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Sitzungsübersicht
Sitzung
S12: Fernerkundung - Hydrologie
Zeit:
Donnerstag, 21.02.2019:
16:00 - 17:30

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

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Präsentationen

Wörthersee 3D – Empirischer Vergleich von Flachwasserbathymetriedaten: UAS Photogrammetrie versus Single Beam Echolot

G. Paulus1, K.-H. Anders1, M. Erlacher1, P. Mayr2, R. Schneeberger3

1FH Kärnten, Österreich; 2flussbau iC GmbH, Österreich; 3ViewCopter e.U., Österrreich

2018 fand in Kärnten mit der Befliegung des gesamten Wörtherseeufers durch ein professionelles unbemanntes Luftfahrzeug („Unmanned Aerial System“, „Drohne“) eines der flächenmäßig größten wissenschaftlichen drohnenbasierten Geodatenerfassungsprojekte in Österreich statt. Im Rahmen einer interdisziplinären Forschungskooperation zwischen der Abteilung 8 Umwelt, Wasser und Naturschutz des Amtes der Kärntner Landesregierung, den Industriepartnern flussbau iC und ViewCopter sowie dem Studiengang Geoinformation und Umwelttechnologien an der FH Kärnten als wissenschaftlichen Partner wurde das gesamte Wörtherseeufer mit einer Länge von fast 50 km mit einem zertifizierten Multirotorsystem ausgerüstet mit einem hochauflösendem Kamerasystem vollständig beflogen und photogrammetrisch ausgewertet.

Der Wörthersee steht wie viele Seen in Europa im Zentrum des gesellschaftlichen und wirtschaftlichen Interesses. Die anthropogene Nutzung der Seen und ihrer Ufer steht oft im Gegensatz zum Interesse, den guten ökologischen Zustand von Gewässern nachhaltig für kommende Generationen zu bewahren. Besonders die Uferbereiche, die als Puffer zwischen den terrestrischen und aquatischen Zonen fungieren, stellen aufgrund ihrer Diversität ökologisch hochwertige Lebensräume dar. Neben den chemisch-physikalischen bzw. biologischen Parameter muss bei er Umsetzung der EU Wasserrahmenrichtlinie eine Bewertung der strukturellen Gegebenheiten der Seeufer durchgeführt werden.

Ziel dieses Projektes ist die Erstellung eines sehr genauen digitalen dreidimensionalen Gelände- und Oberflächenmodells des Uferstreifens des Wörthersees unter besonderer Berücksichtigung des Wasser- Landübergangsbereiches. Die erwarteten Ergebnisse sind der „missing digital link“ – der fehlende digitale Baustein zu einem nahtlosen, durchgängigen und vollständigen 3D Modell zwischen den bereits vorliegenden Laserscan-Geländedaten der Seeumgebung und der im Winter 2017 durchgeführten Echolotvermessung des Wörthersees.

Herausforderungen in diesem Projekt sind: (1) die Flugplanung zur Durchführung der Drohnenbefliegung gegliedert in einzelne Teilmissionen von ca. 1 km Länge, um den gesetzlichen Sichtflugvorgaben zu entsprechen sowie die enge Kommunikation mit der Austro Control am Tower Klagenfurt; (2) die Sicherstellung der Lage- und Positionsgenauigkeit der erfassten Daten durch Referenzmessungen im gesamten Projektgebiet; (3) das Management und die photogrammetrische Prozessierung der riesigen anfallenden digitalen Datenmenge und, last, but not least, (4) die Integration der verschiedenen 3D Gelände- und Oberflächendaten der Seeumgebung, des Übergangsbereiches und des Seeuntergrundes zu einem ganzheitlichen, lückenlosen dreidimensionalen digitalen 3D Modell des Wörthersees.

Im Rahmen dieses Konferenzbeitrags fokussieren wir auf den empirischen Vergleich von Bathymetriedaten der Flachwasserbereiche des Wörthersees, die mit 2 unterschiedlichen Methoden erfasst wurden. Dazu werden vorliegende Single Beam Echolot Profile, die im Rahmen der Echolotvermessung des Wörthersees im Herbst 2017 erfasst wurden, mit UAS-basierten photogrammetrisch abgeleiteten Oberflächenmodellen (Befliegung im Frühjahr 2018) von ausgewählten Flachwasserbereichen quantitativ verglichen und die Ergebnisse kritisch diskutiert.



Vergleich von Bathymetriedaten aus luftgestützter Laserscanner- und Kameraerfassung

C. Mulsow1, G. Mandlburger2, C. Ressl3, H.-G. Maas1

1TU-Dresden, Deutschland; 2Universität Stuttgart, Deutschland; 3TU-Wien, Österreich

Die luftgestützte Laserbathymetrie hat sich in den vergangenen Jahren als leistungsfähiges Verfahren zur Vermessung der Topografie von Gewässerböden im Flachwasserbereich durchgesetzt. Ebenfalls lassen sich für diesen Zweck klassisch erhobene Bilddaten verwenden. Bei beiden Verfahren müssen Refraktionseffekte beim Medienübergang von Luft in Wasser berücksichtigt werden. Eine Voraussetzung dafür sind Kenntnisse über die Wasserspiegellage (Trennfläche) und den Brechungsindex des Gewässers. Letzter kann aus empirischen Werten in Abhängigkeit von der Gewässerart (Salz vs. Süßwasser) und der Temperatur geschätzt werden. Schwieriger gestaltet sich die Bestimmung der Wasseroberfläche, insbesondere wenn diese durch Wellenbewegungen beeinflusst wird. Zudem müssen bei Vorliegen eines Fließgewässers lokale Stauungen und Senkungen sowie die allgemeine Neigung der Wasseroberfläche mitberücksichtigt werden. Bei der Erfassung von stehenden Gewässern ohne signifikante Wellenbewegung kann die Problematik entsprechend vereinfacht werden. Die Wasseroberfläche lässt sich dann als waagerechte Ebene annehmen. Entsprechend wird nur noch die Wasserspiegelhöhe benötigt. Diese kann zum einen durch örtliche Pegelmessungen erfasst oder simultan innerhalb der Auswertung bestimmt werden.

Die Aufnahmesysteme Laserscanner und Kamera konkurrieren im Aufgabengebiet der luftgestützten Topographieerfassung. Bis zum Aufkommen der Laserscannertechnologie war hier die klassische Photogrammetrie das exklusive Verfahren der Wahl. Über die letzten Jahrzehnte entwickelte sich Laserscanning hin zum effektiven Werkzeug zur Geländeerfassung, insbesondere durch die First-Pulse/Last-Pulse Technologie bin hin zur Full-Wave-Form Auswertung. Mit dem Aufkommen von effektiven automatisierten Verfahren der Bildmessung- und Zuordnung (z.B. Structure from Motion) konnte die Photogrammetrie wieder einigen Boden gut machen. Beide Verfahren können einander ergänzen, wie diverse Anwendungen zeigen.

Die Autoren des Beitrags möchten eine Bestandsaufnahme der Verfahren Laserbathymetrie und Photogrammetrie für die Erfassung von Gewässerböden geben. Anhand eines kombinierten Laserscanner- und Bilddatensatzes eines Autobahnsees in Bayern werden beide Verfahren ergebnismäßig einander gegenübergestellt. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Güte der Geländemodelle sowie der Vollständigkeit und räumlichen Auflösung. Praktische Aspekte bei der Auswertung sowie die Komplexität der Verfahren werden vergleichend betrachtet.

Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Bestimmung der Wasserspiegellage, welche entscheidend für die Genauigkeit des Oberflächenmodells ist. Aus den Laserscannerdaten konnte der Wasserspiegel anhand des deformierten Laserpulses mit einer hinreichenden Genauigkeit bestimmt werden. Die Möglichkeit der Bestimmung der Wasseroberfläche aus Bilddaten im Rahmen einer Bündelblockausgleichung ist theoretisch gegeben, wie diverse Anwendungen aus der Nahbereichsphotogrammetrie zeigen. Aufgrund der Aufnahmegeometrie des Bildblocks (ausschließlich Senkrechtaufnahmen) sowie der im Vergleich zur Aufnahmeentfernung geringen Wassertiefe konnte die Wassersoberfläche nicht simultan in der Bündelblockausgleichung mitbestimmt werden. Daher wurde eine horizontale Ebene als Wasseroberfläche angenommen und die Wasserspiegelhöhe aus Uferlinienmessungen mit hinreichender Genauigkeit bestimmt.

In einem ersten Schritt wurde der Block in einer kommerziellen photogrammetrischen Auswertesoftware orientiert, d.h. Unterwasserpunkte ohne Berücksichtigung von Refraktionseffekten als normale Verknüpfungspunkte behandelt. In einem an der TU-Dresden (Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung) entwickelten Mehrmedien-Bündelausgleichungsprogramm erfolgte eine zusätzliche Orientierung mit Berücksichtigung von Refraktionseffekten. Die Ergebnisse beider Berechnungen sind nahezu identisch und unterscheiden sich im Wesentlichen (wie erwartet) nur in den im Wasser liegenden Verknüpfungspunkten.

Der Vergleich der Genauigkeiten der Objektpunkte unter Wasser mit denen an Land zeigt nur geringe Unterschiede (0.7/0.7/1.7 cm in X/Y/Z für Neupunkte an Land vs. 0.8/0.8/2.1 cm für Punkte im Wasser). Ähnliches lässt sich in den RMS-Werte der Restklaffungen der Bildmessungen beobachten. Hier stehen 0.10 Pixel für Landpunkte und 0.15 Pixel für Wasserpunkte einander gegenüber.

Eine durchgreifende Kontrolle der Ergebnisse im Seebereich war aufgrund des Fehlens von Vergleichsmessungen nicht möglich. Dies sollte für zukünftige Untersuchungen berücksichtigt werden.

Nichtsdestotrotz zeigen die Ergebnisse, dass die Bestimmung der Unterwassertopographie aus Luftbilddaten mit hinreichender Genauigkeit für klare Gewässer mit glatter Wasseroberfläche und guter Bodentextur möglich ist.



Analyse der Auswirkung von Wellen auf konventionelle Refraktionskorrekturmethoden in der Laserbathymetrie

K. Richter1, D. Mader1, P. Westfeld2, H.-G. Maas1

1TU Dresden, Deutschland; 2Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Deutschland

Die geometrisch korrekte Repräsentation des Gewässerbodens in der Laserbathymetrie erfordert die Korrektur der Refraktion auf Basis des Snellius’schen Gesetzes. Voraussetzung für eine strenge Refraktionskorrektur sind genaue Informationen über die Geometrie der lokalen wellen-induzierten Wasseroberfläche. Da diese Informationen normalerweise nicht verfügbar sind, basieren konventionelle Methoden zur Refraktionskorrektur auf der Einführung bestimmter Vereinfachungen bezüglich der Wasseroberfläche.

Am simpelsten ist die Annahme einer horizontalen ebenen Wasseroberfläche, an welcher der Laserstrahl gebrochen wird. Schon bei kleineren Wellen kann die Abweichung von der Ebenheit zu einem signifikanten Lage- und Höhenversatz am Gewässerboden führen (dXYhz und dZhz). Komplexere Korrekturmethoden versuchen daher, die tatsächliche Geometrie der Wasseroberfläche zu berücksichtigen, indem eine lokale Wasseroberflächenneigung für die Refraktionskorrektur verwendet wird. Grundlage für die Bestimmung der lokalen Wasseroberflächenneigung ist ein Wasseroberflächenmodell, das auf den detektierten Wasseroberflächenpunkten basiert, die beispielsweise zu einem Dreiecksnetz vermascht werden. Durch Verschneidung des einfallenden Laserstrahls mit dem Dreiecksnetz kann die lokale Wasseroberflächenneigung abgeleitet werden. Auch bei dieser Korrekturmethode können Abweichungen zwischen der wahren Wasseroberfläche und der Repräsentation durch das Dreiecksnetz zu Koordinatenfehlern am Gewässerboden führen. Der Versatz in Lage (dXYtilt) und Höhe (dZtilt) fällt jedoch geringer aus als bei der ersten Methode. Neben der Vereinfachung der Wasseroberflächengeometrie führen beide Korrekturansätze Annahmen zur Geometrie des Laserstrahls ein, welcher als infinitesimal schmale Linie betrachtet wird.

In vorangegangenen Studien wurde ein Simulationsansatz entwickelt, mit dessen Hilfe die welleninduzierten Koordinatenverschiebungen für beliebige Wellenverhältnisse prognostiziert werden können. Es hat sich gezeigt, dass der Lageversatz am Gewässerboden, je nach Seegang, Strahldivergenz und Wassertiefe, einige Dezimeter bis hin zu mehreren Metern betragen kann. Darüber hinaus muss mit Höhenfehlern im Dezimeterbereich gerechnet werden. Beide Effekte sind hauptsächlich stochastisch, enthalten aber auch signifikante systematische Anteile. Das Kernstück der Simulation bildet die streng differentielle Modellierung der Refraktion eines Laserstrahls mit endlichem Durchmesser an einer lokalen wellen-induzierten Wasseroberfläche. Außerdem wird die Refraktion eines infinitesimal schmalen Laserstrahls an einem horizontalen sowie einem lokal geneigten Wasseroberflächenelement modelliert. Der Vergleich der resultierenden Gewässerbodenpunktkoordinaten erlaubt eine Analyse der Auswirkung von Wellen auf die Refraktionskorrektur.

Dieser Beitrag zeigt eine Weiterentwicklung des bestehenden Simulationsansatzes, welche noch realistischere Prognosen der durch Wellen verursachten Koordinatenverschiebungen ermöglicht. Die numerische Simulation der welleninduzierten Auswirkungen auf die Refraktion und damit auf die Lage- und Höhenkoordinaten beinhaltet die Modellierung der bewegten Wasseroberfläche, des Gewässerbodens sowie des Strahlengangs. Bisher war die Simulation auf die Betrachtung eines statischen Laserstrahls beschränkt, unter dem sich die Wellen hinwegbewegen. Für die streng differentielle Modellierung der Refraktion sowie die Annahme einer horizontalen Wasseroberfläche ergeben sich daraus keine Nachteile. Problematisch ist allerdings die Bestimmung der lokalen Wasseroberflächenneigung für die komplexere Refraktionskorrekturmethode, da benachbarte detektierte Wasseroberflächenpunkte fehlen. Alternativ wurde bisher eine Momentaufnahme der Wasseroberfläche verwendet, indem das Wellenmodell zu einem festen Zeitpunkt mit einer vorgegebenen Punktdichte an zufälligen Stellen abgetastet wurde. Um ein realistischeres Simulationsergebnis zu erhalten, wird im weiterentwickelten Ansatz die Bewegung der Plattform sowie der Scanmechanismus des Laserstrahls in die Simulation integriert.

Zur Validierung der Simulationsergebnisse stehen reale Messdaten aus einem Wellenbad sowie Referenzdaten zur Verfügung, welche die experimentelle Analyse der Auswirkung von Wellen auf konventionelle Refraktionskorrekturmethoden ermöglichen. Im Beitrag wird untersucht, inwieweit die in der Simulation vorhergesagten Koordinatenfehler zu den experimentell ermittelten Werten korrespondieren.



Vermessung hochalpiner Seen mittels moderner Technologien

D. Innerhofer1, G. Mandlburger2,3, R. Baran4, F. Steinbacher4, M. Aufleger1

1AB Wasserbau, Universität Innsbruck, Österreich; 2Institut für Photogrammetrie, Universität Stuttgart, Deutschland; 3Department für Geodäsie und Geoinformation, TU Wien, Österreich; 4AirborneHydroMapping GmbH, Innsbruck, Österreich

Die Vermessung und bathymetrische Erfassung von Gebirgsseen liefert viele nützliche Informationen für geologische, hydrologische und ökologische Untersuchungen, stellt aber hohe Anforderungen an Personal und Messgeräte. Die größten Herausforderungen sind dabei die schwierige Erreichbarkeit der Seen (u.U. Transport der Messausrüstung zu Fuß) und die klimatischen Bedingungen (kurze Zeitspannen mit günstigen Messbedingungen, starke Witterungsabhängigkeit und Temperaturschwankungen in den Bergen).

Im Sommer 2017 fand eine Messkampagne im Tiroler Stubaital statt mit dem Ziel, verschiedene moderne Methoden der Gewässervermessung in Hinblick auf deren Anwendbarkeit im hochalpinen Bereich zu überprüfen, zu kombinieren und im Überlappungsbereich zu vergleichen. Die dabei verwendeten Messmethoden waren ein hochauflösendes Fächerecholot, Mehrmedienphotogrammetrie und bathymetrisches Flugzeuglaserscanning. Als Untersuchungsgebiet wurden zwei Seen in einer sehr exponierten Lage der Stubaier Alpen ausgewählt, der Grünausee (2328 müA) und die Blaue Lacke (2289 müA) im Bereich der Sulzenauhütte. Die Auswahl erfolgte aufgrund mehrerer Kriterien: Die Seen sollten eindeutig alpinen Charakter aufweisen, gut erreichbar sein und nicht im direkten Einzugsgebiet eines Gletschers liegen.

Die Echolotung wurde im Juli 2017 durchgeführt. Verwendet wurde dafür ein Fächerecholot der Firma Kongsberg (Geoswath Plus), welches auf einem Schlauchboot-Katamaran befestigt war. Dank dieser Leichtbauweise und den kompakten Pack-Maßen konnte das gesamte Equipment mittels Lastenkraxen transportiert werden. Das Messsystem selbst besteht aus eine 500 kHz-Messkopf, der speziell für flache Gewässer geeignet ist und eine sehr hochauflösende Vermessung der Gewässersohle ermöglicht. Die Positionsbestimmung des Messbootes erfolgte mit RTK GNSS, wobei der Rover am Messboot permanent via Funk mit einer Basisstation im Uferbereich verbunden war.

Ergänzend zur Echolotaufnahme wurde im August 2017 eine Befliegung mit einem topo-bathymetrischen Laserscanner (mit grüner Wellenlänge 532nm, Riegl VQ-880-G) zur Erfassung der Vorlandtopographie und des ufernahmen Gewässerbodens sowie einer Mittelformat RGB Kamera (IGI H39) durchgeführt. Das Lasersystem ist dabei für eine Erfassung der Vorlandtopographie und des ufernahmen Gewässerbodens bis zur 1.5-fachen Secchi Tiefe ausgelegt und der Seeboden konnte bis zu einer Tiefe von 4 m erfasst werden (Flughöhe: 500-600 m, Punktdichte: bis zu 40 Punkten/m2). Dadurch konnte eine Überlappung mit den Echolotdaten erzielt werden und in der Kombination ein vollständiger Datensatz des Seebodens und des Vorlandes erstellt werden.

Parallel zur Laserbefliegung wurden auch die Bilddaten zur Ableitung von Gewässertiefen mittels Mehrmedienphotogrammetrie herangezogen. Für die Georeferenzierung der Bilder wurden im Zuge der Messkampagne 22 photogrammetrische Passpunkte mittels RTK GNSS bestimmt. Die Bildorientierung wurden dann unter Einbeziehung der Passpunkte und der Trajektoriendaten mit Pix4D Mapper bestimmt und im Anschluss mit SURE eine dichte Punktwolke erzeugt, an der im postprocessing noch die erforderliche Refraktionskorrektur angebracht wurde. Die Anwendung von Dense Image Matching für die Ableitung von Unterwassertopographie ist dabei als innovativ anzusehen. Aufgrund der starken Gewässertrübung konnten mit der photogrammetrischen Methode Gewässertiefen bis zu 75 cm mit einer Genauigkeit (1σ) von besser als ±20 cm bestimmt werden. Die bildbasierte Methode stellt daher ebenso wie das bathymetrische Laserscanning eine Option zur Komplettierung des Echolotdatensatzes im Uferbereich dar. Bei größeren Tiefen versagte das Verfahren in Folge der zu geringen Bodentextur.

Die Vermessung mittels Echolot lieferte sehr gute Ergebnisse und ein detailliertes Bild der Gewässersohlen und ihrer Morphologie. Gleichzeitig war es aber die Methode, die vor Ort den größten Personal- und Zeitaufwand erforderte, da die gesamte Ausrüstung teils weite Strecken zu Fuß getragen werden musste. Der mangelnde Mobil-Funk-Empfang stellt ein zusätzliches Problem bei Verwendung eines RTK-Systems dar und macht die Verwendung von lokalen Festpunkten notwendig. Durch die flugzeugbasierte Datenerfassung konnte ein lückenloser Datensatz erstellt werden. Das ursprüngliche Ziel einer großflächigen Erfassung mit den Mitteln der aktiven und passiven optischen Fernerkundung konnte aber aufgrund der äußeren Bedingungen (Gewässertrübheit) nicht erzielt werden. Als Erkenntnis bleibt die Feststellung, dass die Vermessung von hoch alpinen Seen mit der klassischen Echolotvermessung zwar aufwändig, aber weniger anfällig hinsichtlich der äußeren Bedingungen ist. Laserbathymetrie und Mehrmedienphotogrammetrie stellen dagegen für einen großflächigen Einsatz höhere Anforderungen an die äußeren Bedingungen wie Flugwetter und Transparenz des Wasserkörpers.



 
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