Veranstaltungsprogramm

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Sitzungsübersicht
Sitzung
S09: Fernerkundung - Hydrologie
Zeit:
Donnerstag, 21.02.2019:
14:00 - 15:30

Chair der Sitzung: Martin Wessels
Chair der Sitzung: Gottfried Mandlburger
Ort: EH 03 (Exnerhaus)
EXNH-01/55 Peter-Jordan-Straße 82, 1. Obergeschoß OST 119 Sitzplätze

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Präsentationen

Integrales Seevermessungsprojekt Wörthersee als Beispiel für Sensorfusion

H. Döller1, T. Piechl2

1Dr. Döller Vermessung ZT GmbH, A-3910 Zwettl, Kremser Straße 52; 2Amt der Kärntner Landesregierung, ITU-Umweltdaten & KAGIS, A-9021 Klagenfurt, Flatschacherstraße 70

Seevermessungsprojekt Wörthersee als zukunftsweisendes Beispiel für Sensorfusion

DI Thomas Piechl, Dr. Herbert Döller

(i) Motivation

Im Jahr 1976 wurde die letzte Tiefenvermessung des Wörthersees als „Neuauslotung des Wörthersees mit Hilfe eines Echographen (Schulz&Schulz)“ durchgeführt. Aus den 49 Tiefenprofilen wurde eine Karte mit Tiefenlinien (10m Isolinien) im Maßstab 1:25.000 abgeleitet.

40 Jahre später soll nunmehr das „integrale Seevermessungsprojekt Wörthersee“ einerseits ein detailgenaues 3D-Modell des Seebeckens liefern, anderseits auch der Seeuntergrund sowie die Ufer- bzw. Flachwasserbereiche untersucht werden. Das neu erstellte digitale Unterwassergeländemodell des Wörthersees soll im Uferbereich nahtlos an das bestehende digitale Geländemodell aus Laserscandaten anschließen. Bei der Erfassung des Seeuntergrundes wird nun auch die Art und Mächtigkeit der Sedimentauflage dokumentiert. Die Einsatzbereiche der neuen Daten sind vielfältig und sicher noch nicht zur Gänze absehbar.

(ii) Methode / Untersuchung

Die exakte Erfassung von See-Einbauten oberhalb und unterhalb des Wasserspiegels (Einleitungen, Wasserentnahmen, Seedruckleitungen, Stege, …) stellt die Basis für die Erarbeitung von Notfallplänen für die Betreiber von Leitungen im Seen dar. Für die Detailplanung von neuen Seedruckleitungen werden genaue Tiefenkarten und die exakte Lage bestehender Leitungen benötigt. Mit zeitgemäßer Echolot-Technologie (Single-Beam-Aufnahmen im Uferbereich und Multi-Beam-Aufnahmen im Tiefenbereich) wird der exakte 3D Verlauf der bestehenden Seedruckleitungen erfasst. Mit Hilfe der Ergebnisse können z.B. Tauchgänge für Reparaturarbeiten oder der Verlauf von zusätzlichen Leitungen exakt geplant werden

Neben der schon genannten Planungssicherheit werden die gewonnenen Daten auch für die Bereiche Sicheres Tauchen, Hangrutschungen im See, Kartengrundlagen für Kampfmittelbeseitigung, Wracks und historische Einbauten, Grundwasserzutritte, Trinkwasserentnahmen und Dokumentation des Sedimenttransports benötigt.

Die EU-Wasserrahmenrichtlinie sieht bei der Erhebung des ökologischen Zustandes stehender Gewässer nicht nur chemisch-physikalische bzw. biologische Parameter vor, sondern auch die Bewertung morphologischer Parameter im Bereich der Seeufer. Ein wesentlicher Parameter dabei ist der Verbauungsgrad der Gewässer. Dazu sollen die überbauten Seeflächen und Uferbereiche detailliert erfasst werden. Für diese Kartierung der Morphologie werden hochauflösende Orthofotos aus einer Drohnenbefliegung eingesetzt und mit den Daten aus der Echolotaufnahme verschnitten (Sensorfusion).

Die 3D-Tiefenerfassung erfolgte im Zeitraum 3./4. Quartal 2017 sowie mit Ergänzungsmessungen im 2. Quartal 2018. Die Erfassung der Gewässersohle wurde mit einer hochpräzisen Sensorgruppe bestehend aus einem Fächerlot der neuersten Generation SeaBat, einem GNSS Heading System Aste RX-U Marine und einem Wasserschallprofilmessgerät VALEPORT Swift SVP durchgeführt. Die Positionierung erfolgte über RTK-DGNSS. Die Sedimentecholotmessung (Sub Bottom Profiling) erfolgte mit System SES-2000. Die Durchführung der Singlebeam-Echolotung wurde mit der neuesten Generation des Admodus Sonar durchgeführt. Für die Bestimmung der 3D-Koordinaten der Messschiffe wurde ein einheitliches homogenes Bezugssystem realisiert.

Bei den eingesetzten „Sensorträgern Schiff“ wurden soweit wie möglich aus ökologischen Gründen auch Boote mit Elektroantrieb verwendet.

Die Auswertung der Daten erfolgte primär mit dem Softwarepaket QiNSY.

(iii) Ergebnisse

Als solche liegen derzeit vor bzw. sind abrufbar:

  • Hochauflösendes Tiefenmodenmodell mit nahtlosem Übergang zum bestehenden Höhenmodell
  • Auswertungen des Tiefenmodells (Isohypsenkarte, Mächtigkeit der Weichauflage, Sedimenttypen, Grundwasserzutritte, Wracks, historische Einbauten ...)
  • Erfassung von See-Einbauten oberhalb und unterhalb des Wasserspiegels (Einleitungen, Wasserentnahmen, Seedruckleitungen, Stege, ...)
  • Erfassung von ökologisch wertvollen Flächen im Uferbereich, Change Detection zu bestehenden Daten
  • Räumliche Darstellung der Sedimentmächtigkeit

Die Präzision der 3D-Tiefendaten hat mit den verwendeten Messgeräten einen beeindruckenden Level erreicht. Die Aufgabenstellung verschiedene Sensoren zu fusionieren, darf als gelungen bezeichnet werden. Für Nachfolgeprojekte ist sohin ein zukunftsweisender Weg aufgezeigt worden.



Hochauflösende unterwasserarchäologische Prospektion oberösterreichischer Pfahlbauten und Seen mit Fächerecholot und Sediment-Sonar

I. Trinks1, W. Neubauer1,2, T. Taylor2, M. Wallner1, K. Löcker4, J. Leskovar3

1Ludwig Boltzmann Institute for Archaeological Prospection and Virtual Archaeology, Österreich; 2Vienna Institute for Archaeological Science, Interdisziplinäre Forschungsplattform Archäologie Universität Wien, Franz Klein-Gasse 1/III, 1190 Vienna, Austria; 3Oberösterreichisches Landesmuseum, Land Oberösterreich, Museumstraße 14, 4010 Linz, Austria; 4Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Hohe Warte 38, 1190 Vienna, Austria

Das Projekt „Archäologische Prospektion oberösterreichischer Pfahlbauten“ hat zum Ziel mit moderner Sonartechnik den Grund des Attersees und des Mondsees sowie archäologische Ablagerungen und Sedimente im Bereich prähistorischer Pfahlbausiedlungen detailliert zu kartieren. Bisher wurden die Seen und ihr Untergrund nur relativ grob vermessen. Mit einem modernen Fächerecholot ist es möglich die genaue Wassertiefe effizient digital zu vermessen, während ein Mehrkanal-Sedimentsonar Einblicke in den Untergrund liefert. Daraus resultieren detaillierte 3D-Modelle des Seebodens, die seine Struktur sowie darauf befindliche künstliche und natürliche Objekte zeigen. Neben archäologischen Strukturen sind detektierte geologische Formationen für das Verständnis der Entwicklung der Seen von großer Bedeutung.



Projekt Tiefenschärfe - Bodenseevermessung zeigt Gausaustritte und Rutschungen

M. Wessels1, P. Wintersteller2, N. Brückner3

1Landesanstalt für Umwelt Baden-Württemberg, Deutschland; 2Universiät Bremen, MARUM - Zentrum für Marine Umweltwissenschaften und Fachbereich Geowissenschaften; 3Western Norway University of Applied Sciences (HVL, Sogndal)

Mit einem Fächerecholot und einem topo-bathymetrischen Laserscanner wurde der Bodensee in den Jahren 2013 und 2014 im Rahmen des Projektes „Tiefenschärfe“ neu vermessen, um moderne und aktuelle Grundlagendaten für einen vorsorgenden Gewässerschutz und viele aktuelle wissenschaftlichen Fragestellungen zu gewinnen. Ergänzt wurden diese bathymetrischen Informationen durch die gleichzeitige Aufnahme interner Sedimentstrukturen mit einem niederfrequenten Subbottom-Profiler (SBP), um Oberflächenstrukturen am Seeboden mit Hilfe des tieferen Sedimentaufbaus besser interpretieren zu können. Es entstand so ein detailliertes, dreidimensionales Abbild des gesamten Seebodens, das für eine ganze Reihe aktueller Forschungsprojekte genutzt wird. Unter anderem konnte mit GIS-gestützten Analysen das Vorkommen und die Verteilung von Massentransporten und Rutschungsereignissen flächendeckend erfasst werden.

Nach der Ableitung der reinen Gewässertiefe und Fertigstellung der Geländemodelle wurden auch die Rückstreusignale des Echolotes aus der Wassersäule ausgewertet, die ein Hinweis auf die Freisetzung von (Methan-) Gas aus dem Seeboden sein können. Die Herkunft des Gases ist entweder thermogen (aus tiefer liegenden Gesteinsschichten) oder biogen (im Seeboden durch Zersetzung von organischem Material gebildet). Die Analyse der hochauflösenden Bathymetrie zusammen mit den Gasaustritten in der Wassersäule liefert wichtige Informationen über die tatsächliche Herkunft des Gases und die Entstehung und Aktivität von methanbezogenen Seebodenstrukturen („pockmarks“).

Das Projekt im Grenzgebiet Deutschland / Österreich / Schweiz wurde von der Internationalen Gewässerschutzkommission für den Bodensee (IGKB) und dem Interreg-Programm der EU gefördert und von den Vermessungsverwaltungen der angrenzenden Länder tatkräftig unterstützt.



Prozessierung hydroakustischer Tiefenmessungen unter Berücksichtigung des Unsicherheitsbudgets

T. Artz, R. Weiß

Bundesanstalt für Gewässerkunde, Deutschland

1. Motivation/Problemstellung

Die Bestimmung der Unterwassertopographie (Bathymetrie) ist eine wesentliche Komponente zur Gewährleistung der Sicherheit und Leichtigkeit der Schifffahrt und für morphodynamische Analysen. Dazu werden häufig Digitale Geländemodelle der Sohle (DGM-S) für aus Fächerecholotmessungen abgeleitet. Sowohl für die Aufgaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) als auch für die Ressortforschungsaufgaben der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) sind dabei qualitätsgesicherte Auswerteprozesse sowie realistische Qualitäts- und Zuverlässigkeitsmaße relevant.

Damit diese Anforderungen erfüllt werden können muss der gesamte Messprozess analysiert und beurteilt werden. Außerdem hat die Ableitung der finalen Modelle in einem reproduzierbaren, an die lokalen Verhältnisse anpassbaren Algorithmus zu erfolgen, der darüber hinaus Genauigkeitsmaße für das DGM-S bereitstellt.

Die in der BfG entwickelte und in der WSV genutzte Prozesskette wird in dem vorliegenden Beitrag dargestellt. Außerdem werden Weiterentwicklungen hinsichtlich der Integration von Messunsicherheiten in den Modellapproximationsprozess vorgestellt. Grundsätzlich sind die Ansätze nicht auf die Messungen von Echoloten beschränkt sondern können z. B. auf flugzeuggestütztes Light Detection And Ranging (LiDAR) übertragen werden.

2. Methode/Untersuchung

Bei Messkampagnen mit Fächerecholoten werden als primäres Messergebnis dreidimensionale Koordinaten der Gewässerbodenpunkte gewonnen. Diese sind allerdings das Ergebnis verschiedenster Einzelmessungen unterschiedlicher Sensoren des Multisensorsystems Vermessungsschiff. Dabei sind neben den eigentlichen Tiefenmessungen insbesondere die Global Navigation Satellite System (GNSS) und Inertial Measurement Unit (IMU) Beobachtungen sowie die Vektoren zwischen den Einzelsensoren im schifffesten Koordinatensystem zu berücksichtigen. Damit stellen sich die Messunsicherheiten der Gewässerbodenpunkte als Kombination einzelner Messunsicherheiten im Sinne des Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) dar. Die Modellierung der Messunsicherheiten in der Hydrographie geht auf Hare (1995) zurück und wurde für die Nutzung in der WSV an die heutige Technologie und Prozessabläufe angepasst. Insgesamt werden über 40 einzelne Unsicherheiten für die Ableitung der Messunsicherheit verwendet.

Bei der weiteren Prozessierung der Messungen stehen vor allem die Plausibilisierung und die Modellierung hin zu einem DGM-S im Vordergrund. Dazu werden zunächst flächenhafte Funktionen im Sinne eine Kleinste-Quadrate-Minimierung an die Beobachtungen approximiert. Auf dieser Grundlage erfolgen zum einen statistische Ausreißertests. Zum anderen werden die parametrischen Funktionen an den Stützstellen des DGM-S ausgewertet, so dass Modellwerte mit Standardabweichungen als Produkt verfügbar sind.

Bei bisherigen Analysen wurden die Messungen in dem Approximationsprozess als gleichgenau und unkorreliert angenommen, obwohl vor allem die Beobachtungen in den Fächerrandbereichen deutlich höhere Unsicherheiten aufweisen. Daher sind die im zuvor dargestellten Standardprozess abgeleiteten Modellstandardabweichungen unrealistisch. Bei ungünstiger Verteilung der Messwerte muss darüber hinaus ein Effekt auf die Modellwerte erwartet werden. Diese Problematik wird durch aktuelle Entwicklungen hinsichtlich der Verbesserung des stochastischen Modells berücksichtigt. Dazu erfolgt die Integration der im Sinne des GUM propagierten Unsicherheiten in Form von relativen Gewichten in der Modellapproximation.

3. Ergebnisse

Auf Basis der propagierten Messunsicherheiten können beispielsweise Spezifikationen für Messsystembeschaffungen in Anlehnung an Genauigkeitsanforderungen und die Charakteristika des jeweiligen Messgebiets erfolgen. Damit ist gewährleistet, dass für die jeweiligen Aufgaben ein adäquates Messsystem eingesetzt wird.

Erste Ergebnisse zur Integration der Messunsicherheiten in die Modellierung weisen auf realistischere Genauigkeitsmaße hin. Darüber hinaus ergeben sich Modellabweichungen, die für spezielle morphodynamische Analysen ggf. relevante Größenordnungen annehmen können.



 
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