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Entwicklung regional angepasster Verfahren und Werkzeuge zur Bearbeitung von Laserscannermessungen von Inselgebieten, Watten und Vorländern (2008)

Duration:2004-2008

Kooperation :

Seit einigen Jahren werden Laserscannermessungen auf den Inseln, Strand, Vorland- und Wattflächen eingesetzt, um das Gelände morphologisch detailliert zu beschreiben und um topographische Veränderungen zu erfassen. Letztere verursachen morphologische Veränderungen der Geländestruktur (Abbruchkanten, Priel-, Grüppenverlagerungen etc.) sowie Erosions- und Sedimentationserscheinungen. Die angesprochenen Veränderungen sind äußerst relevant, da sie die Belastung und Funktionalität der Küstenschutzanlagen in unterschiedlichen Zeitskalen unmittelbar beeinflussen und damit eine Gefährdung der betroffenen Gebiete und der dort lebenden Bevölkerung nach sich ziehen können. Deshalb ist die frühzeitige und hochqualitative Erfassung und Dokumentation derartiger Veränderungen eine wichtige Aufgabe des Küstenschutzes. Weiterhin üben diese Veränderungen unmittelbaren Einfluss auf die Sicherstellung des Schiffverkehrs insbesondere im Wattbereich aus.
Durch eine stetige Verbesserung der Laser-Scanner Technik und eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird zunehmend die Möglichkeit in Erwägung gezogen, insbesondere die Peilung oder terrestrische Vermessung von schwer zugänglichen Wattflächen durch Laser-Scanner Methoden zu ergänzen und zu ersetzen.
Weiterhin üben diese Veränderungen mittelbaren (Inselwatten) und unmittelbaren Einfluss auf die Sicherstellung des Schiffverkehrs in den Zufahrten zu den Deutschen Seehäfen aus.
Morphologische Veränderungen der Watten werden daher auch von der Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes erfasst. Die Laserscanner-Technik wird in jüngerer Zeit verstärkt eingesetzt, um im Rahmen angeordneter Beweissicherungsmessungen morphologische Veränderungen in den Trichtermündungen und Ästuaren von Jade, Weser und Elbe zu erfassen. Mittels Laserscanner in Verbindung mit hochauflösenden Flächenpeilungen werden morphologische Daten für die numerische Modellierung der Ästuare zur Beurteilung der Wirkungen geplanter Ausbaumaßnahmen (an Jade, Weser und Elbe) oder der geplanten Optimierung von Strombausystemen (wie an der Ems) bereitgestellt.  
Die von den beauftragten Firmen gelieferten Daten sind vorverarbeitet hinsichtlich der Geometrie und einer Filterung nicht zum Digitalen Geländemodell (DGM) gehöriger Objekte. Es hat sich aber gezeigt, dass diese Daten teilweise fehlerhaft sind. So sind in den Datensätzen Bereiche enthalten, die lokal ein signifikant höheres Rauschen aufweisen. Auch verbleiben Vegetationsflächen in den gefilterten Daten. Zum Beispiel unterscheiden sich die Höhen in dicht bewachsenen Mulden oft nicht signifikant von ihrer Umgebung und werden deshalb aufgrund der Höheninformation allein nicht erkannt.  Weitere Probleme bereitet die Abgrenzung von Land- und Wasserflächen (Wasserlinie), wie auch stehender Wasserflächen im Watt, die aus den Laserhöhendaten allein mit den z. Zt. zur Verfügung stehenden Hilfsmitteln nicht genau genug detektiert werden können.
Bruchkanten und andere Formlinien zur morphologischen Beschreibung der topographischen Veränderungen werden i.A. nicht extrahiert und fehlen zu einer exakten Geländebeschreibung. Zwar sind hier erste Ansätze entwickelt und getestet worden, doch verbleiben Restschwierigkeiten, die eine Automation erschweren. Als Gründe für die Schwierigkeiten können angeführt werden, dass die Dichte der Lasermesspunkte am Boden für die Aufgabe möglicherweise unzureichend ist, und dass die zu detektierenden morphologischen Informationen höhenmäßig tlw. im Bereich des Messrauschens liegen.
Das Verfahren des Laserscanning ist gekennzeichnet von einer hohen zu bewältigenden Datenmenge, wobei sich für die genannten Problemstellungen die Frage nach der notwendige Messdatendichte und damit die Möglichkeit zur Datenreduktion in Abwägung der zu erwartenden Qualitätseinbußen (geometrisch und inhaltlich) ergibt, die in Kauf genommen werden können.
Auf der Basis der genannten Problembereiche soll eine praxisgerechte Strategie und ein den örtlichen Gegebenheiten angepasstes prototypisches Softwaretool entwickelt werden, welches einerseits die genannten Probleme zu lösen hilft, andererseits integrativ in bestehende Softwareumgebungen eingebunden werden kann.

 Das Forschungsvorhaben setzt sich daher zum Ziel

  • eine Verifikation und -aufbereitung der Laserscannerdaten als eine Vorstufe für die weitere Auswertung  in den Fach-Verwaltungen zu ermöglichen
  • morphologische Informationen (z.B. Erosionskanten) möglichst programmunterstützt erkennen  und generieren zu können
  • eine Erkennung von Wasserflächen bzw. der Land-Wasser Grenze zu ermöglichen
  • die Erkennung von vegetationsbedingten Fehlern in Vorland- und Dünengebieten zu erleichtern
  • eine Analyse der Genauigkeit der Daten über Wattflächen inklusive der Ableitung von Qualitätsmerkmalen durchzuführen
  • die Einbeziehung von zusätzlichen Informationen (z.B. GIS-Daten, Multispektralkanäle) für die vereinfachte Erkennung und Bearbeitung von objektbezogenen Untersuchungen zu erproben
  • Möglichkeiten der Datenreduktion zu untersuchen, um die Verarbeitbarkeit der Daten  unter Beibehaltung der relevanten Informationen zu beschleunigen

Publications

Brzank, A.;Göpfert, J.;Lohmann, P. (2005): Aspects of Lidar Processing in Coastal Areas: InArchPhRS. Band XXXVI 1/W3. Hannover, 2005, 6 S., CD | file |

Göpfert, J.;Heipke, C. (2006): Assessment of Lidar DTM accuracy in coastal vegetated areas: IntArchPhRS. Band XXXVI/3. Bonn, 2006, S. 79-85 | file |

Göpfert, J. ; Soergel, U. (2007): Estimation of the Lidar Height Offset in Coastal Vegetated Areas: IntArchPhRS XXXVI. Band 3/W52. Espoo, 2007, S. 156-161 | file |

Goepfert, J.; Soergel, U.; Heipke, C.; Brzank, A. (2008): An approach for filtering Lidar data in coastal vegetated areas using intensity information and multiple echoes: IntArchPhRS. Band XXXVII, Teil B3b-1. Peking, 2008, S. 219-225 | file |

Brzank, A.; Goepfert, J.; Heipke, C. (2008): Morphologic change detection in theWadden Sea from lidar data: IntArchPhRS. Band XXXVII, Teil B8-2. Peking, 2008, S. 647-652 | file |

Brzank, A. ; Heipke, C. ; Goepfert, J. ; Soergel, U. (2008): Aspects of generating precise digital terrain models in the Wadden Sea from lidar – waterclassification and structure line extraction. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 63 (2008), Nr. 5, S. 510-528 more

Goepfert, J. ; Soergel, U. ; Brzank, A. (2008): Integration of intensity information and echo distribution in the filtering process of LIDAR data in vegetated areas: SilviLaser 2008. Edinburgh, 2008, S. 417-426 | file |

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