Zum gefahrlosen Betrieb von Verkehrswegen müssen diese im allgemeinen regelmäs- sig von Vegetationsaufwuchs befreit werden, welcher in ein je nach Erfordernis der sich auf dem Verkehrsweg bewegenden Fahrzeuge freizuhaltendes Umgrenzungsprofil hin- einragt. Hierzu erfolgen üblicherweise Rückschnittmassnahmen in festen zeitlichen Ab- ständen. Im Zuge des allgemeinen Trends zur Aufwandsreduzierung bei der Unterhal- tung von Verkehrs-Infrastruktur werden meist Anstrengungen unternommen, die zeitin- tervall-orientierte Durcharbeitung mittels einer zustandsorientierten Durcharbeitung zu ersetzen. Hierzu sind nach bisherigem Stand der Technik regelmässige Inspektionen durch Unterhalts-Personal erforderlich. Die Bewertung und Quantifizierung der zurück- zuschneidenden Vegetation erfordert jedoch eine fachmännische Beurteilung, die übli- cherweise nicht"im Vorbeigehen"erledigt werden kann. Andernfalls besteht die Gefahr, dass der Rückschnitt zu intensiv oder zu mässig ausfällt. Ein zu intensiver Rückschnitt ist aus Umweltschutz-und Kostengründen ebenso wie ein zu mässiges Rückschneiden, was zu frühe Nachfolge-Massnahmen erforderlich machen würde, zu vermeiden. Damit kein spezielles Personal zur Beschau der den Verkehrsweg säumenden Vegetation vorgehalten muss, besteht ein grundsätzliches Interesse an einer automatisierten Ve- getationserkennung, welche beispielsweise im Rahmen anderweitig notwendiger tour- nusmässiger Inspektionsfahrten (z. B. bei der Überprüfung des Oberbaus von Schie- nenverkehrswegen mittels Messwagen) parallel erledigt werden könnte.

Aus der Patentschrift DE 44 13 739 ist eine Einrichtung zum Erkennen und Unterschei- den von Bodenbereichen und Pflanzen sowie zum Unterscheiden zwischen Wild-und Kulturpflanzen bekannt, bei der eine aus jeweils einem Detektor für infrarotes und sichtbares Licht aufgebaute Sensoreinheit zum Einsatz kommt, mittels der die Unter- schiede in den Strahlungseigenschaften (Reflexion, Emission) unterschiedlicher Pflan- zenarten und des Bodens erfasst und ausgewertet werden. Zur Detektion des Unter- schiedes zwischen unbewachsenem Boden und Bewuchs wird die bekannte Tatsache ausgenutzt, dass die chlorophyllhaltige Vegetation im nahen infraroten Bereich wesent- lich mehr Licht reflektiert als nicht-chlorophyllhaltige Objekte. Die Unterscheidung zwi- schen Wild-und Kulturpflanze erfolgt anhand zuvor an Musterproben beider Bewuchs-

typen aufgenommener charakteristischer digitaler Signaturen. Diese Anwendung be- schränkt sich jedoch auf die zweidimensionale Erfassung der Vegetationsverhältnisse nahe der Bodenoberfläche und ist für die Erfassung und Bewertung räumlicher Vegeta- tionsverhältnisse nicht geeignet. In ähnlicher Weise ist aus DE 100 16 688 ein Verfah- ren zur Erfassung von Tieren und/oder Gelegen von Bodenbrütern in deren natürli- chem Lebensraum bekannt, bei dem aus einer mittels eines auf den Erdboden ausge- richteten Sensorik die relative Infrarot-Strahlungsdifferenz und/oder relative Feuchte- änderung und/oder relative Änderung der Radarrückstreuung entlang jeweils eines bei der Bewegung eines den Sensor tragenden Fahrzeuges abgetasteten Geländestreifens erfasst wird.

Desweiteren sind aus der Stereographie verschiedenste Verfahren bekannt, bei der die Entfernung zwischen beispielsweise zwei Kameras und einem in einem von den Kame- ras erfassten Raumbereich liegenden Zielobjekt durch einen Mustervergleich der von den beiden Kameras aufgenommenen Bilder des gleichen Raumbereiches bestimmt wird. Hierbei werden die von den beiden Kameras aufgenommenen Bilder ausschnitts- weise zur Überdeckung gebracht und aus dem Winkel, den die beiden Betrachtungs- richtungen der Kameras einschliessen, sowie dem Abstand zwischen diesen beiden Kameras die Entfernung zum Zielobjekt bestimmt. Entsprechende Verfahren sind bei- spielsweise dem Fachbuch"Three dimensional computer vision : a geometric viewpoint" (Olivier Faugeras ; MIT Press ; 1993 ; Cambridge, USA) zu entnehmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Erkennung und Vermessung von Vegetation im räumlichen Umfeld von Verkehrswegen unter Verwendung einer die Reflektivität der in diesem Raumbereich befindlichen Ob- jekte im infraroten und sichtbaren Spektralbereich und/oder im infraroten und ultravio- letten Spektralbereich kombinierenden Sensoreinheit bereitzustellen, bei dem nicht nur das Vorhandensein von Vegetation detektiert, sondern diese vorhandene Vegetation auch sicher gegenüber anderen im Nahbereich des Verkehrsweges vorhandenen Nutz- objekten abgegrenzt und in geometrischen Dimensionen quantifizierbar erfasst wird.

Insbesondere wird angestrebt, die aus Vegetationseinflüssen (z. B. umgestürzte Bäume oder bei Sturm in die Oberleitung von Eisenbahnlinien gewehte Äste) resultierenden Störungen des Betriebsablaufes zu reduzieren. Aus wirtschaftlichen Gründen kann übli- cherweise kein Personal für Streckenbegehungen und-begutachtungen mehr vor- gehalten werden. Es ist ein System anzustreben, welches weitgehend ohne Aufsicht seitens Bedienpersonal arbeitet und nur im Bedarfsfall zuvor definierte Vegetationszu-

stände signalisiert. Auf dieser Basis können dann in nachgelagerten Prozessen dispo- sitive Massnahmen ergriffen werden.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfin- dungsgemäß dadurch gelöst, dass mittels pixelweiser Differenzbildung zwischen den jeweiligen Grauwert-Intensitäten eines von der Sensoreinheit erfassten Bildes des sichtbaren oder ultravioletten Farbkanals und eines von der Sensoreinheit erfassten Bildes des infraroten Farb- kanals ein ein-oder zweidimensionales Differenzbild des von der Sensoreinheit er- fassten räumlichen Bereiches erzeugt wird, mittels einer Schwellwert-Analyse der Pixelpunkte dieses Differenzbildes eine die Vegetationsregion charakterisierende Menge ein-oder zweidimensionaler Pixel ext- rahiert wird, 'sowie eine mindestens einen der Vegetationsregion zugeordneten Pixelpunkt ent- haltende Untermenge von Pixelpunkten des von der Sensoreinheit aufgenommenen Bildes ausgewählt, unter Verwendung an sich bekannter korrelations-und/oder merkmalsbasierter Mustervergleichsverfahren in einem von einer zweiten Kamera aufgenommenen Bild desselben Raumbereiches den zu dieser Untermenge am stärksten korrelierenden Pixelbereich bestimmt und mittels an sich bekannter ste- reogrammetrischer Verfahren die Entfernung dieses mindestens einen der Vegeta- tionsregion zuzuordnenden Pixelpunktes von der aus Sensoreinheit und zweiter Kamera aufgespannten Ebene ermittelt wird.

Da die meisten Nicht-Vegetationsobjekte im sichtbaren bzw. ultravioletten und infraro- ten Spektralbereich ungefähr gleiche Reflektivität aufweisen, Vegetationsobjekte hinge- gen im Infrarotbereich eine deutlich höhere Reflektivität als im sichtbaren bzw. ultravio- letten Bereich zeigen, lässt sich aus dem Differenzbild von Infrarotaufnahme und nor- malem Grauwert-Bild bzw. Ultraviolettaufnahme ein Unterscheidungskriterium für Ve- getation zu Nicht-Vegetation ableiten. Ein derartiges Differenzbild lässt sich nicht nur mittels einer aus zwei separaten Sensoren für die Detektion infraroter und sichtbarer bzw. ultravioletter Strahlung bestehenden Sensoreinheit erzeugen, sondern auch mit- tels eines einzigen mit einem Strahlenteiler versehenen Sensors. Bei dieser Variante kann man auf Korrekturmassnahmen zum Ausgleich des lateralen Achsenversatzes der beiden Einzelsensoren verzichten.

Es ist weiterhin denkbar, ortsfest entlang des Verkehrsweges installierte Nicht- Vegetationsobjekte zusätzlich zu ihrer sensorischen Detektion durch Vergleich mit einer

computergestützten Datenbasis, in der deren Position und räumliche Orientierung ge- speichert sind, zu verifizieren.

Es ist in diesem Zusammenhang als selbstverständlich vorauszusetzen, dass sich die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens nicht nur auf die Wartung von Ver- kehrswegen anwenden lässt, sondern in umfassender Weise auch weitergehende An- wendungen in der Landwirtschaft-speziell im Obst-und Weinbau-denkbar sind.

Eine sinnvolle Alternativlösung sieht vor, dass das unter Verwendung von Musterver- gleichsverfahren im sichtbaren Spektralbereich aufgenommene Bild desselben Raum- bereiches mittels der die Reflektivität der betrachteten Objekte im infraroten und sicht- baren Spektralbereich kombinierenden ersten Sensoreinheit aufgenommen wird, wäh- rend diese Sensoreinheit axial entlang einer zum Verkehrsweg näherungsweise paral- lelen Raumgeraden verschoben wird. Damit kann auf die zweite Kamera verzichtet werden, wenn in kurzer zeitlicher Folge (bzw. mit hoher Abtastrate) mit der ersten (und in diesem Fall einzigen) Sensoreinheit zwei Aufnahmen desselben Raumbereiches vollzogen und gegeneinander abgeglichen werden.

Das erfindungsgemässe Verfahren sieht ferner vor, dass aus der Gesamtmenge der ermittelten dreidimensionalen Koordinaten messtechnisch erfasster Vegetationsobjekte die innerhalb und/oder ausserhalb eines definierbaren dreidimensionalen Raumes liegenden Vegetationsobjekte extrahiert werden. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn hierzu ein entlang des Verkehrsweges verlaufender, von Vegetation freizuhaltender Raum bestimmt wird.

In einem weiteren erfindungsgemässen Verfahrensschritt werden in diskreten Schritten entlang der Tiefenachse des Erfassungssystems jeweils die Gesamtmenge der auf ei- ner zu dieser Achse lotrechten Ebene liegenden, den freizuhaltenden Raum verletzen- den Vegetationsobjekte erfasst und in eine Häufigkeitsverteilung dieser den freizuhal- tenden Raum verletzender Vegetationsobjekte in Bezug auf die Tiefenachse des Erfas- sungsystems und/oder die Längenkoordinate des Verkehrsweges überführt. Somit erhält man ein Histogramm, anhand dessen auf einfache Weise die im Koordinaten- system des Verkehrsweges dargestellte Orte ablesbar sind, an denen Rückschnitt- massnahmen an der Vegetation erforderlich sind.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn bei Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes der Häufigkeitsverteilung der den freizuhaltenden Raum verletzenden Vegetationsob-

jekte in Bezug auf die Längenkoordinate des Verkehrsweges ein Signal zur Auslösung von Massnahmen zur Vegetationsreduktion ausgegeben wird. Auf diese Weise ist ein bedienungsfreundliches System gestaltbar, welches während einer Messfahrt weitge- hend unbeaufsichtigt eine Erfassung und Bewertung der den Verkehrsweg begleiten- den Vegetationssituation durchführt und nur im Bedarfsfall notwendige Massnahmen an das Bedien-bzw. Auswertepersonal signalisiert.

Ferner umfasst der erfinderische Gedanke eine Vorrichtung zur Durchführung des Ver- fahrens zur Erkennung und Vermessung von Vegetation im räumlichen Umfeld von Verkehrswegen, mindestens eine Sensoreinheit zur Erfassung der elektromagnetischen Reflektivität im infraroten und sichtbaren Spektralbereich und/oder im infraroten und ultravioletten Spektralbereich der in diesem Raumbereich befindlichen Objekte sowie eine zweite Kamera zur Aufnahme eines Bildes desselben Raumbereiches aufweist.

Die zweite Kamera muss dabei mindestens einen der in der Sensoreinheit empfange- nen und verarbeiteten Spektralbereiche detektieren.

Eine Modifikation sieht vor, dass ausschliesslich die Sensoreinheit unter Verzicht auf die zweite Kamera die erforderlichen Raumabbildungen erstellt, während sie sich ent- lang einer Raumachse bewegt. Somit kann auf die zweite Kamera verzichtet werden.

Allerdings muss die Sensoreinheit eine ausreichend hohe Abtastrate realisieren kön- nen, damit das Messfahrzeug eine akzeptable Messgeschwindigkeit fahren kann.

Um die Vorrichtung zur Erkennung und Vermessung der Vegetation auch im Nachtbe- trieb einsetzen zu können, ist eine-idealerweise für das menschliche Auge unsichtba- re-gleichzeitige Beleuchtung mittels ultravioletter und infraroter Bestrahlung vorgese- hen.

Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass Sensoreinheit und zweite Kamera im Stirnbe- reich eines Schienenfahrzeuges montiert sind, wobei die von Sensoreinheit und zweiter Kamera aufgespannte Bildebene im wesentlichen lotrecht zur Fahrtrichtung des Schie- nenfahrzeuges ausgerichtet ist. Auf diese Weise ist ein Messfahrzeug realisierbar, wel- ches weitgehend selbsttätig die Aufwuchssituation beiderseits des Schienenweges er- fassen und bewerten kann.

Der Erfindungsgedanke wird in nachfolgenden Figuren visualisiert. Es zeigen : Figur 1 schematische Darstellung des Versuchsaufbaus

Figur 2 von Kamera (2) erfasstes Grauwertbild (sichtbarer Spektralbereich) Figur 3 von Kamera (1) erfasstes Infrarot-Bild Figur 4 Differenzbild der Bilder von Kamera (1) und Kamera (2) Figur 5 farblich codierte Tiefenkarte Figur 6 Auswertebild mit farblich markierten Bereichen, in denen das freizuhal- tende Profil verletzt wird Das hier vorgestellte Verfahren zur Erkennung und Vermessung von Vegetation soll für der Deutschen Bahn AG eine Übersicht über den Bewuchs entlang ihres Streckennet- zes geben und eine quantitative Aussage über die Dringlichkeit der Reduktion von Ve- getation erlauben. Dabei soll insbesondere die Vegetation neben dem Gleiskörper be- wertet werden.

Der Versuchsaufbau besteht aus insgesamt drei standardmässigen Progressive-Scan CCD-Kameras (1,2, 3) mit einer Auflösung von 10242 Pixel. Alle drei Kameras (1,2, 3) sind kolinear auf einem verbindenden balkenförmigen Geräteträger installiert, wobei zwei der drei Kameras (1,2) einen möglichst kleinen Abstand (ca. 10 cm) zueinander aufweisen. Die dritte Kamera (3) wird in einem Abstand zwischen 30 und 60 cm mon- tiert. Der Geräteträger ist starr auf einem als Messfahrzeug dienenden Schienenfahr- zeug (4) montiert, wobei gewährleistet ist, dass der gemeinsame Sichtbereich (5) der Kameras (1,2, 3) nicht durch Fahrzeuganbauten beeinträchtigt wird. Ebenso sind die drei Kameras so ausgerichtet, dass ihre Bildebenen lotrecht zur Fahrtrichtung des Messfahrzeuges (4) ausgerichtet sind. Vor jede Kamera wird ein Objektiv derselben Brennweite (z. B. 50 mm) geschraubt. Eine der beiden Kameras (1,2) wird mit einem IR-Filter versehen, der nur infrarote Strahlen durchlässt. In den Versuchen wurde ein Filter Heliopan RG780 bevorzugt verwendet. Dabei ist darauf zu achten, dass die Ka- meras derart justiert werden oder die Bilder derart nachverarbeitet werden, dass nach erfolgter Generierung eines Differenzbildes jedes Nicht-Vegetationsobjekt jeweils in allen Bildern eine ungefähr gleiche Helligkeit aufweist. Es wurde experimentell ermittelt, dass unter Verwendung des oben genannten Filters ein Öffnen der Blende bei der mit dem Filter versehenen Kamera (1) ausreichend ist. Im vorliegenden Fall wurde ein Un- terschied von zwei Blendenstufen gewählt.

Prinzipiell eignen sich auch Infrarot-Filter mit anderen Wellenlängenbereichen bis ca.

1200 nm, doch nimmt die Empfindlichkeit der verwendeten Kameras bei größeren Wellenlängen überproportional ab, so dass auf den Bildern teilweise nichts mehr zu sehen ist und/oder die Belichtungszeit erhöht werden muss, so dass bei höheren Ge-

schwindigkeiten ab ca. 60 km/h die Bewegungsunschärfe einen großen Einfluss findet.

Filter mit geringeren Infrarot-Wellenlängenbereichen haben das Problem, dass sie auch Licht im sichtbaren Bereich durchlassen, für welches der CCD-Chip der Kamera emp- findlicher ist. Somit ist eine Unterscheidung zwischen Vegetation und Nicht-Vegetation in diesen Bereichen schwieriger oder nicht mehr möglich.

Die Erkennung bzw. Segmentierung der Vegetation erfolgt über Bildung einer pixelwei- sen Differenz zwischen dem infrarot-gefilterten Bild von Kamera (1) (Figur 3) und dem im sichtbaren Bereich aufgenommenen Grauwert-Bild von Kamera (2) (Figur 2). In dem resultierenden Differenzbild (Figur 4) erscheinen alle vegetationslosen Bereiche einheit- lich dunkel, während Bereiche mit Vegetation deutlich heller erscheinen. Mittels einer Schwellwert-Analyse kann dieses Differenzbild in einen Vegetationsbereich und einen invertierten bzw. Nicht-Vegetationsbereich aufgeteilt werden. Für das somit erhaltene, binär codierte (Vegetation ; Nicht-Vegetation) Bild wird sodann die Tiefeninformation eines jeden im Vegetationsbereich liegenden Bildpixels generiert.

Hierzu wird ein Bereich aus dem Bild von Kamera (2) auswählt, der zumindest den Ve- getationsbereich schneidet ; das heisst : mindestens ein Pixel dieses Bildbereiches muss die binäre Codierung"Vegetation"tragen. Die Konturbegrenzung dieses Bildbereiches ist im Prinzip beliebig ; die Verwendung eines Rechtecks hat sich jedoch als zweckmäs- sig erwiesen, da auf diese Weise das Bild am effizientesten analysiert werden kann.

Dieser ausgewählte Bereich wird nun entlang der sogenannten Epipolarlinie in das von Kamera (3) aufgenommene Bild verschoben. Gemäss einem an sich bekannten Prinzip der korrelationsbasierten Merkmalsanalyse wird für jede Verschiebeposition die Summe der absoluten Differenzen für den ausgewählten Bildbereich und den darunter liegen- den Bildbereich von Kamera (3) ermittelt. Die Stelle, an der die Summe der absoluten Differenzen am geringsten ist, wird für die Triangultationsmessung verwendet. Ein fort- laufendes Anwenden dieses Matching-Algorithmus auf jeden im Bildbereich sichtbaren Vegetationspunkt liefert für jeden dieser Punkte eine Entfernungsgrösse. In Verbindung mit dem horizontalen und vertikalen Abstand zur Randkontur des Bildbereiches ist schlussendlich jeder als der"Vegetation"zugehörig erkannte Bildpunkt im dreidimensi- onalen Kamerakoordinatensystem eindeutig beschrieben.

Anstelle der Summe der absoluten Differenzen können natürlich auch andere aus dem Stand der Technik bekannte Korrelationsmaße verwendet werden. Ebenso ist die An- wendung eines merkmalsbasiertes Matchings denkbar ; dieses erscheint jedoch dem korellationsbasierten Matching unterlegen, da die entlang einer Bahnstrecke aufge- nommenen Bilder einen hohen Dynamikbereich besitzen. Es kommt deshalb vor, dass innerhalb dichter Vegetation nur marginale Grauwertunterschiede vorherrschen, wes-

halb an diesen Stellen entweder kein Merkmal oder ein Merkmal nur ungenau bestimmt werden kann. Diese aufwendige Extraktion von Merkmalen entfällt hingegen beim ko- rellationsbasierten Matching.

Zur weitergehenden Visualisierung können die Daten in Form einer Tiefen-oder Hö- henkarte (siehe Figur 5) veranschaulicht werden. Eine farbliche Codierung gibt die zur Bildebene vertikale Koordinate des Bildpixels wieder. Die errechneten dreidimensiona- [en Koordinaten werden anschliessend auf das Koordinatensystem der Gleisstrecke umgerechnet, so dass zu jeder Streckenposition ein innerhalb der zur Streckenlängs- achse lotrechten Ebene liegende Querschnitt der Vegetationskontur angezeigt und ge- speichert wird. Für die Umrechnung auf die Streckenposition ist zusätzlich eine positi- onsgebende Einheit (wie beispielsweise GPS) erforderlich.

Jeder Querschnitte der Vegetationskontur wird sodann mit einem zuvor definierten Be- grenzungsprofil (8) verglichen, welches den freizuhaltenden Raum definiert (siehe Figur 6). Befindet sich Vegetation innerhalb dieses freizuhaltenden Raumes (9), so wird diese Stelle markiert und die Größe der verletzenden Vegetation in einer Datei gespeichert.

Aus dieser Datei kann ein visualisierendes Histogramm erstellt werden, das die Menge der den freizuhaltenden Raum verletzenden Vegetation in Bezug auf die Kilometrierung der Gleisstrecke angibt. Die so gewonnenen Daten werden dann für die Disposition der vegetativen Rückschnitt-Massnahmen eingesetzt.

Bezugszeichenliste : Progressive-Scan CCD-Kamera mit Infrarot-Filter 2 Progressive-Scan CCD-Kamera 3 Progressive-Scan CCD-Kamera 4 Messfahrzeug 5 Gemeinsamer Sichtbereich der Kameras 6 Tiefenerstreckung des Arbeitsbereiches (ca. 50-60 m) 7 Laterale Erstreckung des Arbeitsbereiches (ca. 10 m) 8 Profillinie 9 Bereich gefährdender Vegetation 10 Bereich nicht-gefährdender Vegetation