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D. Gajski:
"Rasterbasierte Geländeoberflächenanalysen";
Supervisor, Reviewer: K. Kraus, T. Fiedler; Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, 2005.

This doctoral thesis is about analyzing the surface as represented by digital terrain models, and in particular when derived from airborne laser scanning.

Recently, airborne laser scanning became a prominent technology of data acquisition for high precision terrain models, especially in wooded and in urban areas. Characteristic problems with airborne laser scanner data are dependent on local geomorphology of the terrain surface. Critical areas are valley baselines covered by dense bush-type vegetation: the problems are due to specific difficulties in such areas with eliminating (filtering) the rays reflected by the vegetation, and also to difficulties with reaching at all the surface underneath it. Detecting such cases and correcting them represented the main motivation for these studies.

The concept as applied assumes that the terrain surface is formed by dynamic geomorphologic processes. Analyzing the surface as represented by the digital terrain model, suspicious forms contradicting these dynamic processes are detected; relevant forms are then processed in special ways to enforce proper geomorphology.

Raster-based methods of surface analysis have major advantages: they are efficient; they provide for attractive visualizations; and they allow for applying in special ways the rich spectrum of algorithms available in digital image processing. This dissertation deals in detail with raster-based methods of surface analysis corresponding to morphometric and hydrologic laws.

Hydrologic surface analysis is employed in areas shaped predominantly by fluvial processes. To improve terrain models in such areas, digital rain simulation is applied, and water drainage on the surface modeled. The most important results are:

- The drainage lines thus derived, to be included into the set of data as structure lines for a subsequent reinterpolation of the model surface;

- Depressions with no drainage. They - or characteristically a series of them - will be remodeled by artificial introduction of artificial draining paths with elevations correspondingly lowered.

Terrestrial measurements in the fluvially defined test area "Wienerwald" have indicated a considerable improvement of elevation accuracy by the above described processes.

The methods have been applied also to the Mars surface in Vallis Marineris - the largest rift system of the planet. Data are from the NASA Mars mission MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter). The hydrologic and morphometric results of this analysis provide detailed and specific information on the topography of the Mars surface, in a form very well suited for interpretation, with exceptionally attractive renderings. This data is now available for studies of the geologic and climatic history of the planet.

The methods proposed here have been implemented within the frame of the SCOP++ DTM program package. SCOP++ is organized within a universal application programming frame, enabling a relatively easy extension of the SCOP kernel software by additional algorithms.

Diese Arbeit befasst sich mit der rasterbasierten Geländeoberflächenanalyse von digitalen Geländemodellen, insbesondere von Geländemodellen, die vom flugzeuggetragenen Laserscanning stammen. Das flugzeuggetragene Laserscanning ist inzwischen das herausragende Verfahren zur Datenerfassung für sehr genaue Geländemodelle, vor allem in bewaldeten und bebauten Gebieten. Es gibt aber auch einige Schwächen des flugzeuggetragenen Laserscannings, die von der Geomorphologie des Geländes abhängen. Kritische Bereiche sind vor allem Täler mit dichter (und niedriger) Strauchvegetation, weil einerseits in solchen Bereichen die Datenerfassung stark beeinträchtigt ist und andererseits für die Elimination (Filterung) der Laserpunkte auch beziehungsweise in der Vegetation keine guten Voraussetzungen gegeben sind. Das Erkennen dieser Unzulänglichkeiten und das Erarbeiten von Methoden zu ihrer Behebung war die Hauptmotivation für diese Arbeit.

Die eingeschlagene Konzeption geht davon aus, dass die Form der Geländeoberfläche durch geomorphologische Prozesse dynamisch gestaltet wird. Vor diesem Hintergrund können unerwartete geomorphologische Geländeformen definiert und mit Methoden der Geländeoberflächenanalyse in digitalen Geländemodellen detektiert werden. Anschließend können die unerwarteten geomorphologischen Geländeformen in digitalem Geländemodell überarbeitet und in realistischere Oberflächenformen überfuhrt werden.

Für die Oberflächenanalyse haben rasterbasierte Methoden große Vorteile; sie sind sehr effizient und erlauben attraktive Visualisierungen; sie können auf das große Methodenangebot der digitalen Bildverarbeitung zurückgreifen. In dieser Arbeit wird auf rasterbasierte Oberflächenanalysen eingegangen, die auf morphometrischen und hydrologischen Gesetzen beruhen.

Die hydrologisch basierte Oberflächenanalyse wird in Gebieten angewandt, die durch überwiegend fluviale Prozesse entstanden sind. Das unzulängliche Geländemodell wird (künstlich) beregnet und der Wasserabfluss wird modelliert. Das Ergebnis sind vor allem

- Flussläufe, die als Strukturlinien in einem erneuten Modellierungsprozess einbezogen werden, und
- abflusslose Räume (Mulden), die durch Absenken der sogenannten Muldenpfade beseitigt und hydrologisch plausibel gestaltet werden.

Mit terrestrisch eingemessenen Kontrollpunkten konnte auch eine beachtliche Steigerung der absoluten Höhengenauigkeit festgestellt werden.

Zusätzlich zum Testgebiet "Wienerwald", ein typisch fluvial gestaltetes Gelände, wurden die Methoden auch auf der Marsoberfläche im Gebiet des Vallis Marineris, dem größten Grabensystem am Mars, angewandt. Die Marsdaten stammen von der NASA-Mission MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter). Die hydrologischen und morphometrischen Analyseergebnisse geben detailliert Aufschluss über die Oberflächentopographie des Planeten Mars. Ihre Visualisierungen sind besonders attraktiv. Die erzielten Ergebnisse stehen nun für wissenschaftliche Untersuchungen der geologischen und klimatischen Geschichte des Planeten Mars zur Verfügung.

Die Implementierung der erarbeiteten Methoden wurde im Geländemodell-Programmpaket SCOP++ vorgenommen. Dieses Programmpaket besitzt einen universellen Applikationsrahmen, mit dem die SCOP-Basissoftware verhältnismäßig leicht um ergänzende und neue Algorithmen erweitert werden kann.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_119797.pdf