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Sitzungsübersicht
Sitzung
S18: Fernerkundung - Hydrologie
Zeit:
Freitag, 22.02.2019:
11:30 - 12:30

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

Airborne Laser Bathymetrie - Evaluierung – Einsatz in der Modellierung

K. Baumgartner, R. Klar, M. Aufleger

Universität Innsbruck, Institut für Infrastruktur, AB Wasserbau, Österreich

Räumliche und zeitliche morphologische Veränderungen haben eine lebensraumprägende Bedeutung in der gesamtheitlichen Betrachtung der Fließgewässer. Variierende Gewässerbettstrukturen bieten vielfältige Lebensräume und wirken sich positiv auf die aquatische Ökologie aus. Um solche kleinräumige morphologische Strukturen mit hohem Detailgrad abbilden zu können, braucht es hochaufgelöste topografische Informationen der Gewässersohle. Die herkömmliche Methode der Querprofilvermessung, deren Qualität stark von subjektiven Entscheidungen abhängt und einen großen zeitlichen sowie personellen Aufwand darstellt, kann durch die topo-bathymetrische Laserscanvermessung (ALB - Airborne Laser Bathymetrie) ersetzt und darüber hinaus erheblich verbessert werden. Dabei operiert ein wasserdurchdringender Laser im grünen Wellenlängenbereich (λ = 532 nm) und erfasst die morphologischen Fließgewässerstrukturen mit einer Punktdichte von bis zu 50 Punkte/m². Aus den Vermessungsdaten kann zudem der flächige Wasserspiegel direkt abgeleitet werden, welcher z.B. zur Kalibrierung numerischer Simulationen herangezogen werden kann.

Im Rahmen des Forschungsprojektes "FHARMOR" - Fish Habitat in Alpine Rivers: Integrating Monitoring, Modelling and Remote Sensing (http://www.fharmor.it/) werden u.a. die Vorteile der ALB Daten anhand eines typischen Südtiroler Gebirgsbaches untersucht.

Die Abflussdynamik des Mareiterbaches, Nähe Sterzing in Südtirol, zeichnet sich durch das glaziale Abflussregime mit einer hohen Abflussdynamik in den Sommermonaten aus. Die dadurch hervorgerufene räumliche und zeitliche Variabilität der Flusssohle, wird durch wiederholte hochaufgelöste topo-bathymetrische Laserscanvermessungen aus der Luft erfasst. Zur Qualitätssicherung werden zeitgleich Feldmessungen (Abflussmessungen, terrestrische Messungen) erhoben. Auf dieser hervorragenden Basis werden verschiedene Berechnungsnetze für das 1,5 km lange Untersuchungsgebiet erstellt. Für die numerische Kalibrierung wird der flächenhafte Wasserspiegel, welcher bei der Vermessung mit aufgenommen wurde, herangezogen. In dieser Arbeit werden die Auswirkungen unterschiedlicher Berechnungsnetze auf die Modell- und Kalibrierungsergebnisse in einem Flussabschnitt mit ausgeprägter Gewässerbettstruktur analysiert. Mit den Ergebnissen der Simulation kann die Refraktionsberechnung bewertet und analysiert werden. Das Potential der numerischen Simulation in Kombination mit ALB Vermessungsdaten wird genutzt, um Kenntnisse hinsichtlich hydromorphologischer Veränderungen bewerten zu können.

Die Ergebnisse weisen das hohe Potential der ALB Daten zur Abbildung von kleinmaßstäblichen morphologischen Strukturen nach. Die Auswertungen der numerischen Simulationen verdeutlichen, dass der flächige Wasserspiegel aus der ALB Vermessung zur Kalibrierung geeignet ist. Die Kontrolle der Refraktionierung der wasserbenetzten Punkte zeigt eine gute Übereinstimmung. Die wiederholende topo-bathymetrische Aufnahme ist ein gutes Instrument zur Erfassung der hydro-morphologischen Veränderungen und einhergehenden Lebensräume. Die ALB-Technologie liefert einen guten Beitrag zur Erreichung der Ziele der europäischen WRRL.



Voxelbasierte Änderungsdetektion des Gewässerbodens in ALB Daten unter Verwendung von semantischen Referenzdaten

R. Boerner, L. Hoegner, U. Stilla

Technical University Munich, Deutschland

Die wichtigsten Klassen bei der Arbeit mit airborne laser bathymetry (ALB) Daten sind der Boden und das Wasser. Diese Klassen stellen die wichtigsten Elemente dar, da der Laserstrahl beim Übergang vom Medium Luft ins Medium Wasser gebrochen wird und die Nichtberücksichtigung dieser Brechung zu fehlerhaften 3D Koordinaten der Bodenpunkte führt. Im besonderen Fall der Fließgewässervermessung können diese beiden Klassen als zeitlich veränderbar angenommen werden, so ändert sich sowohl der Wasserstand in seiner Höhe als auch der Gewässerboden in seiner Geometrie aufgrund von morphodynamischen Einflüssen des Flusses. Eine Überwachung der morphodynamischen Einflüsse erfordert eine multitemporale Erfassung des Untersuchungsgebietes und dementsprechend multitemporale gelabelte Daten.

Dieser Beitrag befasst sich mit der Übertragung von klassifizierten Referenzdaten auf zusätzliche Befliegungsdaten. Hierbei soll sowohl ein geänderter Sensor der Aufnahme als auch die dynamische Natur der Klassen berücksichtigt werden. Diese Übertragung der Labels wird dazu verwendet, um eine Vorklassifikation von Änderungen im Gewässerboden in tatsächlich geometrische oder Refraktions bedingte Änderungen vor zu nehmen. Dadurch ließe sich der Suchbereich für einen Signifikanz test auf die geometrischen Änderungen eingrenzen.

Das vorgestellte Verfahren baut auf der Diskretisierung der 3D Daten in einem Voxelgitter auf. Jeder Punkt des neuen Datensatzes kann hierbei einem Voxel im Referenzdatensatz zugeordnet werden und demzufolge das Klassenlabel des Voxels übernehmen. Im geometrisch stabilen Fall einer urbanen Szene wurde das schon erfolgreich getestet. Die Labelübertragung im geometrisch veränderlichen Fall ist aber schwieriger, da die sich bewegenden Punkte (Wasser, Flussboden) in nicht gelabelte Voxel projiziert, bzw. ein Bodenpunkt in ein als Wasser klassifizierten Voxel projiziert werden könnte.

Zur Übertragung der Label wird zunächst die Annahme getroffen, dass sich die Label der Klassen außerhalb des Flusses ohne Änderung übertragen lassen. Der kritische Teil befindet sich im Bereich des Flusses, hier kann eine Änderung der Labels von einer Änderung der Wasseroberfläche oder von einer Änderung der Geometrie herrühren. Ein erster Schritt besteht also darin, die Punkte der neuen Daten auf existierende Voxel in den Referenzdaten zu testen, hierfür werden jeweils die Rohdaten ohne Refraktionskorrektur verwendet. Fällt ein Punkt in ein existierendes Voxel, wird das Label des Voxels übernommen. Im anderen Fall wird zunächst von einer Änderung in den Labeln ausgegangen und es muss im nächsten Schritt getestet werde, ob diese Änderung Refraktions bedingt ist, also bedingt durch eine Änderung des Wasserstandes. Hierfür wird die Wasseroberfläche aus den Referenzdaten in die neuen Daten übertragen. Die projizierte Region der Wasseroberfläche wird vertikal abgesucht um ein Höhenhistogramm aufzubauen. Das vertikal höchste Bin wird dann dem Wasserlabel zugeordnet und das vertikal niedrigste Bin dem Boden. Nachfolgend wird die Refraktionskorrektur in den neuen Daten durchgeführt und die korrigierten Bodenpunkte der neuen Daten mit den korrigierten Bodenpunkten im Referenzdatensatz abgeglichen. Wird hier keine Änderung detektiert, sprich können die korrigierten Punkte nun einem Voxel im korrigierten Referenzdatensatz zugeordnet werden, konnte die vorherige Änderung in den Rohdaten auf eine Wasserstands Änderung zurückgeführt werden. Wird in den korrigierten Daten allerdings weiterhin eine Änderung detektiert, ist diese geometrischer Natur.

Das vorgestellte Verfahren wird an einem Befliegungsdatensatz vom Jahre 2012 vom Mangfallgebiet in Gmund getestet und evaluiert. Von diesem Gebiet liegen neuere Befliegungsdaten vom Jahr 2016 vor, welche mit einem neueren Sensor Modell aufgenommen wurden und eine erhöhte Punktdichte aufweisen.



Entwicklung von Indizes zur Ableitung der Eisenkonzentration verockerter Fließgewässer mittels hyperspektraler VNIR- und SWIR-Daten

C. Ulrich1, L. Bannehr1, M. Hupfer2, M. Schulze1

1Hochschule Anhalt, Deutschland; 2Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei

Eisen ist das vierthäufigste Element in der Erdkruste. Aufgrund der Schwerlöslichkeit der meisten Eisen-Verbindungen tritt es nur unter bestimmten Bedingungen in der Hydrosphäre in gelöster Form auf. Durch anthropogene Einflüsse, wie beispielsweise Grundwasserabsenkung in Bergbauregionen, können sulfatsaure Bedingungen durch Pyritoxidation im Boden auftreten. Die Versauerung bzw. reduktiven Bedingungen in der Bodenpassage ermöglichen den Transport von Eisen in gelöster Form über das Grundwasser in die oberirdischen Fließ- und Standgewässer. Unter neutralen Bedingungen und infolge der Sauerstoffzufuhr kommt es zur Ausflockung der Eisen-Ionen, welche ab einer Konzentration von 2 mg/L zur ockerartigen Verfärbung von Oberflächengewässern führen. Dieser Prozess wird als Verockerung bezeichnet. In Folge kommt es zur Trübung des Gewässers. Dadurch wird die Menge des eindringenden Sonnenlichtes verringert und die Lebensbedingungen für sedimentbewohnende Organismen verschlechtern sich durch die Eisenablagerungen. In Folge nimmt die Biodiversität in dem Gewässer ab. Weiterhin ist die Verockerung durch die Folgen des Klimawandels auch in borealen sowie arktischen Regionen und in der Antarktis ersichtlich.

Da sich die Verockerung flächenhaft ausbreitet, ist es möglich, diese mit Hilfe der Methoden der Fernerkundung zu dokumentieren und mittels speziellen Indizes Gradienten zu entwickeln. Zur Erforschung der Problematik wurde in Zusammenarbeit der Hochschule Anhalt (HSA) und des Leibniz-Instituts für Gewässerökologie und Binnenfischerei (IGB) eine Messkampagne in der Lausitz (Deutschland) an der Spree südlich von Cottbus sowie an einer Grubenwasserreinigungsanlage bei Vetschau im September 2018 durchgeführt. Dabei wurden chemische In-situ Messungen vor Ort sowie mittels des Gyrocopters der HSA hyperspektrale VNIR- und SWIR-Daten erhoben.

Wegen ihres großen Einflusses auf die Gewässerfärbung wurden folgende chemische Gewässerparameter untersucht: Gesamteisen, Eisen(II), Eisen(III), gelöster organischer Kohlenstoff (DOC), Sulfat und Chlorophyll a.

Oberflächengewässer reflektieren hauptsächlich im visuellen Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm. Für diesen Wellenlängenbereich wurden viele Spektralindizes zur Ableitung von Chlorophyll a, Gelbstoffe (CDOM) sowie Schwebstoffe (Tripton) entwickelt. Ab ca. 700 nm nimmt die Absorption von Wasser stark zu, was zu einer niedrigeren bis geringen Reflektanz führt. Jedoch haben Untersuchungen gezeigt, dass sehr trübe und triptonhaltige Gewässer weitere Informationen im Wellenlängenbereich von 1.000 bis 1.300 nm besitzen.

In bisherigen Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass die Anwesenheit von Eisen(III)-Hydroxid in Gewässern mittels Landsat 8 nachzuweisen sind. Außerdem wurde anhand von spektralen In-situ Daten aufgezeigt, dass der Wellenlängenbereich um 650 nm im Zusammenhang mit der Eisen(III)-Konzentration steht. Weiterhin haben Forschungen aus Schweden gezeigt, dass die Eisen(II)-Konzentration mit der DOC-Konzentration und dem Wellenlängenbereich bei 420 nm korreliert.

Im Vortrag werden verschiedene empirische Modelle zur Bestimmung eines Indizes für Gesamteisen, Eisen(II) und Eisen(III) aufgezeigt. Diese bilden die Basis für die Entwicklung eines semi-analytischen Ansatzes. Weiterhin werden die Ergebnisse zur Validierung mit den chemischen Messungen korreliert und diskutiert. Die gewonnenen Erkenntnisse sollen beim Monitoring der Eisenausbreitung in bergbaubeeinflussten Regionen sowie bei der Entwicklung von Präventionsmaßnahmen gegen die Verockerung unterstützen.



 
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