BSH

Messverfahren

Bei der Vermessung bedient sich das BSH verschiedener Methoden. Beim Vertikalecholot wird die Wassertiefe mit einem elektro-akustischen Schallsignal mittels der Zeit gemessen, die zwischen der Aussendung eines Schallimpulses (Wasserschall) und der Ankunft der vom Gewässerboden reflektierten Schallwellen verstreicht (Echo).

Das Fächerecholot dagegen sendet mehrere hundert Messstrahlen. Der Fächer erfasst einen Streifen des Meeresbodens entlang des Messprofiles. Daraus kann ein digitales Geländemodell erstellt werden.

Ein neues Verfahren ist das Flugzeuglaserscanningverfahren (Airborne Lidar Bathymetry) zur Bestimmung der Topographie von Gewässerböden in Gewässern mit geringer bis mittlerer Wassertiefe und geringem Trübungsgrad. Dabei tasten Laserscanner simultan die Wasseroberfläche und den Gewässerboden im grünen Wellenlängenbereich ab.

Messverfahren im Detail

Vertikalecholot

Das Vertikalecholot wird als Messinstrument für die Erfassung größerer Flächen in kurzer Zeit verwendet.

Ein akustisches Signal wird hierzu von einem Sensor zum Seegrund abgestrahlt und die Laufzeit bis zum Eintreffen des Echos gemessen. Je nach verwendeter Frequenz werden so unterschiedliche Bodenhorizonte erfasst.

In der Regel sind die Sensoren hierfür in den Bootsrumpf eingebaut. Durch die Einmessung der Sensoren sind die Lage und Höhe der Sensoren mit der Antennenposition des Satellitenpositionierungssystems verknüpft.

Durch die Verwendung von Korrekturparametern bei der Positionierung über Satelliten-Messverfahren und die Kalibrierung des Echolotsystems mit gemessenen Wasserschallgeschwindigkeiten werden in Echtzeit hochgenaue Positionen in Lage und Höhe für den gemessenen Seebodenpunkt errechnet. So entstehen circa 10 gemessene Bodenpunkt pro Sekunde.



Das Vertikallot wird eingesetzt, um den Seegrund in Profilen zu erfassen. Diese Profile werden in der vermuteten Gefällrichtung des Seebodens angeordnet, um Neigungswechsel gut erfassen zu können. Der Abstand der meist parallel angeordneten Profile ist abhängig von der Geländeunebenheit und der gewünschten Genauigkeit, mit der der Meeresboden erfasst werden soll. Der Vorteil der Vertikallotvermessung ist, dass die Messergebnisse nach Berechnung der oben genannten Korrekturen sofort zur Verfügung stehen. Eine weitere Auswertung in kurzer Zeit ist dadurch möglich, so dass sich dieses Verfahren für die schnelle Erfassung der Seetopographie in größeren Flächen und in Gebieten hoher Veränderlichkeit anbietet. Der Nachteil ist hierbei, dass zwischen den gemessenen Profilen keine gemessenen Informationen vorliegen und deshalb die Genauigkeit und Auflösung der Vermessung gegenüber einer vollflächigen Vermessung etwa mit Fächerecholot sehr eingeschränkt sind.

Fächerecholot

Das Fächerecholot ist eine Weiterentwicklung des Vertikalecholots. Mithilfe des Fächerecholots kann in Abhängigkeit der Tiefe in kurzer Zeit ein breiter Streifen quer zum Schiff am Meeresboden vermessen werden. Das Grundprinzip der akustischen Messung ähnelt dem des Vertikallots. Ein im Schiffsrumpf integrierter Sensor sendet bei diesem Verfahren mehrere akustische Signale in einem Fächer aus und erfasst anschließend die vom Seegrund reflektierten Signale. Über die unterschiedliche Laufzeit der Signale wird die Tiefe des Seegrunds berechnet. Auf der Breite des Fächers werden dadurch gleichzeitig mehrere hundert Datenpunkte pro Sekunde aufgezeichnet. Mithilfe dieses Verfahrens bildet sich ein Geländemodell des vermessenen Seegrunds ab.

Das akustische Signal wird an den Wasserschichten aufgrund ihrer unterschiedlichen Dichte, Temperatur und Salzgehalt gebrochen. Daher werden für die Korrektur der Lage der Messpunkte am Seegrund Wasserschallprofile benötigt. Diese werden mit speziellen Wasserschallsonden vor und nach der Messung erfasst und an die Daten angebracht. Während der Messung erfolgt die hochgenaue Positionierung des Schiffs mittels Satellitenpositionierungssystem. Das Schiffsinertialsystem wiederum erfasst präzise die Lagewinkel (Rollen, Stampfen, Gieren) des Schiffs. Diese hochgenauen Informationen werden an die gemessenen Daten in Echtzeit angebracht. Gemeinsam garantieren diese Systeme hochpräzise Lagekoordinaten der gemessenen Daten.

Die Vermessung des Seegrunds erfolgt mit Fächerecholoten nach Möglichkeit flächendeckend. Dabei werden die Profile so gewählt, das die gemessenen Streifen an den Rändern überlappen, um so die Messungen gegenseitig zu kontrollieren.

Am Bildschirm an Bord baut sich während der Messung das Geländemodell in Echtzeit aus den Messergebnissen auf. Anschließend werden die Daten bereinigt und ausgewertet. Die Auswertung erfolgt in kurzer Zeit für die Seekartenerstellung, kann aber für weitere Verwendungen, wie zum Beispiel für wissenschaftliche Analysen und hochgenaue Darstellungen der Seegrund-Topographie, teilweise sehr aufwändig sein.

Mit Abnahme der Tiefe des Seegrunds verringert sich die Breite des Fächers. Daher wird das Fächerecholot vorzugsweise in tieferen Gebieten eingesetzt. In sehr flachen Wattgebieten findet es hingegen kaum Verwendung. Dort wird mittels Befliegung mit Laserscannern ein Oberflächenmodell der Wattflächen aufgenommen.

Positionsbestimmung

Heutzutage wird die Position der Vermessungsschiffe fast ausschließlich mithilfe von Satellitenpositionierungssystemen bestimmt. Diese Satellitenpositionierungssysteme, auch GNSS bezeichnet, sind durch den frei verfügbaren US-Amerikanischen GPS-Dienst bekannt. Die Genauigkeit eines handelsüblichen GNSS-Empfängers beträgt jedoch ±2-10 Meter. In dieser Form sind diese GNSS-Geräte daher für die Vermessung nur in geringem Maße von Nutzen und werden entsprechend den Vorgaben der IHO lediglich in tiefen, küstenfernen Bereichen genutzt.

Für hochpräzise Messungen im küstennahen und sicherheitsrelevanten Bereich werden professionelle GNSS-Geräte mit sogenannten Echtzeit-Korrekturdiensten (Real time kinematik) genutzt. Die Echtzeit-Korrekturen werden meist mittels Mobilfunk von einer Basis-Referenzstation an das GNSS-Gerät auf dem sich bewegenden Schiff geschickt. Für die Vermessung werden je nach Bedarf eigene temporäre Referenzstationen aufgebaut oder die permanent installierten Referenzstationen des Satellitenpositionierungsdienstes der deutschen Landesvermessung (SAPOS) verwendet. Die empfangenen Korrekturen werden intern umgerechnet und liefern dadurch eine Genauigkeit im geringen Zentimeterbereich.
Die mittels Echolot aufgenommenen Tiefendaten werden in Echtzeit an Bord mit den GNSS-Positionierungsinformationen als auch den Lageinformationen des Schiffes korrigiert, um hochpräzise Tiefeninformationen zu erhalten.

Neue Messverfahren

Neuartige Messverfahren und alternative Messplattformen lassen Vermessungen deutlich effizienter werden. Zu den heute bereits eingesetzten modernen Verfahren in der Seevermessung und Wracksuche gehören etwa die flugzeuggestützte Laserbathymetrie und die Satellitenbilddatenauswertung, wobei diese aufgrund messprinzipbedingter Einschränkungen (wie maximal erreichbare Eindringtiefe in der Laserbathymetrie oder zu erwartende 3D-Koordinatengenauigkeit bei der Satellitenbilddatenauswertung) als komplementäre Messverfahren anzusehen sind. Vollständig ersetzen können Sie hydroakustische Verfahren nicht.

Laserbathymetrie

Das Flugzeuglaserscanningverfahren bestimmt effektiv die Topographie von Gewässerböden in Gewässern mit geringer bis mittlerer Wassertiefe und geringem Trübungsgrad. Das Verfahren basiert auf der simultanen Abtastung der Wasseroberfläche und des Gewässerbodens durch Laserscanner im grünen Wellenlängenbereich. Die Trübung der Nord- und Ostsee beschränkt die Einsetzbarkeit des Messverfahrens derzeit auf den Flachwasserbereich bis maximal circa 10 m Wassertiefe. Laserbathymetrie stellt somit eine Ergänzung zu den bisher üblichen schiffgestützten hydroakustischen Messverfahren dar. Im BSH wird gegenwärtig untersucht, inwieweit Verfahren und Systeme der Laserbathymetrie einen Beitrag zur Seevermessung in küstennahen Gebieten liefern können.

Satellitengestützte Sensoren und unbemannte Plattformen

Satelliten liefern wertvolle Informationen über die Beschaffenheit der Erd- und Meeresoberfläche sowie der Atmosphäre. Satellite-derived bathymetry (SDB) bezeichnet die Extraktion der Gewässerbodentopografie aus Satellitenbilddaten. Für flache Gewässer kann diese durch die Kombination optischer Satellitenbilddaten verschiedener Spektralbänder direkt vermessen werden. Für die Seevermessung im BSH ergibt sich hieraus eine interessante Option: Verfahren der optischen SDB können kontinuierlich in hoher zeitlicher Auflösung Flachwassergebiete bis etwa 10 m Wassertiefe vermessen. Der Vermessungsaufwand ist dabei sehr gering; die extrahierbaren Tiefenwerte sind im Vergleich zu mit hydroakustischen Verfahren akquirierten Daten jedoch weniger genau und zuverlässig. Somit eignen sich satellitengestützt erhobene Fernerkundungsdaten insbesondere zur Planung von Vermessungseinsätze. Durch bessere Kenntnisse über die Veränderungen des Meeresbodens kann die Schiffseinsatzzeit deutlich effizienter priorisiert und Wiederholungsmessungen gezielter geplant werden.

Darüber hinaus wird der Einsatz von unbemannten Messplattformen erprobt. Neben autonom fahrenden Vermessungsbooten (unmanned surface vehicle, USV) und Unterwasserfahrzeugen (unmanned underwater vehicle, UUV) sollen zukünftig auch Flugroboter („Drohnen“, unmanned aerial vehicle, UAV) zum Einsatz kommen. UAV-gestützte Befliegungen liefern durch die Auswertung sich überlappender Farbluftbilder tagesaktuelle Luftbildkarten (Orthofotos). Mit diesen können Einsätze besser geplant werden, insbesondere für stark veränderliche Gebiete wie das trockenfallende Wattenmeer in der Nordsee.

Neu- und Weiterentwicklung

Neben der Untersuchung alternativer Geräteträger für Vermessungen unter besonderen Bedingungen sowie der Erprobung neuer Verfahren in der Seevermessung spielt die Neu- und Weiterentwicklung grundlegender methodischer Ansätze eine wichtige Rolle, um die gestiegenen Anforderungen an die Qualität topografischer Informationen zu erfüllen. In interdisziplinären Kooperationen werden etwa die für eine exakte Berechnung der Wassertiefen notwendigen Schallgeschwindigkeiten modelliert und auf Grundlage von in situ gemessenen Schallgeschwindigkeitsprofilen optimiert. In einem weiteren Vorhaben (www.famosproject.eu) wird die Gezeitenbeschickung mithilfe satellitengestützter Positionierungsverfahren weiterentwickelt. Hierzu wird ein aktuelles (Geoid-)Modell bereitgestellt, welches die Erdanziehungskraft im Bereich der Ostsee genau und zuverlässig beschreibt und für die heutige satellitengestützte Navigation unerlässlich ist.

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