ALB-Nordsee

Laserbathymetrie in küstennahen Bereichen der Nordsee

Allgemeine Daten

F&E-Vorhaben ALB-Nordsee
Auftraggeber / ProjektträgerBSH
Laufzeit01.07.2021 – 31.12.2024
ForschungsschwerpunktSeevermessung
Projektleitung im BSHDr.-Ing. Patrick Westfeld

Vorhabenbeschreibung

Zur Erfassung der Gewässerbodentopografie kommen routinemäßig hydroakustische Verfahren zum Einsatz, die auf der Messung der Laufzeit eines Schallimpulses beruhen. Die Seegebiete im deutschen Hoheitsgebiet und der Ausschließlichen Wirtschaftszone (AWZ) werden derzeit linienhaft mit Einstrahlecholoten (singlebeam) und flächenhaft mit Fächerecholotsystemen (multibeam) durch fünf BSH-eigene Schiffe sehr effektiv vermessen. Im Flachwasserbereich mit Wassertiefen unter 10 m unterstützen kleinere Vermessungsboote.

Die Bathymetrie der Nord- und Ostsee ist einem stetigen Wandel unterworfen. Insbesondere die küstennahen, flachen Gebiete werden in Folge von Gezeiten und Seegang fortlaufend in ihrer Gestalt verändert. Hinzu kommt, dass die Watten der Nordsee durch ausgeprägte Prielsysteme und Sandbänke strukturiert werden, während die sandigen Küsten der Ostsee von küstenparallelen Transportprozessen dominiert und von Steinen durchsetzt sind.

Vor dem Hintergrund der Optimierung der Schiffseinsatzzeiten als auch stetig wachsender Anforderungen an Qualität und Aktualität der Seevermessungsergebnisse reagiert das BSH als Hydrographischer Dienst Deutschlands durch eine frühzeitige Anpassung der Vermessungsstrategien. Der Einsatz neuartiger Messverfahren und alternativer Messplattformen bietet die Möglichkeit, Vermessungen deutlich effizienter und folglich aktueller zu gestalten. Im Rahmen der Ressortforschung wird deren wissenschaftlich-technisches Potential bewertet und die Überführung in den wirtschaftlichen Wirkbetrieb vorbereitet.

Airborne Laserscanning Bathymetrie (oder auch Laserbathymetrie) ist ein Flugzeug-Laserscanningverfahren zur Bestimmung der Topographie von Gewässerböden in Gewässern mit geringer bis mittlerer Wassertiefe und geringem Trübungsgrad. Hierbei handelt es sich um ein modernes und sehr effizientes Verfahren, welches in der Seevermessung komplementär zur schiffgestützten hydrographischen Vermessung zum Einsatz kommen kann. Laserbathymetrie basiert auf der simultanen Abtastung der Wasseroberfläche und des Gewässerbodens durch Laserscanner im grünen und gegebenenfalls nah-infraroten Wellenlängenbereich.

Der Strahlverlauf bei der Laserbathymetrie ist allerdings 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. Der Strahlverlauf ist weiterhin charakterisiert durch eine von der Gewässertrübung abhängigen Absorption und Streuung unter Wasser. Diese verschlechtern das Signal-Rausch-Verhältnis im digitalisierten Laserpulsecho und erschweren die Detektion von Gewässerbodenpunkten.

Lösungsansätze hierfür liegen in der Verbesserung der Methodik der Auswertung der digitalisierten Laserpulsechos. An dieser Stelle setzt das Forschungsvorhaben an.

Ziele

Ziele des Vorhabens sind die Verbesserung des Einsatzpotentials der Laserbathymetrie sowie die dazu erforderliche Absicherung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Laserbathymetriedaten. Dazu werden auf der Grundlage aktueller Befliegungsdaten des Wattenmeers der deutschen Nordseeküste und zeitgleich zu Validierungszwecken erhobener hydroakustischer Referenzmessungen folgende Arbeiten durchgeführt:

  • Adaption und Validierung des Verfahrens des nicht-linearen Waveform-Stacking unter der Annahme stückweise linearer Gewässerbodenneigung. Ziel ist die Detektion zusätzlicher valider Gewässerbodenechos sowie die Steigerung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Bestimmung der Gewässerbodentopographie bei starker Trübung.
  • Entwicklung und Erprobung von Modellen, die eine Modellierung der Wasseroberfläche aus den Laserbathymetriedaten erlauben und darauf basierend, integriert in das Waveform-Stacking, für jeden Laserpuls die Bestimmung einer Refraktionskorrektur ermöglichen.
  • Entwicklung von Methoden zur automatischen Erkennung und Korrektur von problematischen Situationen an der Wasseroberfläche, beispielsweise hervorgerufen durch brechende Wellen oder Gischt.
  • Entwicklung von Qualitätskontrollschemata.

Projektpartner

Technische Universität Dresden, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, Professur Photogrammetrie:

Die Photogrammetrie beschäftigt sich mit der Extraktion zuverlässiger und genauer dreidimensionaler Informationen aus Bilddaten. Sie verwendet Verfahren der Bildanalyse zur Automatisierung von Messaufgaben und Verfahren der Statistik zur Optimierung von Lösungen. Der Schwerpunkt der Forschung der Professur für Photogrammetrie an der Technischen Universität Dresden liegt in der Integration von Sensorik und Auswerteverfahren zur Entwicklung effizienter Lösungen für neuartige Messaufgaben. Die primär methodisch ausgerichtete Forschung findet Anwendung in vielfältigen Fragestellungen im Bereich des Umweltmonitoring.

Kontakt

Dr.-Ing. Patrick Westfeld +49 381 4563 602