Entwicklung eines Qualitätsmodells für die Generierung von Digitalen Geländemodellen aus Airborne Laser Scanning

Seit einigen Jahren hat Airborne Laser Scanning (ALS) in Europa die traditionelle Luftbildvermessung (Photogrammetrie) als wichtigste Technologie zur Erfassung von hochaufgelösten Digitalen Geländemodellen (DGM) abgelöst. Die direkte Georeferenzierung bzw die direkte Bestimmung von 3D Objektkoordinaten, die hohe Punktdichte, die Fähigkeit in einem Messdurchgang das Terrain- und Oberflächenmodell (DTM bzw. DOM) zu erfassen sowie der grosse Automatisierungsgrad sind entscheidende Vorteile. Die Anwender von ALS haben aber auch Schwierigkeiten zu lösen: Wie bei allen Methoden, mit denen die Realwelt in ein abstrahiertes Datenmodell (bzw. in einen Geo-Datensatz) übergeführt wird, kann die Güte einer Datenerfassung mangels Referenzdaten nicht vollständig durch direkten Vergleich bestimmt werden, sondern nur durch partielle Vergleiche einzelner Merkmale des Geo-Datensatzes mit geeigneten Methoden oder Referenzinformation. Ein bekanntes Beispiel dafür ist die Beurteilung der Höhengenauigkeit mittels Vergleich zwischen DTM und Kontrollpunkte.

Das Kombinieren von Messwerten aus verschiedenen Sensoren in mehreren Arbeitsschritten und das Fehlen zuverlässiger Kontrollinformationen führen dazu, dass Mängel in der Datenerfassung (insbesondere deren Vollständigkeit) erst deutlich später in der Objektzuordnung erkannt werden. Während bei anderen Methoden zur Erfassung von DGM über Jahre Verfahren in der Datenerfassung
oder -auswertung und dazu passende Qualitätsmerkmale und -prüfungen entwickelt wurden fehlen diese de facto Standards bei ALS.

Weiter ist die Qualität von Geodaten aus ALS geprägt durch die unstrukturierte Datenerfassung (Punktwolke) und der nachträglichen Auswertung (Objektzuordnung). Die Trennung der Koordinaten von der Objektbestimmung bringt mit sich, dass die räumliche Genauigkeit als bisher bedeutendstes Merkmals zur Beurteilung der Qualität von DTM bei ALS Mängel in der Objektbestimmung nicht nachweisen kann. Es hat sich gezeigt, dass in vielen Datenerfassungsprojekte mittels ALS geeignete Produktdefinitionen und vollständige technische Spezifikationen zur Beschreibung der erwarteten Qualität der Endprodukte fehlen. Als Folge davon sind diese Projekte von Verzögerungen und Mehraufwand geprägt. Diese Mängel werden durch das in dieser Arbeit beschriebene Qualitätsmodell behoben, welches auf einer ganzheitlichen Betrachtung von Sensoren, Auswertealgorithmen, Prozessen, Geodaten und Kundenbeziehung beruht. Das Modell orientiert sich an den ISO-Normen zu Qualitätsmanagement und Geodaten, ist aber auf die Merkmale hochaufgelöster DGM und den spezifischen Eigenschaften der ALS-Technologie ausgerichtet. Das Modell ist aus mehreren Schichten aufgebaut. Die zentrale Stellung nimmt die Produktdefinition ein. Sie beschreibt, wie die Realwelt in dem Geodatensatz abgebildet werden soll.

Zusammen mit den Metadaten und weiteren Informationen aus dem Produktionsprozess zur Gewährung der Nachvollziehbarkeit beschreibt die Produktdefinition die nicht-quantitativen Qualitätsmerkmale. Zur quantitativen Beschreibung der Qualität eines Datensatzes stehen mehrere Merkmale zur Verfügung (zweite Schicht). Der Nutzen dieser Merkmale kann nur erzielt werden, wenn die dazugehörigen Testmethoden und die Qualitätsgrenzlage beschrieben sind. In der Arbeit werden geeignete Ansätze präsentiert, ohne aber konkrete Vorschläge für Qualitätsgrenzlagen anzubieten, da diese stark von der Anwendung abhängen. Die dritte Schicht des Qualitätsmodells beschreibt die Anforderungen an die Prozessqualität. Auf der technischen Seite stehen die Realisierungsprozesse, welche die Qualität der Produktion entsprechend den Qualitätsvereinbarungen sicherstellen. Zur Mittel- und langfristigen Sicherstellung der Prozessqualität dienen die Managementprozesse. In der äussersten Schicht des
Qualitätsmodells steht der Geodatensatz als das Ergebnis der inneren Schichten. Von besonderer Bedeutung ist auch das Datenmanagement, welches aufgrund der anfallenden Datenmenge besondere
Aufmerksamkeit erfordert.

Durch die Einführung des Qualitätsmodells in die Produktionsprozesse und die Bereitstellung geeigneter Softwarewerkzeuge, welche zur Vervolständigung des Modells beschrieben werden, kann die Effizienz und Effektivität in Projekten zur Generierung von DGM mittels ALS gesteigert werden.

Die praktischen Vorteile und Nutzen des Qualitätsmodells werden anhand der Erfahrungen in einem Grossprojekt für das Bundesamt für Landestopographie (swisstopo) diskutiert.