Methodik: Messungen mit neuester Technik

4 Methodik: Messungen mit neuester Technik

Mit den beiden Laserscannern (Modelle Riegl LMS-Z420i und VZ-4000) werden Punktwolken nach dem LiDAR-Prinzip (Light Detection And Ranging) generiert. Die Geräte wurden bereits in diversen Projekten mit unterschiedlichen Voraussetzungen und Zielen eingesetzt und sind fester Bestandteil in der Lehre der Physischen Geographie in Eichstätt (Abb. 9).

Abb. 9: Laserscanning an den Eichstätter Abraumhalden. Während für das Modell LMS-Z420i (im Vordergrund) noch zusätzlich eine Kamera und ein Geländenotebook zur Bedienung des Geräts angeschlossen werden müssen, sind diese Einheiten im Modell VZ-4000 (im Hintergrund) bereits integriert.

Erfahrungsgemäß können schon Oberflächenveränderungen ab 0,5 cm ermittelt werden, wobei die Genauigkeit der Messung neben Umwelteinflüssen und gerätebedingten Ungenauigkeiten besonders von der Aufnahmeentfernung abhängig ist. Zwar können mit beiden Laserscannern auch Objekte in über 1000 m Entfernung aufgenommen werden. Jedoch fächert sich der Laserpunkt mit zunehmender Distanz immer weiter auf. Die Größe des so genannten footprints beträgt bei 100 m etwa 2,5 cm, bei 400 m sind es bereits 10 cm. Deshalb wurden in allen Untersuchungsgebieten die Scanpositionen so gewählt, dass die Distanz zwischen Hang und Scanner maximal 100 m beträgt. Um die Topographie der Testflächen möglichst detailliert abzubilden, wird für die Scanaufnahmen eine vom Gerät ausgehende Winkelauflösung von 0,05 (sowohl horizontal als auch vertikal) gewählt. Je nach Abstand zur Fläche können auf diese Weise Punktdichten von teilweise über 1000 LiDAR-Punkten pro Quadratmeter erreicht werden. Ein Hang kann in etwa 15 Minuten komplett erfasst werden, dabei werden Punktwolken mit mehreren Millionen Punkten (i. d. R. 2–5 Mio.) erzeugt. In Abschattungsbereichen, beispielsweise hinter großen Felsblöcken oder Bäumen, entstehen Datenlücken, die durch die Aufnahme aus einer anderen Position in der Postprozessierung wieder geschlossen werden können. Dadurch erhöht sich nochmals die Dichte der Punktwolke.
Damit die einzelnen Zeitschritte miteinander verglichen werden können, müssen im Gebiet über die Zeit hinweg unveränderliche Objekte installiert werden, die in jeder Scanaufnahme eindeutig identifiziert werden können. Hierzu werden Reflektoren verwendet, die dauerhaft an Bauwerken (Verbauungen, Brücken in angrenzenden Gerinnen, etc.), an großen Bäumen oder an Eisenstangen angebracht werden. Auf die Montage an Bäumen wird, sofern möglich, verzichtet, da sich deren Position beim Wachsen ändert. Andernfalls werden nur sehr alte, große Bäume ausgewählt, deren Beweglichkeit im Untersuchungszeitraum zu vernachlässigen ist.
Anschließend werden diese Festpunkte mit hochpräzisen Vermessungswerkzeugen, wie dem Differential GPS und dem Tachymeter, eingemessen. In der Prozessierung der Punktwolken kann mit der scannerzugehörigen Software RiSCANPRO jede Punktwolke über die Reflektoren in ein globales Koordinatensystem überführt werden. Sofern die Position der Reflektoren unverändert bleibt, kann auf diese Weise über viele Jahre hinweg ein detailliertes Monitoring des Untersuchungshanges betrieben werden.
Bevor aus den Punktwolken rasterbasierte DGMs erstellt werden, müssen sämtliche Punkte entfernt werden, die nicht die tatsächliche Bodenoberfläche darstellen. Dazu gehören in erster Linie Streupixel (flying points), verursacht durch Luftverunreinigung oder Insekten, und Vegetation auf den Flächen. Dieser Schritt gestaltet sich vor allem bei zunehmender Vegetationsbedeckung zuweilen als recht mühsam und erfordert eine hohe Erfahrung des Bearbeiters. Eine Hilfestellung kann die Einfärbung der Punktwolke mit RGB-Farbwerten geben, was durch eine aufgesetzte Kamera (im Falle des VZ-4000 im Gerät fest installiert) möglich ist.
Die bearbeiteten Punktwolken können nun aus RiSCANPRO exportiert und in LIS/SAGA-GIS, einem Programm speziell für die digitale Reliefanalyse, überführt werden (Rieg et al. 2013). Dank der hohen Punktdichte können Höhenmodelle mit Rastergrößen von bis zu 5 cm erstellt werden. Mit Hilfe der Bildung eines Difference Grid kann für jede Rasterzelle die Höhenänderung zwischen zwei Aufnahmezeitpunkten angegeben werden. Multipliziert mit der Zellengröße kann dadurch eine Massenbilanz für den gesamten Hang erstellt werden. Von der Datenakquise bis zum fertigen DGM fließen mehrere Unsicherheitsfaktoren in die Berechnungen ein. Daher wird für jedes DGM ein Level of Detection, d. h. ein Wertebereich definiert, der nicht in die Massenbilanz einfließen soll (Brasington et al. 2000, 2003; Wheaton et al. 2010). Die Detektion sowie die Minimierung dieser Fehler ist Gegenstand aktueller Forschung von Questar3D.
Daran anknüpfend können die TLS-Datensätze auch für den bereits angesprochenen Vergleich mit den großflächigen Drohnen-Aufnahmen herangezogen werden. Mit dem Asctec Falcon-8 können Bilder des Untersuchungsgebiets aus beliebiger Höhe und mit variablem Einfallswinkel aufgenommen werden. In der kommerziellen Software Agisoft wird bei genügender Überlappung der Fotos automatisch aus den ursprünglichen 2D-Luftbildern eine 3D-Punktwolke erzeugt, welche anschließend nach demselben Arbeitsschema wie die LiDAR-Punkte aus den TLS-Aufnahmen zu einem DGM prozessiert wird. Gegen Ende des Projekts wird die Frage in den Fokus rücken, in wie fern die Methode des Terrestrischen Laserscannings, welche vornehmlich für Untersuchungen auf der Lokal- bzw. Hangskala angewendet wird, durch den Einsatz einer Flugdrohne auf die Regionalskala, d. h. auf die ganze Einzugsgebietsgröße erweitert werden kann.
Viele wichtige Reliefparameter wie Exposition, Hangneigung, Einzugsgebietsgröße, etc. können zusätzlich aus den DGMs abgeleitet werden. Sogar die Oberflächenrauhigkeit, eine wichtige Kenngröße für die Modellierungen in Erosion 3D, wird für jede Rasterzelle angegeben. Künstliche Oberflächenspülungen mit Beregnungsanlagen werden zum Vergleich der mit den aus LiDAR-DGMs abgeleiteten Rauigkeiten herangezogen. Für die Kalibrierung und Validierung der beiden Modelle ist vorab eine größere Datengrundlage notwendig, als sie zum gegenwärtigen Zeitpunkt gegeben ist. Mit fortschreitender Projektdauer wird dadurch das Verständnis über den Ablauf der beteiligten Prozesse, ihre Intensitäten und Wechselwirkungen verbessert. Wichtig dabei ist es, durch präzise Aufnahmen das Level of Detection möglichst gering zu halten, um die Spanne, welche nicht in die Analyse einfließt, möglichst klein zu halten.

• Inhaltsverzeichnis
• Seite 1: Einleitung: Bodenerosion als eine schleichende Bedrohung
• Seite 2: Von der Aufnahme des Einzelhangs bis zur regionalen Modellierung: Der Ansatz von Questar3D
• Seite 3: Untersuchungsgebiete: Von der fränkischen Alb bis in die Toskana
• Seite 4: Methodik: Messungen mit neuester Technik
• Seite 5: Erste Ergebnisse und Diskussion
• Seite 6: Literaturverzeichnis