Digitaler Zwilling der Wälder Québecs: 115.000 Orthofotos

Das Fundament vor allem anderen

Québec veröffentlicht über 115.000 Orthofoto-Kacheln mit 20 bis 30 cm pro Pixel, mehrere hundert Gigabyte, und wir haben sie alle auf ein zusammenhängendes 3D-Gelände gelegt. Fast keine dieser Arbeiten war 3D. Es ging darum, Kacheln zusammenzuführen, die keine gemeinsame Projektion haben, die Lücken dazwischen zu füllen und die Farben über Sensoren und Aufnahmejahre hinweg abzugleichen.

Das ist der Teil, den niemand zeigt, und es ist der Teil, der entscheidet, ob alles darüber funktioniert. Solange die Daten darunter nicht zusammenhängend sind, stehen die 3D-Ansicht, der Zoom von der Provinz bis zum Flurstück und jede territoriale Berechnung auf unsicherem Grund. Dieser Beitrag ist ein Fortschrittsbericht über diese Phase, angewendet auf Québec.

Die TerraLab-Pipeline: eine Szene, jede Quelle

TerraLab Twin ist ein planetarer virtueller Globus. Seine Aufgabe besteht darin, heterogene Geodatenquellen in Echtzeit (öffentliche Orthofotos, hochauflösende Drohnen-Orthofotos, digitale Geländemodelle, Vektorlayer, Satellitenbilder) auf einem einzigen navigierbaren 3D-Gelände zusammenzuführen, vom planetaren Maßstab bis hinunter zur Parzellenebene.

Drei Eigenschaften definieren den Stand der Technik, den wir anstreben:

• Kontinuität des Maßstabs: von ganz Québec (10.000 km diagonal) bis zu einer 50-m-Parzelle, ohne Unterbrechungen, ohne KBS-Wechsel und ohne sichtbare Übergänge an Verwaltungsgrenzen.
• Dynamische Fusion mehrerer Quellen: Mehrere Quellen mit unterschiedlicher Qualität und Auflösung koexistieren auf demselben Gelände und werden laufend anhand des Gebiets, der angeforderten Auflösung und der Datenverfügbarkeit ausgewählt.
• Vollständige Abstraktion der vorgelagerten Verarbeitung: Der Endnutzer sieht niemals ein Dateiformat, einen EPSG-Code oder eine MTM-Zone. Er navigiert einfach.

Die gesamte nachfolgend beschriebene Arbeit dient dazu, diese drei Eigenschaften für einen konkreten Fall umzusetzen: das Gebiet von Québec.

Vom TerraLab WorldMapServer fusionierte MRNF-Kacheln. Zusammenhängendes Gelände, keine sichtbaren Übergänge zwischen den ursprünglichen Kartenblättern.

Was die Daten aus Québec einzigartig macht

Québec bietet für diese Art von Arbeit einen der umfangreichsten öffentlichen Datensätze Nordamerikas. Das Ministerium für natürliche Ressourcen und Wälder von Québec (MRNF, ehemals MERN) veröffentlicht über 115.000 Orthofoto-Kacheln, insgesamt mehrere hundert Gigabyte an Daten, mit einer nativen Auflösung von 20 bis 30 cm pro Pixel. Das ist ungefähr dreißigmal feiner als die als Ergänzung verwendeten Satellitenbilder von Sentinel-2.

MRNF-Orthofoto mit nativer Auflösung von 20 bis 30 cm über einem Waldgebiet in Québec.

Dieser Reichtum bringt eigene Herausforderungen mit sich: eine heterogene Familie von Kartenprojektionen, mehrere Dateiformate, Bilddaten aus verschiedenen Jahren und Jahreszeiten. Genau für diese Art von Datensatz ist ein virtueller Globus ausgelegt, während ein herkömmliches GIS-Werkzeug den Nutzer auffordern würde, eine Projektion, eine Jahreszeit und ein Format auszuwählen und mit den Konsequenzen zu leben.

Und wir wissen, wie man mit diesem Maßstab umgeht. Die 115.000 Kacheln, die hunderten Gigabyte, die gemischten Formate und die Daten aus mehreren Jahrgängen: Die Architektur von TerraLab Twin ist darauf ausgelegt, dieses Volumen nativ auf einer Entwickler-Workstation zu verarbeiten, ohne spezielle Infrastruktur vorauszusetzen.

Originale MRNF-Kachel mit 20 cm Auflösung. Bäume, Straßen und Parzellen sind vor jeder Verarbeitung klar sichtbar.

Der schwierige Teil: Kartenprojektionen

Ich möchte bei diesem Punkt verweilen, denn für alle, die im Geobereich gearbeitet haben, ist dies ein operativer Albtraum.

Die öffentlichen Daten von Québec kommen nicht in einer einzigen Projektion. Sie liegen als Familie von NAD83-Varianten vor: eine Variante von Québec Lambert (EPSG:32198), modernere CSRS-basierte Varianten und zehn MTM-Zonen (Modified Transverse Mercator), die das Gebiet aus historischen kartografischen Gründen aufteilen. In der Praxis kann jede Kachel in einem anderen Koordinatenbezugssystem vorliegen.

Die Werkzeuge sind die zweite Hälfte des Problems. Jedes geodätische Datum hat seine Tücken, und jedes Werkzeug in der Geodatenkette bringt sein eigenes historisches Verhalten rund um die PROJ-Bibliothek mit. In Produktionsumgebungen kommt es äußerst häufig vor, dass eine Pipeline stillschweigend fehlschlägt, weil eine veraltete Installation Transformationen liefert, die um zehn Meter oder mehr abweichen.

Genau das abstrahiert ein virtueller Globus weg. TerraLab Twin kennt nur eine endgültige Projektion: WGS84 auf dem planetaren Ellipsoid. Die gesamte projektive Komplexität wird vorgelagert in der Ingestion-Pipeline verarbeitet. Der Endnutzer sieht keinen EPSG-Code. Er sieht ein zusammenhängendes, navigierbares 3D-Gebiet, von ganz Québec bis hinunter zu einer einzelnen Waldparzelle, ohne Unterbrechungen an den Zonengrenzen.

Sobald dieses schwierige Problem gelöst ist, wird alles andere möglich: Fusion mehrerer Quellen, kontinuierliche Navigation, 3D in Echtzeit.

Internes Kachelwerkzeug: Jede Quelle wird in WGS84 reprojiziert und anschließend in die 3D-Szene zusammengesetzt.

Warum WGS84 in einem virtuellen Globus und warum das wichtig ist

Die Wahl von WGS84 auf dem Ellipsoid ist nicht willkürlich. Eine klassische Kartenprojektion ist konstruktionsbedingt ein Kompromiss: Sie bildet ein 3D-Objekt (das Ellipsoid der Erde) auf eine 2D-Ebene ab, wodurch immer Verzerrungen entstehen (bei Winkeln, Flächen, Entfernungen oder allen drei). Bei kleinen Maßstäben akzeptabel, auf kontinentaler Ebene nicht hinnehmbar.

Ein virtueller Globus umgeht das Problem, indem er die Daten durchgehend in 3D belässt. Die Engine arbeitet auf dem echten Ellipsoid, nicht auf einer ebenen Projektion. Die direkte Konsequenz für den Nutzer: Sie können frei von ganz Québec bis zu einer 50-m-Parzelle zoomen, ohne das KBS zu wechseln, ohne Übergänge an MTM-Zonengrenzen, ohne Streckung an den Polen und ohne Artefakte bei der Ausrichtung von Kanten. Das macht die Navigation kontinuierlich, und genau das kann kein herkömmliches 2D-GIS-Werkzeug bieten.

Farbkalibrierung und Fusion: die visuelle Herausforderung

Sobald die Projektionen verarbeitet sind, besteht die nächste Herausforderung in der Visualisierung. Ein digitaler 3D-Zwilling von Québec fusioniert nicht eine, sondern drei komplementäre Bildquellen:

1. MRNF-Luftorthofoto: Priorität 1, 20 bis 30 cm, der Detaillayer
2. Satellitenbilder von Sentinel-2: Priorität 2, 10 m, füllt Gebiete ohne Luftbildabdeckung (typischerweise Küstenregionen)
3. Blue Marble Planetary Basemap: letzter Fallback, stellt sicher, dass kein Gebiet jemals leer bleibt

Jede dieser drei Quellen hat ihre eigene farbmetrische Signatur: unterschiedliche Sensoren, unterschiedliche Aufnahmebedingungen, unterschiedliche Aufnahmedaten und unterschiedliche vorgelagerte Verarbeitung. Die Herausforderung besteht nicht nur darin, sie gemeinsam darzustellen, sondern sicherzustellen, dass Grenzen für das Auge unsichtbar bleiben und benachbarte Kacheln denselben Farbbereich teilen.

Einige MRNF-Kacheln sind außerdem unvollständig: An den Rändern von Flugkampagnen endet die Luftbildabdeckung in der Mitte einer Kachel, wodurch Zonen mit Leerwerten entstehen. Ohne Verarbeitung erscheinen diese Lücken als schwarze Streifen im 3D-Gelände. Das ist ein weiterer Grund, warum die Pipeline mehrere Quellen fusionieren muss: Sie füllt diese Lücken überall dort mit Sentinel-2, wo das Luftorthofoto nicht ausreicht.

MRNF-Kachel mit partieller Abdeckung. Die Pipeline füllt die Lücken automatisch mit Sentinel-2.

Auf der Sentinel-2-Seite erstellen wir ein Komposit aus dem Median mehrerer Aufnahmedaten über einen festen Reflexionsbereich: Dadurch werden Ausreißer (Wolken, Schatten, atypische Tage) entfernt und sichergestellt, dass alle Kacheln dieselbe Kalibrierung verwenden.

Der Blaustich der Kampagnen von 2015

Auf der Seite von Québec weisen einige ältere Flugkampagnen, insbesondere 2015, einen systematischen Blaustich auf. Der genaue Ursprung des Fehlers ist vom Datenanbieter nicht dokumentiert, aber das ungewöhnlich hohe Verhältnis von Blau zu Rot (B/R ca. 1,30 gegenüber ca. 0,88 bei normalen Kampagnen) betrifft einen großen Teil der Kacheln dieses Jahres. Die Pipeline filtert nach Jahreszeit (Sommeraufnahmen für konsistente Grüntöne), aber das Problem bleibt in Gebieten bestehen, in denen nur Kacheln von 2015 existieren.

Für diese Gebiete sind mehrere Ansätze möglich: automatische Farbkorrektur (Histogrammangleichung zwischen benachbarten Kacheln) oder Ersatz durch Satellitenbilder (Sentinel-2 als erste Option, kostenlos bei 10 m, oder kommerzielle Quellen wie Airbus Pleiades und Maxar für höhere Auflösungen, allerdings zu erheblichen Kosten). Keine dieser Optionen ist für sich allein ideal. Die wahrscheinlichste Kombination besteht darin, nach Jahrgang zu filtern und für Gebiete ohne Alternative auf Sentinel-2 zurückzugreifen.

Die Zeit arbeitet hier für uns. Das MRNF veröffentlicht weiterhin regelmäßig neue Luftbildkampagnen, und Orthofotos von 2023 und 2024 sind für bestimmte Regionen bereits als Open Data verfügbar. Gebiete, die ausschließlich von fehlerhaften Kacheln aus dem Jahr 2015 abgedeckt werden, dürften durch aktuellere und besser kalibrierte Aufnahmen ersetzt werden.

Oben: MRNF-Kachel von 2015 mit Blaustich (B/R ca. 1,30). Unten: 2016 mit normalen Farben (B/R ca. 0,88).

Blaustichige Kacheln von 2015 neben normal kalibrierten Kacheln: sichtbares Patchwork, das die Homogenität des Geländes unterbricht.

Wo das Orthofoto von Québec auf Sentinel-2 trifft

An der Grenze zwischen den beiden Quellen ist der geometrische Übergang nicht wahrnehmbar. Der farbmetrische Übergang bleibt jedoch in einigen Küstengebieten sichtbar.

Diese Farbnaht ist ein bewusster Kompromiss. Eine pixelgenaue Überblendung über hunderte Kilometer Küstenlinie würde mehr Verarbeitung kosten, als der visuelle Gewinn wert wäre, insbesondere bei den Navigationsmaßstäben, die für einen digitalen Zwilling typisch sind. Die Pipeline priorisiert Abdeckung und Kontinuität gegenüber kosmetischer Perfektion an den Rändern.

Oben: nur Sentinel-2. Unten: Komposit aus Québec + Sentinel-2. Die Überblendungszone ist entlang der Küstenlinie sichtbar.

Die Pipeline enthält einen Schritt zur Farbanpassung, der diese Übergänge glättet. Das folgende Beispiel aus dem Gebiet von Rivière-du-Loup zeigt den Unterschied: Ohne Farbanpassung ist die Grenze zwischen dem Orthofoto von Québec und Sentinel-2 deutlich sichtbar. Mit Farbanpassung wird der Übergang wesentlich unauffälliger.

Rivière-du-Loup. Oben: ohne Farbanpassung. Unten: mit Farbanpassung.

Gaspé-Halbinsel, Weitwinkelansicht. Cyanfarbene Zone (links) = blaustichige Kacheln von 2015, Festland = Orthofoto von Québec, Ozean = Sentinel-2.

Aktueller Stand

Am 7. April 2026 liegen wir im Zeitplan. Die NAD83-Familie wird vorgelagert verarbeitet, und die Ingestion-Pipeline verarbeitet schrittweise die etwa 115.000 MRNF-Kacheln.

Die Abdeckung des Gebiets ist zu diesem Zeitpunkt noch teilweise. Bereits verarbeitete Gebiete, zum Beispiel die Gaspé-Halbinsel, sind mit dem Orthofoto von Québec navigierbar, während andere Gebiete in der Zwischenzeit mit Sentinel-2 gefüllt werden. Die Komposition aus drei Layern wurde an der Küste der Gaspé-Halbinsel validiert, und das Datenvolumen läuft problemlos auf einer Standard-Entwickler-Workstation.

Auflösung heute

Die Engine gibt derzeit 10 m pro Pixel aus. Das ist eine bewusste Entscheidung für diese erste Iteration: Wenn wir zuerst auf globaler Ebene arbeiten, können wir die gesamte Pipeline (Projektionen, Fusion, Farbkalibrierung, Datenvolumen) validieren, bevor wir die Auflösung Zone für Zone erhöhen. Die MRNF-Quelldaten mit 20 bis 30 cm sind vorhanden. Die Verfeinerung auf 30 cm erfolgt fallweise und wird vom jeweiligen Bedarf bestimmt.

Höhenmodell

Auf der Höhenseite basiert das 3D-Gelände auf einem digitalen Höhenmodell (DHM) von SRTM (Shuttle Radar Topography Mission). Es ist nicht die feinste verfügbare Quelle, deckt aber das gesamte Gebiet ab und ermöglicht uns, die vollständige Kette zu validieren. Für priorisierte Gebiete ist ein Wechsel zu präziseren digitalen Geländemodellen aus Québec möglich.

Hier ist das aktuelle Ergebnis: das Orthofoto von Québec mit 10 m, über das SRTM-Relief gelegt, ohne 3D-Vegetation und ohne Vektordaten. Das ist das rohe Fundament des Geländes, auf dem alles Weitere aufgebaut wird.

Erste 3D-Ansichten von Québec. 10-m-Orthofoto + SRTM-Relief. Von oben nach unten: atmosphärische Streuung, direkte Beleuchtung, keine Beleuchtung.

Eine wichtige Erkenntnis: Die Rendering-Qualität kann die Qualität der Quelldaten nicht übertreffen. Wo die MRNF-Daten sauber und korrekt kalibriert sind (Kampagnen nach 2015), ist das Ergebnis ausgezeichnet. Wo sie Fehler aufweisen (blaustichige Kampagnen von 2015), kann die Pipeline keine korrekte Farbkalibrierung erfinden.

Heute verfügbar:

• Luftorthofoto von Québec (MRNF), fusioniert mit Sentinel-2
• 3D-Relief über SRTM
• Vollständige Pipeline an der Küste der Gaspé-Halbinsel validiert

Als Nächstes:

• Auflösung von 20 bis 30 cm bei nahem Zoom
• Vektordaten von OSM Québec
• 3D-Bäume über das gesamte Gebiet von Québec