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Keywords:

  • change detection;
  • DEM;
  • ground control;
  • lidar;
  • photogrammetry;
  • topography

Abstract

Research has shown the importance of measuring topography for surface change detection and that the use of remote sensing methods is ideal for this application. A prerequisite for measuring change is a historical data-set that covers the time period of interest. Many remote methods of topographic data collection such as lidar are relatively recent developments and therefore cannot provide records longer than about a decade. Alternatively, aerial photography has been in common use since the early 20th century and archives upwards of 50 years are therefore not uncommon. While photogrammetry is dependent on well distributed, high quality ground control points (GCPs), such data has been successfully applied retroactively. Therefore, contemporary lidar data, which requires little ground-truth data, should be an ideal source of GCPs for controlling historical aerial photographs. This study aims to evaluate the success with which GCPs can be extracted from a high-resolution lidar data-set for controlling aerial photography for digital elevation model (DEM) production. Using a data-set collected in Upper Wharfedale, northern England, GCPs were measured both by means of a lidar data-set and by using traditional field-based methods. The results showed that while the use of lidar-derived ground control produced a DEM of inferior quality, increasing the number of GCPs used in the model produced results comparable to the GPS-controlled DEM. These results are significant especially for surface change detection research in remote areas where high quality ground control is difficult to secure.

Résumé

Les études ont montré l'importance des déterminations topographiques pour la saisie des changements de surface et la parfaite adaptation des méthodes de télédétection dans cette application. Préalablement à la détermination des changements, il convient d'avoir un jeu de données historiques couvrant la période concernée. De nombreuses méthodes de saisie à distance de données topographiques, telle que le lidar, sont relativement récentes et ne peuvent pas fournir de données de base remontant à plus de dix ans environ. En revanche on a utilisé la photographie aérienne depuis le début du 20ème siècle et il n'est pas rare de disposer d'archives photographiques de plus de 50 ans. Bien que la photogrammétrie nécessite de déterminer des points d'appui sur le terrain (GCP) de haute qualité et bien répartis, on a recouru avec succès et rétroactivement à cette technique. Il en résulte que les données récentes au lidar, qui ne demandent que très peu de données de réalité de terrain, devraient constituer une source idéale pour obtenir un canevas de points d'appui pour les photographies aériennes anciennes. On a cherchéàévaluer avec quel succès on pouvait extraire d'un jeu de données lidar à haute résolution les points d'appui sur le terrain nécessaires à l’établissement d'un MNE (Modèle Numérique des Elévations) à partir de photographies aériennes. Pour cela on a utilisé des données couvrant l'Upper Wharfedale, au Nord de l'Angleterre, en déterminant les points d'appui au sol à la fois au lidar et par des travaux de terrain classiques. Les résultats ont montré que la méthode au lidar fournissait un MNE de qualité inférieure mais qu'en augmentant le nombre des points d'appui au sol on obtenait une qualité comparable à celle d'un MNE appuyé sur GPS. Ces résultats sont particulièrement intéressants pour la saisie des changements au sol dans les zones éloignées où il est difficile de s'assurer d'un canevas de points d'appui au sol de haute qualité.

Zusammenfassung

Die Erfassung der Topographie mit Hilfe von Fernerkundungsmethoden ist von großer Bedeutung für die Erkennung von Oberflächenänderungen. Eine Voraussetzung für die Erfassung von Veränderungen ist das Vorhandensein eines Datensatzes, der die gesamte zu untersuchende Zeitspanne repräsentiert. Allerdings sind viele Methoden der topographischen Datenerfassung, wie z.B. das flugzeuggestützte Laserscanning relativ neue Entwicklungen, die nur etwa einen Zeitraum der letzten zehn Jahre abdecken. Luftbilder sind jedoch seit dem frühen 20. Jahrhundert in Gebrauch und Archive, die mehr als 50 Jahre zurückreichen sind keineswegs ungewöhnlich. Eine photogrammetrische Datenerfassung ist stark von gut verteilten, qualitativ hochwertigen Passpunkten abhängig, wurde aber nachträglich erfolgreich auf ältere Luftbildaufnahmen angewandt. Aktuelle Laserscandaten, die relativ wenig Passpunktinformation benötigen, könnten als ideale Quelle für Passpunkte zur Orientierung historischer Luftbildaufnahmen dienen. Diese Studie hat das Ziel festzustellen, inwieweit Passpunkte aus einem hochauflösenden Laserscandatensatz extrahiert werden können, die dann zur Generierung eines digitalen Höhenmodells aus Luftbilddaten eingesetzt werden. In einem Testdatensatz aus Upper Wharfedale in Nordengland wurden Passpunkte sowohl aus Laserscandaten, als auch mit terrestrischer Vermessung erfasst. Es hat sich gezeigt, dass mit Passpunkten aus Laserscandaten zunächst eine geringere Genauigkeit des digitalen Höhenmodells erreicht wurde, die allerdings durch eine erhöhte Passpunktanzahl weiter gesteigert werden konnte und Ergebnisse lieferte, die vergleichbar der Version mit terrestrischer Passpunktbestimmung waren. Damit lassen sich vor allem in schwer zugänglichen Gebieten qualitativ hochwertige Passpunktinformation bestimmen, um eine Änderungsdetektion aus Luftbilddaten zu ermöglichen.

Resumen

La investigación ha puesto de manifiesto la importancia que tiene medir la topografía para detectar cambios en la superficie del terreno, así como la adecuación de los métodos de la teledetección para dicha aplicación. Para el estudio de los cambios es necesario disponer de una base de datos históricos que cubra el período objeto de estudio. Dado lo reciente de muchos métodos de obtención remota de datos topográficos tales como el lidar, aquellos no pueden proporcionar registros más allá de una década. Por el contrario, la fotografía aérea se ha venido utilizando desde comienzos del siglo XX y no son raros los archivos de más de 50 años. Los métodos fotogramétricos se basan en la calidad y buena distribución de los puntos de control, que se han podido utilizar retroactivamente con éxito. Por tanto, los datos lidar actuales, que requieren de poco control terrestre, deberían constituir una fuente ideal de puntos de control para fotos aéreas históricas. Este estudio se propone evaluar la obtención de puntos de control a partir de datos lidar de alta resolución para usarlos como control de campo de fotografías aéreas a partir de las que obtener Modelos Digitales de Elevación (MDE). Usando datos recogidos en el Alto Wharfedale, al norte de Inglaterra, se determinaron puntos de control a partir de datos lidar y también mediante métodos topográficos tradicionales. Los resultados indican que el uso de puntos de control derivados de los datos lidar da lugar a un MDE de calidad inferior, pero que incrementando el número de puntos de control usados en el modelo da un resultado comparable al MDE obtenido con control GPS. Estos resultados son especialmente significativos para la investigación de los cambios en la superficie de áreas remotas donde es difícil garantizar la obtención de puntos de control de alta calidad.