Entwicklung von Verfahren zur Bestimmung räumlich-zeitlich hochaufgelöster Bewegungsvektorfelder an Gletschern aus monoskopischen Bildsequenzen
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Bewegungsvektorfeldern von Gletschern aus monokularen Bildsequenzen. Diese stellen eine wertvolle Grundlage für glaziologische Analysen des Bewegungsverhaltens von Gletschern dar. Im Rahmen der Arbei...
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| Format: | Doctoral Thesis |
| Language: | deu |
| Published: |
Saechsische Landesbibliothek- Staats- und Universitaetsbibliothek Dresden
2013
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| Online Access: | http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-113088 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa-113088 http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/11308/Dissertation_Schwalbe_Ellen.pdf |
| Summary: | Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung von räumlich und zeitlich hochaufgelösten Bewegungsvektorfeldern von Gletschern aus monokularen Bildsequenzen. Diese stellen eine wertvolle Grundlage für glaziologische Analysen des Bewegungsverhaltens von Gletschern dar. Im Rahmen der Arbeit wurden Bildsequenzmessungen an fünf schnellfließenden Gletschern im Bereich der Diskobucht in Westgrönland durchgeführt. Insbesondere erfolgte die Aufnahme von Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscannerdaten am Jakobshavn Isbræ, einem der schnellsten und produktivsten Gletscher Grönlands. Diese Messungen bilden die Datengrundlage der Arbeit.
Es werden Messkonzepte zur Aufnahme der entsprechenden Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans
bereitgestellt sowie Methoden entwickelt, um die Auswertung dieser Daten nach dem Prinzip der monoskopischen Bildsequenzanalyse zu ermöglichen. Die Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans werden von einem festen Standpunkt aus aufgenommen. Die Ableitung von Bewegungsvektorfeldern erfolgt dann durch eine automatische Zuordnung von Grauwertmustern in den Bildsequenzen bzw. durch die Zuordnung von 3D-Punktmustern in den multi-temporalen Laserscannerdaten. Bestehende Punktzuordnungsmethoden werden einerseits an die besonderen Eigenschaften der Gletscherdaten angepasst, andererseits werden geeignete Methoden zur Lösung von Detailproblemen neu entwickelt. Die Methodik der Bildsequenzanalyse wird dabei vor allem hinsichtlich ihrer Robustheit – beispielsweise gegenüber durch Schattenwurf verursachten Störungen im Bild – optimiert und es werden Bewegungseffekte in den Bildsequenzen korrigiert, die durch die Eigenbewegung der Kamera verursacht werden. Bei der Entwicklung der Methodik zur Analyse multitemporaler Laserscannerdaten werden vor allem Effekte berücksichtigt, die durch das sequenzielle Aufnahmeprinzip eines Scanners auftreten.
Auf Basis der entwickelten und implementierten Methodik erfolgt die Auswertung der aufgenommenen Bildsequenzen und multi-temporalen Laserscans. Das Ergebnis der monoskopischen Bildsequenzauswertung ist ein dichtes Raster an Bewegungskurven für jede Bildsequenz. Die einzelnen Translationen der Bewegungskurven können mit einer Genauigkeit von einigen Zentimetern bis zu einem Dezimeter bestimmt werden. Die Auswertung der Laserscannerdaten liefert räumlich hochaufgelöste digitale Geländemodelle der Gletscheroberfläche sowie ein dichtes Raster von 3D-Bewegungsvektoren, deren Genauigkeit im Dezimeterbereich liegt.
Anhand von Beispielen wird gezeigt, dass sich die aus monokularen Bildsequenzen abgeleiteten Bewegungsvektorfelder zur Bestimmung frontnaher Geschwindigkeitsfelder mit hoher räumlicher Auflösung, zur Ableitung der Lage und der Migration der Aufsetzlinie aus gezeiteninduzierten Vertikalbewegungen sowie zur Untersuchung des Geschwindigkeitsverhalten von Gletschern bei Kalbungsereignissen eignen. Aus den Laserscannerdaten können hochaufgelöste digitale Geländemodelle zur Dokumentation von Fronthöhen und Gletscherstrukturen abgeleitet werden, zudem eignen sie sich zur Bestimmung von Geschwindigkeitsfeldern, die eine sehr hohe räumliche Auflösung besitzen.
=== This research aims to determine the motion vector fields of glaciers with high spatial and temporal resolution. These vector fields can be derived from monocular image sequences and are a valuable data source for glaciological analysis of the motion behaviour of glaciers. Image sequence measurements have been conducted at five fast-flowing glaciers in the Disko Bay region in western Greenland. Especially at the Jakobshavn Isbræ – one of the fastest and most productive glaciers in Greenland – numerous image sequences have been recorded, as well as multi-temporal laser scanner data sets. These measurements provide the basic data sets for this thesis.
The measurement concepts for the acquisition of image sequences and multi-temporal laser scans are presented, and procedures for the processing of the recorded data are developed, based on the principle of monoscopic image sequence analysis. Both the image sequences and multi-temporal laser scans are acquired statically. Motion vector fields can be derived by applying automatic co-registration methods on grey value patterns in the image sequences and on 3D point patterns in the laser scanner datasets respectively. Thus, standard matching techniques have been adapted to the special characteristics of the glacier data, and suitable methods that solve detail problems have been developed in addition. The method of the image sequence analysis has been optimised with respect to its robustness against errors caused by moving shadows. Furthermore, motion effects caused by small instabilities in the camera setup have been corrected. Regarding the analysis of multi-temporal laser scanner data, effects that occur because of the sequential acquisition principle of a laser scanner must also be considered.
Based on the developed method, the image sequences and multi temporal laser scans have been processed. The result of the monoscopic image sequence analysis is a dense raster of trajectories for each image sequence. Each translation component from these trajectories can be determined with an accuracy of some centimeters up to one decimetre. The processing of the laser scanner data provides digital surface models of the glacier with high spatial resolution, and a dense raster of 3D motion vectors with accuracy in the range of decimetres.
Specific examples show that motion vector fields derived from monocular image sequences can be used for the determination of high resolution velocity fields of glaciers, for the determination of the position and migration of the grounding line and for the investigation of a glacier’s motion behaviour during calving events. From the multi-temporal laser scanner data, velocity fields with high spatial resolution can be derived as well as digital surface models from single scans that document glacier front heights and glacier structures.
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