Veranstaltungsprogramm

Eine Übersicht aller Sessions/Sitzungen dieser Tagung.
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Sitzungsübersicht
Sitzung
S15: Fernerkundung LIDAR - Methodik
Zeit:
Freitag, 22.02.2019:
9:00 - 10:30

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

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Präsentationen

Detektion und Extraktion von Gewässersohlenpunkten aus ALB-Daten mittels Full-Waveform Stacking

D. Mader1, K. Richter1, P. Westfeld2, H.-G. Maas1, R. Weiß3

1TU Dresden, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, Deutschland; 2Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie, Deutschland; 3Bundesanstalt für Gewässerkunde, Deutschland

Detektion und Extraktion von Gewässersohlenpunkten aus ALB-Daten mittels Full-Waveform Stacking

1 Motivation

Zu den Aufgaben der Wasserstraßen- und Schifffahrtsverwaltung gehört ein aktives Wasserstraßenmanagement, das eine optimale Wasserbewirtschaftung sicherstellt. Dabei müssen die Auswirkungen bautechnischer Veränderungen wie Buhnenabsenkungen, Buhnenfeldberäumungen und Streichlinienaufweitung auf das Gewässerbett dokumentiert werden. Moderne Laserbathymetriesysteme sind in der Lage, die Geometrie von Wasserwechselzonen und anderen Flachwasserbereichen effizient zu erfassen. Im Vergleich zu konventionellen hydroakustischen Messverfahren, wie Echolot- und Fächerlotmessungen kann dabei die Wirtschaftlichkeit deutlich erhöht werden. Das Potential des Messverfahrens wird allerdings durch die Gewässertrübung stark limitiert. Bei stärkerer Gewässertrübung oder in tieferen Bereichen kann der Gewässerboden nicht mehr zuverlässig detektiert werden.
Im Rahmen der hier vorgestellten Arbeiten werden Auswerteverfahren zur Verbesserung der Erfassung der Gewässersohle gezeigt. Die Evaluierung der hier vorgestellten Entwicklungen erfolgte in Kooperation mit der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG). Die mithilfe konventioneller hydroakustischer Verfahren erfassten Vergleichsdaten wurden von dem Wasserstraßen- und Schifffahrtsamt Dresden (WSA Dresden) bereitgestellt.
Abbildung 1 zeigt die Gewässerbodenpunkte, welche entlang der Fahrrinne mit Echolotsensoren aufgenommen wurden. In Abbildung 2 sind die Ergebnisse der Standardprozessierung aus Full-Waveform-Daten dargestellt. Die Datenlücken im Bereich der Buhnen sind deutlich sichtbar. Das Ziel der hier vorgestellten Arbeiten ist es, diese Lücken zumindest teilweise zu schließen und damit den Anwendungsbereich der Laserbathymetrie zu erweitern.

2 Methodik

Die Methodik zur erweiterten Detektion und Extraktion von Gewässersohlenpunkten basiert auf der Analyse von korrelierten Nachbarschaftsinformation unter Annahmen über die Stetigkeit der Gewässersohle. Diese Informationen werden in vier Schritten ermittelt und ausgewertet (Abb. 3). Im ersten Schritt erfolgt eine Rasterung der vorliegenden Daten. Zu diesem Zweck werden die vorliegenden Messdaten in Rasterzellen eingeteilt, deren Größe an die Datenauflösung angepasst ist. Im zweiten Schritt werden die Full-Waveform-Daten jeder Rasterzelle über das Signal der Wasseroberfläche zueinander in der Höhe registriert und aufaddiert bzw. gestackt. Durch das Stacking werden Signale, die durch zufälliges Rauschen oder erratische Rückstreueffekte in der Wassersäule verursacht werden, abgeschwächt bzw. verschwinden. Rückstreusignale der Gewässersohle werden hingegen verstärkt und können auf diese Weise besser detektiert und lokalisiert werden. Im Idealfall resultiert eine Waveform mit deutlichen Signalen an Wasseroberfläche und Gewässersohle. Da in der Realität auch mehr als ein Kandidat für die Gewässersohle übrigbleibt, erfolgt im dritten Prozessierungsschritt eine weitere Eingrenzung der möglichen Gewässertiefe der entsprechenden Rasterzelle. Dazu werden die Gewässertiefen der Rasterzellen vom Ufer beginnend unter Berücksichtigung von bereits bekannten Gewässertiefen umliegender Rasterzellen iterativ bestimmt. Abschließend erfolgt die Eingrenzung des Suchbereichs für das Signal des Gewässerbodens in jeder einzelnen Full-Waveform entsprechend der Gewässertiefe der korrespondierenden Rasterzelle und daraus die Extraktion des Gewässersohlenpunktes.

3 Ergebnisse

Mit Hilfe der entwickelten Methodik kann die Eindringtiefe signifikant erhöht werden. Stichprobenmessungen in Evaluationsgebieten zeigen, dass die Gewässertiefe für zuverlässig extrahierbare Gewässersohlenpunkte von ca. 1,65 m (Standardprozessierung) auf 2,0 m (Waveform-Stacking-Ansatz) gesteigert wurde (Abb. 4). Dadurch konnte ein signifikant größerer Bereich der Gewässersohle des Flusses Elbe erfasst werden (Abb. 5). Zur Bestimmung der Zuverlässigkeit wurden die Ergebnisse mit den Daten aus der Standardprozessierung und den Echolotdaten verglichen. Dabei wiesen ca. 80 % bis 90 % der neuprozessierten Daten eine Höhenabweichung von maximal 20 cm auf. Die Ergebnisse zeigen, dass durch die Verwendung neuer Auswertealgorithmen eine größere Abdeckung der Gewässersohle erreicht werden kann.

Link zum Herunteladen des Abstracts (PDF) mit Abbildungen:

https://cloudstore.zih.tu-dresden.de/index.php/s/OG1lqzu0kK3dCm8



Airborne Lidar Topobathymetry And The Potential Of Full Waveform Analysis For Water Bottom Detection

W. Dobler, F. Steinbacher, R. Baran, W. Leimer, W. Benger

AHM GmbH, Österreich

Over the last years, airborne topo-bathymetry, using green wavelength, has established as a state-of-the-art survey technology for shallow water areas along coast lines, lake shorelines and rivers. The penetration depth into the water body depends among others mainly on turbidity, water ground substrate and its colour. In clear water conditions, water depths down to 10-15m are possible. The newest available LiDAR sensors, such as the VQ880G by RIEGL LMS, do not only deliver a discrete point cloud based on integrated online waveform processing, they also record the full waveforms (FWF). In the past, only the discrete point cloud derived from online waveform processing was further processed and analysed. The additionally recorded waveform is mostly not considered so far in ALB data processing but was always seen as a data source of high potential related to penetration depth or water and soil conditions. Due to its high amount of storage volume needed, its handling also needed new approaches for project-oriented mass data processing.

AHM GmbH developed a new software solution to visualize the potential of full waveform information without processing the data. By combining the discrete point cloud with the FWF in our software HydroVISH, we envision the waveform directly on points, thus having the possibility to check if a more detailed FWF-analysis is reasonable instead of having just the online processed point cloud.

HydroVISH now delivers a full FWF analysis framework. Firstly, a deconvolution of the system wave with the FWF and secondly, several detection algorithms of the deconvoluted signal. Deconvolution of the signal is regarded as ill-posed and many algorithms are available, like Wiener-Filter, subtracting the system wave from the FWF or B-Spline deconvolution. Promising procedures are e.g. curve-fitting algorithms: With a single (or more) e-function (s) a convolution with the system wave can be carried out following a curve fitting procedure with the FWF. This is so far successful in the water body because the damped backscatter signal follows an e-function. Another possibility is pure peak detection without deconvolution of the signal. With gradients of the FWF and threshold values a new point cloud can be derived.

Within a research project for three German water board authorities (WSV, BfG, BAW), FWF-analysis and its possibilities in gaining larger penetration under turbid water conditions for the river Elbe was investigated. First preliminary results of the FWF-analysis at Elbe river made possible to improve the penetration from 1.5m to 2m. This resulted in improving the overall ALB water ground coverage by about roughly up to 20-30%.



Detaillierte Analyse komplexer Wellenformen eines UAV Laser Bathymetrie Profilmessgerätes

R. Schwarz, M. Pfennigbauer

RIEGL Research Forschungsgesellschaft mbH, Österreich

Erfassung von Profilen in der Hydrologie und im Wasserbau hat trotz der Verfügbarkeit von Messinstrumenten zur flächigen Aufnahme nach wie vor eine große Beduetung. Der von RIEGL entwickelte Bathycopter BDF-1 ist ein Messgerät für die Profilerfassung speziell für die kleinräumige, unbemannt-luftgestützte Anwendung geeignet. Das primäre Ergebnis aus einer Befliegung mit diesem Instrument ist ein Satz topografischer Profile eines Wasserkörpers bestehend aus Boden und Wasseroberfläche. Bei der verwendeten Aufnahmetechnik werden dabei zunächst die kompletten Wellenformen der rückgestreuten Laserechos aufgezeichnet um in einer Nachverarbeitung die Punkte der Oberfläche und des Bodens zu extrahieren. Die aufgezeichneten Signale zeigen dabei ein hohes Detailreichtum dessen Interpretation Gegenstand der aktuellen Entwicklung ist. Eine Unterscheidung zwischen Artefakten, die durch das Analyseverfahren selbst verursacht sind, und Strukturen, die für das Verständnis der Wassersäule nützlich sind, könnte ein erster Schritt zu einer Nutzbarmachung dieser Daten sein.

Für die Untersuchung steht ein Datensatz vom Hafen von Hilo, der Hauptstadt von Big Island im US-Bundesstaat Hawaii zur Verfügung. Die Messdaten bestehen aus zwei Streifen die mit einem BDF-1 erfasst wurden sowie einem Streifen der am gleichen Tag mit einem RIEGL VUX-1 Laserscanner aufgenommen wurde. In beiden Fällen diente der RiCOPTER, ein von RIEGL entwickelter und gefertigter Octocopter, als Flugplattform. Erfasst wurden Teile des Hafenbeckens, des offenen Meeres und der den Hafen begrenzenden Buhnen. Kartenmaterial auf der Basis von akustischen Echolotungen, das anlässlich von Baggerarbeiten für den Aushub eines Wendebeckens angefertigt wurde, diente als zusätzliche Quelle über die Beschaffenheit des Hafenbeckens. Für die Analyse der Daten wurden diese zunächst mittels Pre-Detection Averaging aufsummiert und durch Exponentialzerlegung wurden Ziele von der Wasseroberfläche, dem Boden aber auch Echos aus der Wassersäule identifiziert.

Der Fokus der Untersuchungen liegt auf der Feststellung des Potentials der Informationen aus der Wassersäule. Es konnte eine klare Schichtstruktur, die nicht als Artefakt des Analyseverfahrens interpretiert werden kann, nachgewiesen werden. Dies regt zu einem weiteren Studium dieser Schichtungen bzw. zu Diskussionen über einen möglichen Zusammenhang mit der Wassergüte an.



Single Photon LiDAR – Grundlagen Und Erste Evaluierungsergebnisse

G. Mandlburger1, G. Mandlburger2, H. Lehner3

1Universität Stuttgart, Institut für Photogrammetrie, Deutschland; 2TU Wien, Department für Geodäsie und Geoinformation, Österreich; 3Magistratsabteilung 41, Stadtvermessung Wien

In den vergangenen Jahren sind neben etablierten Laserscanning Sensoren auch Geräte auf den Markt gekommen, die eine Entfernungsmessung beim Eintreffen eines oder weniger Photonen erlauben (single photon sensitivity). Neben dem sogenannten Geiger-mode LiDAR (GmLiDAR), bei welchem ein breiter Laserpuls ein ganzes Array von photosensitiven Elementen (Geiger mode Avalanche Photo Diode, GmAPD Array) beleuchtet, wird der Laserpuls bei der Single Photon LiDAR (SPL) Technologie durch ein difraktives optisches Element in 10x10 Teilstrahlen, sogenannte beamlets, aufgespaltet. Da für jedes beamlet ein Einzelphoton-sensitives Detektor-Array zum Einsatz kommt, ist die SPL Technologie mehrzielfähig, was vor allem für die Durchdringung von Vegetation von großer Bedeutung ist. Durch die hohe Sensorempfindlichkeit können beide System aus großer Flughöhe (5.000-10.000 m) betrieben werden und ermöglichen dadurch gegenüber konventionellen Laserscannern bei vergleichbarer Punktdichte eine höhere Flächenleistung (800-1000 km2/h bei 8 Punkten/m2) zum Preis einer geringeren Höhengenauigkeit (~10 cm) und einer höheren Rate an Ausreißer-Punkten (siehe Abbildung 1).

Während das Geiger-mode System von Harris Cooperation als Dienstleistung vornehmlich in den U.S.A. betrieben wird, ist das Single Photon LiDAR System seit der Übernehme des Sensorherstellers SigmaSpace durch Hexagon/Leica Geosystems unter dem Namen SPL 100 kommerziell verfügbar. Es handelt sich dabei um eines hybrides Messsystem, bestehend aus dem Navigationssystem (GNSS/IMU), dem Laserscanner und einer 80 Megapixel RGBI Kamera (RCD30). Der Sensor ist auf effiziente großflächige Erfassung von Topographie optimiert, eignet sich aber wegen der eingesetzten grünen Wellenlänge (λ=532 nm), dem kreisfömigen Scanmuster mit einer Neigung von 15° gegenüber der Nadirrichtung und der hohen Detektorempfindlichkeit grundsätzlich auch für bathymetrische Anwendungen bei sehr klaren und seichten Gewässern. In Europa ist gegenwärtig ein Sensor stationiert. Dieser wird in einigen Ländern (z.B. Spanien, Finnland, Niederlande, Österreich) im Rahmen von Pilotprojekten erprobt. So ist beispielsweise die gesamte Fläche der nordspanischen Provinz Navarra mit dem SPL 100 erfasst worden. Diese Daten wurden kürzlich öffentlich zugänglich gemacht. In Österreich wurden unter anderem im Auftrag der Stadt Wien Testflächen aufgenommen.

In diesem Beitrag werden zunächst die Grundlagen von Single Photon LiDAR erläutert und die technologischen Unterschiede zu konventionellem Laserscanning aufgezeigt. Im zweiten Teil werden die Messkampagne vom August 2018 vorgestellt und erste Ergebnisse der Datenevaluierung präsentiert. Ein Vergleich zu bestehenden Laserscanning Daten von konventionellen Systemen erlaubt auch eine Bewertung sowie Aussagen über Vor- und Nachteile der jeweiligen Messtechnik. Bisherige Erfahrungen haben gezeigt, dass das lokale Rauschen (precision) der mittels SPL erfassten 3D Punktwolken etwa um einen Faktor 2 höher ist als bei konventionellem Laserscanning (SPL: ca 5-10 cm). Dies gilt in gleicher Weise für die relativen Streifenhöhendifferenzen, gemessen in glatten Bereichen überlappender Scanstreifen. Die planimetrische Genauigkeit hängt bei beiden Systemen neben der Qualität der Trajektorie in Lage und Raumstellung (GNSS/IMU) von der Messgenauigkeit des Auslenkwinkels, der Messdistanz und der Größe des Laserabtastflecks ab. Wegen der geringen Strahldivergenz des SPL Systems (0.08 mrad) ist der Footprint Durchmesser selbst bei einer wesentlich höheren Flughöhe i.d.R. nur unwesentlich größer als dies typischerweise für konventionelle Laserscanner der Fall ist. Wegen der großen Messdistanz ist allerdings eine hoch-genaue IMU erforderlich. Eine Überlegenheit von SPL gegenüber konventionellen Systmen besteht jedenfalls in Bezug auf die Flächenleistung in Folge der simultanen Messung der 100 Teilstrahlen, der daraus resultierenden hohen Messrate (6 MHz) und der großen Flugstreifenbreite (>2000m).



 
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