Laserbathymetrie in küstennahen Bereichen der Nordsee

Titel des Projekts

Laserbathymetrie in küstennahen Bereichen der Nordsee

Förderung

Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH)
Projektseite des BSH

Beschreibung

Airborne Laserscanning Bathymetrie (oder auch Laserbathymetrie) ist ein Flugzeuglaserscanningverfahren zur Bestimmung der Topographie von Gewässerböden in Gewässern mit geringer bis mittlerer Wassertiefe und geringem Trübungsgrad. Die Thematik erfährt gegenwärtig großes Interesse, da zum einen neue Sensorentwicklungen die Aufnahme der Topographie von Gewässerböden mit deutlich höherem Detailreichtum ermöglichen und zum anderen EU-Richtlinien die regelmäßige hydrographische Erfassung von Gewässern vorgeben. Angesichts der Eindringtiefe grünen Laserlichts in Wasser (bis ca. 50 Meter bei sehr klarem Wasser) bietet sich die Laserbathymetrie vor allem für Bereiche an, in denen die konventionelle Aufnahme mit Echolotverfahren aufgrund der sich durch die Öffnungswinkel solcher Systeme ergebenden geringen Schwadbreiten ineffizient sind. Durch die Flughöhe eines Flugzeuges über der Wasseroberfläche ergeben sich hier deutliche Vorteile für die Laserbathymetrie.

Einschränkungen der realen Einsetzbarkeit bzw. der erzielbaren Genauigkeit der Laserbathymetrie ergeben sich primär durch zwei Faktoren:

• Wasseroberfläche: Im Gegensatz zum konventionellen Flugzeuglaserscanning ist der Strahlverlauf bei der Laserbathymetrie durch Effekte der Brechung an der Wasseroberfläche und Effekte der Dispersion im Wasser gekennzeichnet. Beide bewirken systematische geometrische Verschiebungen von Bodenpunkten sowie eine Degradation des Signals. Die Verwendung aktueller hochauflösender Bathymetrielaserscannersysteme bedingt neue Konzepte der geometrischen Modellierung, bei denen insbesondere Welleneffekte bei der Modellierung der refraktionsbedingten Strahlverlaufsänderung nicht mehr vernachlässigbar sind. Wellen an der Wasseroberfläche stellen eine räumlichzeitlich variable Trennfläche bei der Strahlbrechung nach dem Snellius’schen Refraktionsgesetz dar. Eine Vernachlässigung der Effekte von Wellen führt zu systematischen und zufälligen Fehlern in der Bodentopographie, deren Größe das prinzipielle Genauigkeitspotential
  der Laserbathymetrie erheblich übersteigt. Die räumlich-zeitliche Modellierung der Wasseroberfläche z.B. durch parametrisierte Wasseroberflächenmodelle bedingt einen erheblichen Mehraufwand, erlaubt aber die Berechnung der Brechung für jeden einzelnen Laserpuls und stellt damit eine Basis für eine signifikante Steigerung des Genauigkeitspotentials dar.
• Gewässertrübung: Der Verlauf der Strahlintensität der Laserbathymetrie nach der Refraktion an der Wasseroberfläche ist durch eine von der Gewässertrübung
  abhängige Absorption und Streuung unter Wasser charakterisiert, die das Echo des Gewässerbodens deutlich abschwächt und damit die Detektion von Gewässerbodenpunkten erschwert. Während das digitalisierte Pulsecho (FWF – full waveform) idealerweise zwei klare Maxima für die Echos von der Wasseroberfläche und vom Gewässerboden aufweisen, wird bei mittlerer oder starker Gewässertrübung das Gewässerbodenecho deutlich schwächer ausfallen und mit Standardverfahren nicht immer zuverlässig detektierbar sein. Hier bietet sich die Anwendung nicht-linearer Waveform-Stacking Techniken an, die es – unter Annahmen über die Stetigkeit des Gewässerbodens – ermöglichen, schwache Bodenechos zuverlässiger zu detektieren und somit die Tiefenreichweite der Laserbathymetrie signifikant zu verbessern.

Die Arbeiten im Forschungsvorhaben haben die Verbesserung des Einsatzpotentials der Laserbathymetrie sowie die dazu erforderliche Absicherung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Laserbathymetriedaten zum Ziel.

© BSH

Relevante Publikationen

• Mader, D., Westfeld, P., Richter, K. & Maas, H.-G. (2022). Laserbathymetrie in küstennahenBereichen der Nordsee: Entwicklung erweiterter Auswerteverfahren und deren Qualitätssicherung. DVW e.V. (Hrsg.):Hydrographie - Messen mit allen Sinnen, 102, 117-126. DVW-Schriftenreihe.
• Mader, D., Richter, K., Westfeld, P. & Maas, H.-G. (2023). Volumetric nonlinear ortho full-waveform stacking in airborne LIDAR bathymetry for reliable water bottom point detection in shallow waters. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 204, 145–162. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2023.08.014

• Mader, D., Richter, K., Westfeld, P., Nistad, J.-G. & Maas, H.-G. (2023). Analysis of the potential of full-waveform stacking techniques applied to coastal airborne LIDAR bathymetry data of the German Wadden Sea National Park. International Hydrographic Review, 29(2), 46–64. https://doi.org/10.58440/ihr-29-2-a31

• Mader, D. (2023). Entwicklung von Full-Waveform Stackingverfahren zur Detektion schwacher Gewässerbodenechos in der Laserbathymetrie [Dissertation]. Technische Universität Dresden. Elektronische (Volltext-)Version

Kontakt

• Dr.-Ing. Katja Richter (Bearbeitung)
• Dr.-Ing. David Mader (Bearbeitung)
• Prof. Dr. habil. Hans-Gerd Maas (Projektleiter)
• Dr.-Ing. Patrick Westfeld (Ansprechpartner BSH)