identifizierenden Punkt auf dem Bild. Ecken, Kreuzungen, Masten o.ä. sind gute Möglichkeiten für Passpunkte.

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  1. Wenn du auf dem Bild einen Passpunkt anklickst, erscheint ein neues Fenster, das die Eingabe der Koordinaten des Passpunktes erwartet. Klicke auf den Knopf From map canvas.

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  1. Finde nun diese Stelle auf der Hintergrundkarte und klicke exakt auf diesen Punkt. Die Koordinaten des Passpunktes werden jetzt automatisch mit den Koordinaten des Punktes auf der Hintergrundkarte gefüllt. Klicke auf Ok. Fahre weiter so fort und füge mindestens 6 Passpunkte hinzu und erfasse jeweils ihre Koordinaten von der Hintergrundkarte.

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Bemerkung

Tip: Bei der Auswahl eines Passpunktes an einem Gebäube, sollte man die Unterkante des Gebäudes auswählen. Viele Luftbilder und Satellitenbilder stellen Gebäude geneigt dar, so dass die Auswahl von Passpunkten auf dem Dach zu Fehlern führt.

  1. Wenn wir die minimale Anzahl an Punkten, die zur Transformation benötigt werden, hinzugefügt haben, sehen wir wie sich die “dX”, “dY” und “Rest” Fehlerwerte zu Werten ungleich 0 verändern. Wenn ein bestimmter Passpunkt besonders hohe Fehlerwerte aufweist, ist das in der Regel ein Hinweis auf einen Eingabefehler der Koordinatenwerte. In diesem Fall kann man diesen Passpunkt löschen und ihn anschließend neu erfassen.

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  1. Wenn du mit der Erfassung der Passpunkte zufrieden bist, gehe zu File ‣ Start georeferencing. Das Bild wird nun mit Hilfe der Passpunkte entzerrt.

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  1. Nachdem der Prozess abgeschlossen ist, wird der georeferenzierte Layer in QGIS geladen. Wenn alles geklappt hat, wird der erzeugte Layer genau an der richtigen Stelle auf der Hintergrundkarte angezeigt.

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  1. Um das Ergebnis noch schöner zu machen, entfernen wir den weißen Rand. Klicke mit der rechten Maustaste auf den Layer und wähle Properties.

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  1. Switch to the Transparency tab. Add 255 as the Additional no data value and click OK.
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Bemerkung

8-bit Bilder haben Pixelwerte von 0-255. Dabei bedeutet 0 schwarz und 255 weiß.

  1. Nun sehen wir wie das georeferenzierte Bild schön den Hintergundlayer überlagert.

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