Glacier4D: Bestimmung der Änderung der Ausdehnung von Gletschern auf Basis von multi-temporalen 3D Punktwolken

Titel des Projekts

Glacier4D: Bestimmung der Änderung der Ausdehnung von Gletschern auf Basis von multi-temporalen 3D Punktwolken

Förderung / Laufzeit

Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) / 3 Jahre (Start: 01/2021)
Projektnummer: 436500674 (-> GEPRIS)

Beschreibung

In Folge des globalen Klimawandels zeigen Gletscher weltweit signifikante, teilweise massive Veränderungen, die vor allem durch einen Rückzug der Gletscherfront und eine Ausdünnung gekennzeichnet sind, was beides einem Verlust an Eismasse entspricht. Das Gletschermonitoring konzentriert sich oft auf die Messung des Rückzugs (oder Vorstoßes) der Gletscherfront als Indikator für klimatische Veränderungen, der aus monoskopischen Satelliten-, Luft- oder terrestrischen Bildern gewonnen werden kann. Während die Frontlage von Gletschern, die ins Meer oder in einen See kalben, in der Regel gut in Bildern erkannt werden kann, ist die Frontlage von schuttbedeckten oder Blockgletschern oft nur schwer zu erkennen und gehört zu den Hauptfehlerquellen in der Gletscherinventarisierung.

Das Projekt zielt auf die Entwicklung photogrammetrischer Methoden zur zuverlässigen Kartierung schuttbedeckter Gletscherfrontlagen ab. Der Anwendungsschwerpunkt liegt dabei auf Hochgebirgsgletschern, da diese sehr sensibel mit dem Klimawandel interagieren und in einigen Gebieten einen überproportionalen Rückzug aufweisen. Bekannte Verfahren setzen dafür Bildsegmentierungs- und Klassifizierungstechniken unter Einsatz verschiedener Spektralbänder ein, welche in Bezug auf schuttbedeckte Gletscher jedoch nur mäßig gut funktionieren. 

Eine Lösung liegt in der raumzeitlichen Erweiterung des 2D-Bildraums und somit in einem 4D-Ansatz: Während es oft nahezu unmöglich ist, den Rand eines schuttbedeckten Gletschers in 2D-Bildern abzugrenzen, können durch Gletscherrückzug (oder -vorstoß) induzierte Höhenänderungen in multitemporalen 3D-Oberflächenmodellen, erzeugt aus stereoskopischen Bildpaaren, zuverlässig erkannt werden und somit die jeweilig vorherige Randlage. Zur Inventarisierung stagnierender Gletscher wird der Ansatz um das Tracking von Oberflächenmerkmalen erweitert, um Randbereiche durch Segmentierung von statischen und dynamischen Gletscherteilen zu detektieren. 

Die Methoden werden in Bezug auf verschiedene Maßstäbe entwickelt, die von Satellitenbildern mittlerer Auflösung über hochauflösende Satellitenbilder und Luftbilder bis hin zu UAV-Bildern (unbemanntes Luftfahrzeug) reichen. Zur Validierung sind aktuell drei Studiengebiete mit unterschiedlichen räumlichen Ausdehnungen und Charakteristika vorgesehen, wenngleich die Anwendbarkeit der Verfahren nicht auf diese beschränkt sind:

  • Bøverbreen, Jotunheimen National Park (Norwegen)
  • Bellinghausen Dome, King George Island (Antarktis)
  • Aletsch-Gletscher, Alpen (Schweiz)
  • Skeiðarárjökull, Vatnajökull (Island)

Boverbreen, Jotunheimen, Norway - UAV Flight Campaign 2023 © M.Elias

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Virtueller Überflug über ein 3D-Oberflächenmodell des Bellinghausen Domes, King George Island (Antarktis) aus UAV-Daten (03/2019) © IPF

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Schuttbedeckter Rand des Bellinghausen Doms (Schrägaufnahme einer UAV (DJI Mavic Air), 03/2019)
Schuttbedeckter Rand des Bellinghausen Doms (Schrägaufnahme einer UAV (DJI Mavic Air), 03/2019)

Schuttbedeckter Rand des Bellinghausen Doms (Schrägaufnahme einer UAV (DJI Mavic Air), 03/2019) © IPF

Veränderungsdetektion am Bellinghausen Dome, King George Island, mittels zweier 3D Oberflächenmodelle aus UAV Daten (Temporaler Versatz: 03/2019 | 02/2020). Kartierung signifikanter Abnahmen von Gletscher- und Schneeflächen (Einheit: Meter).
Veränderungsdetektion am Bellinghausen Dome, King George Island, mittels zweier 3D Oberflächenmodelle aus UAV Daten (Temporaler Versatz: 03/2019 | 02/2020). Kartierung signifikanter Abnahmen von Gletscher- und Schneeflächen (Einheit: Meter).

Veränderungsdetektion am Bellinghausen Dome, King George Island, mittels zweier 3D Oberflächenmodelle aus UAV Daten (Temporaler Versatz: 03/2019 | 02/2020). Kartierung signifikanter Abnahmen von Gletscher- und Schneeflächen (Einheit: Meter). © IPF

Veränderungsdetektion am Bellinghausen Dome, King George Island, mittels zweier 3D Oberflächenmodelle aus UAV Daten (Temporaler Versatz: 03/2019 | 02/2020). Ko-Registrierung der 3D-Punktwolken und Veränderungsdetektion im Profilschnitt (Einheit: Meter).
Veränderungsdetektion am Bellinghausen Dome, King George Island, mittels zweier 3D Oberflächenmodelle aus UAV Daten (Temporaler Versatz: 03/2019 | 02/2020). Ko-Registrierung der 3D-Punktwolken und Veränderungsdetektion im Profilschnitt (Einheit: Meter).

Veränderungsdetektion am Bellinghausen Dome, King George Island, mittels zweier 3D Oberflächenmodelle aus UAV Daten (Temporaler Versatz: 03/2019 | 02/2020). Ko-Registrierung der 3D-Punktwolken und Veränderungsdetektion im Profilschnitt (Einheit: Meter). © IPF

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Melanie Elias
Letzte Änderung: 27.06.2024