Digitale Geländemodelle aus Airborne Laserscanningdaten – eine

Digitale Geländemodelle aus Airborne Laserscanningdaten – eine

Digitale Geländemodelle aus Airborne Laserscanningdaten
– eine qualitativ hochwertige Grundlage für glaziologische
Fragestellungen
Thomas GEIST, Armin HELLER und Johann STÖTTER
Dieser Beitrag wurde nach Begutachtung durch das Programmkomitee als „reviewed paper“
angenommen.
Zusammenfassung
Airborne Laserscanning hat sich zu einem leistungsfähigen Standardverfahren für die topografische Geländeaufnahme entwickelt, das sich zahlreiche neue Anwendungsgebiete erschließt. Anwendungen im vergletscherten Hochgebirge sind bisher selten. Im Rahmen des
EU-Projekts OMEGA wurden 14 Datenerfassungskampagnen im vergletscherten Hochgebirge durchgeführt (zehn im Rofental, Ötztaler Alpen, Österreich, und vier am Engabreen,
Svartisen, Norwegen) und damit weltweit ein bisher einzigartiger multitemporaler Hochgebirgs-Datensatz erhoben. Vergleichsergebnisse mit Referenzdaten werden dargestellt und
die Qualität der Daten im Kontext glaziologischer Fragestellungen (z.B. die Quantifizierung
von Flächen- und Volumenänderungen von Gletschern) aufgezeigt. Zukünftige Arbeitsschwerpunkte werden angesprochen und ein Ausblick auf weitere Fragestellungen im
Hochgebirge gegeben.
1
Einleitung
Die topografische Geländeaufnahme mit flugzeuggestützten Laserscanningsystemen (im
Folgenden als Airborne Laserscanning oder ALS bezeichnet) hat sich in den letzten Jahren
zu einem leistungsfähigen und operationell einsetzbaren Verfahren entwickelt, das durch
einen weitgehend automatisierten Messablauf, digitale Datenaufzeichnung und computerbasierte Auswertung gekennzeichnet ist.
Ein Hauptanwendungsbereich von ALS ist die topografische Geländeaufnahme in bewaldeten Gebieten, da aufgrund der hohen Messdichte genügend Punkte die Vegetationsschicht
durchdringen und so eine ausreichende Modellierung der realen Geländeoberfläche zulassen. Daneben gibt es immer zahlreicher werdende Anwendungen im urbanen Bereich, aber
auch im Waldmanagement, Küstenschutz oder Naturgefahrenmanagement (siehe z.B.
ACKERMANN 1999).
Kaum Erfahrung gibt es bisher mit Anwendungen im vergletscherten Hochgebirge. In Europa gab es in den letzten Jahren Messkampagnen am Hardangerjökulen, Norwegen,
(KENNETT & EIKEN 1997) und Unteraarferner, Schweiz (FAVEY et al. 1999). Außerhalb
Europas wurden seit Mitte der 1990er-Jahre ALS-Messkampagnen in den arktischen und
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T. Geist, A. Heller und J. Stötter
antarktischen Polargebieten sowie in Nordamerika (siehe z.B. ECHELMEYER et al. 1996,
SPIKES et al. 2003) durchgeführt.
Das vergletscherte Hochgebirge steht im Mittelpunkt des von der Europäischen Union finanzierten Forschungs- und Entwicklungsprojekts OMEGA (Development of an Operational Monitoring System for European Glacial Areas – Kontrakt EVK2-CT-2000-00069).
Ziel dieses Projekts ist die Evaluierung des Potenzials satelliten- und flugzeuggestützter
Fernerkundungsmethoden für glaziologische Fragestellungen, v.a. im Hinblick auf ein operationelles Gletschermonitoring (PELLIKKA et al. 2001). Ein wichtiger Aspekt ist dabei die
Erstellung digitaler Geländemodelle (im Weiteren als DGM bezeichnet) aus unterschiedlichen Datenquellen sowie deren Vergleich und Bewertung. Neben erprobten Methoden (z.B.
photogrammetrische Auswertung von Luftbildern) werden auch moderne, satellitengestützte
Verfahren (z.B. Erstellung von DGMs aus geometrisch hochauflösenden IKONOS-Daten)
einbezogen.
Im Rahmen des Projektes wurden in den beiden Untersuchungsgebieten in Norwegen (Engabreen, Svartisen) und Österreich (Rofental, Ötztaler Alpen) insgesamt 14 ALSDatenaufnahmen durchgeführt. Somit stehen weltweit einzigartige multitemporale Datensätze aus Airborne Laserscanner Daten im Hochgebirge zur Verfügung. Im vorliegenden Beitrag wird die Qualität dieser Daten (Abdeckung, Höhen- und Lagegenauigkeit) im Hinblick
auf die spezifischen Anforderungen für glaziologische Fragestellungen betrachtet.
2
Datenerfassung und Erstellung der Digitalen Geländemodelle
2.1 Datenerfassung
Die Datenerfassung wurde von der Firma TopScan GmbH, Rheine, Deutschland, durchgeführt. Das verwendete Aufnahmesystem (ALTM – Airborne Laser Terrain Mapper) hat
folgende Hauptkomponenten (Abbildung 1): Laserdistanzmesser, GPS-Empfänger und
Inertiales Navigationssystem (INS). Ein Computer steuert die Einzelkomponenten und speichert die Daten zeitsynchron. Position und Lage des Sensors im Raum werden durch die
GPS- und INS-Messungen festgelegt. Die Laufzeit des ausgesendeten und von einer Oberfläche reflektierten Signals wird gemessen und die Entfernung zum Sensor berechnet. Eine
Scanvorrichtung lenkt den Laserstrahl durch einen Spiegel quer zur Flugrichtung ab, was
ein Z-förmiges Aufnahmemuster entlang des Flugweges zur Folge hat. Bei dem verwendeten Aufnahmesystem wird zusätzlich für jeden Datenpunkt die am Sensor ankommende
Intensität des reflektierten Lasersignals aufgezeichnet. Einen ausführlichen Einblick in die
Technologie bietet ACKERMANN (1999) oder KRAUS (2004).
Abb. 1: Die wichtigsten Komponenten eines ALS-Systems:
GPS-Empfänger, Inertiales Navigationssystem (INS)
und Laserquelle mit Scanvorrichtung
(Quelle: TopScan GmbH, verändert)
Geländemodelle aus Airborne Laserscanningdaten für glaziologische Fragestellungen
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Insgesamt wurden zwischen Oktober 2001 und September 2003 zehn LaserscannerBefliegungen im Rofental (Ötztaler Alpen, Österreich) durchgeführt. Dabei wurde jeweils
die Topografie auf einer Fläche von 36 km2 aufgenommen. Am Engabreen (Svartisen, Norwegen) wurden zwischen September 2001 und Juni 2003 vier Befliegungen durchgeführt,
die aufgenommene Fläche beträgt jeweils 62 km2. Beide Untersuchungsgebiete zeichnen
sich durch hohe Reliefenergie aus (Höhenbereich im österreichischen Untersuchungsgebiet:
2.400 m bis 3.750 m). Sich schnell ändernde Witterungsverhältnisse gestalten die Planung
und Durchführung der Befliegungen äußerst anspruchsvoll.
Im Laufe des Projekts wurde die Erfassung der Daten mit drei verschiedenen Versionen des
ALTM durchgeführt (ALTM 1225, ALTM 3033, ALTM 2050), die sich durch unterschiedliche Messraten (bis 50 kHz beim ALTM 2050) auszeichnen (siehe auch
http://www.optech.on.ca/prodaltm.htm). Bei einigen Kampagnen wurde die LaserscannerBefliegung mit in situ-Messungen und der Erhebung anderer Fernerkundungsdaten (Luftbild, digitale Kamera, IKONOS) synchronisiert.
2.2 Referenzdaten
Für die differentielle Korrektur der im Flugzeug aufgezeichneten GPS-Daten und somit der
Position des Laserscanning-Systems wurden in Österreich Daten (Aufzeichnungsfrequenz:
1 Hz) von zwei GPS-Permanentstationen verwendet (Patscherkofel, Krahberg/Venet). In
Norwegen konnte auf entsprechende Daten einer Permanentstation (Bodø) des staatlichen
norwegischen Positionierungsdienst SATREF zurückgegriffen werden. Zusätzlich wurde
dort bei jeder Befliegung ein weiterer GPS-Empfänger an einem Punkt des nationalen geodätischen Messnetzes betrieben (wahlweise Ørnes und Holandsfjord).
Für die Überprüfung der vertikalen Genauigkeit der Laserscanner-Daten wurden auf Fußballplätzen in der Nähe der Untersuchungsgebiete (in Halsa/Norwegen und Zwieselstein/Österreich) ein gleichmäßiges Punktraster mit einer Rasterweite von etwa 15 m tachymetrisch eingemessen, also etwa 25 Punkte pro Fläche. Die Fußballplätze wurden bei
jedem Messflug überflogen und gescannt. Zusätzlich wurden im norwegischen Untersuchungsgebiet zeitgleich mit einer Befliegung auf dem Gletscher differenzielle GPSMessungen entlang einer Profillinie durchgeführt. Dabei wurde ein Ashtech Z SurveyorEmpfänger verwendet, die Antenne wurde auf einem Schneemobil befestigt.
2.3 Datenverarbeitung
Das Preprocessing der Rohdaten beinhaltet die Integration der Daten aller Systemkomponenten (INS, GPS, Laufzeitmessung des Lasers, Scanwinkel). Das primäre Resultat daraus
sind X-, Y-, Z-Koordinaten im gewählten Bezugssystem (hier WGS 84) für jeden Punkt an
der Erdoberfläche, an dem der Laserstrahl reflektiert wird. Daraus resultiert eine Punktmenge, die die Erdoberfläche im Aufnahmegebiet beschreibt. Eine Zusammenfassung der
durchgeführten Preprocessing Steps bietet WEVER & LINDENBERGER (1999).
Für die weitere Analyse wurde mit dem Softwarepaket SCOP++ aus der vorhandenen
Punktmenge ein DGM als regelmäßiges Raster (GRID) mit einer Zellengröße von 1 m gerechnet. Eine Herausforderung besteht in der großen Datenmenge, die für die Analyse anfällt. Eine Beispielübersicht (Tabelle 1) zeigt ausgewählte Kennwerte für eine Befliegungskampagne im norwegischen Untersuchungsgebiet.
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Tabelle 1:
Ausgewählte Kennwerte für die Befliegung des Engabreen am 24.09.2001.
Die Befliegung wurde mit dem ALTM 1225 durchgeführt, die Messrate beträgt 25 kHz, die Scanrate beträgt 25 Hz.
Gescannte
Fläche
Anzahl der
Flugstreifen
Streifenbreite
62 km2
28
ca. 650 m ca. 900 m
3
Flughöhe
über Grund
Anzahl der
Datenpunkte
(x,y,z;I)
Punktdichte
Abstand
der Datenpunkte
29.572.046
476.968
Punkte
pro km2
1,5 m (Durchschnitt)
Datenqualität
Die Qualität einer digitalen Geländerepräsentation hängt allgemein zunächst von der Genauigkeit der Methode der Gewinnung der Höhendaten (primär- oder Sekundärdaten), der
räumlichen Dichte dieser Punktdaten und schließlich der eingesetzten Interpolationsmethode ab. Je nach Verwendungszweck ist dann in Abhängigkeit des Maßstabs das Datenmodell
der Geländerepräsentation (Punktraster, Flächenraster, TIN etc.) und dessen räumliche
Auflösung zu beachten.
Ziel ist eine einfache, praxisnahe Abschätzung der Qualität der aus Airborne Laserscanning
Daten gewonnenen DGMs im Kontext der Verwendung für glaziologische Fragestellungen.
Von Interesse sind hierbei die Punktdichte und die Punktverteilung sowie die absolute und
(beim Vergleich verschiedener Datensätze untereinander) relative Genauigkeit in Lage und
Höhe.
3.1 Punktdichte und Punktverteilung
Aus dem Abtastwinkel des Scanners (± 20°) und der Messfrequenz ergibt sich zusammen
mit der Flughöhe über Grund, der Fluggeschwindigkeit und dem Abstand der Fluglinien die
Dichte und Verteilung der Messpunkte im Aufnahmegebiet. Ein Beispiel für die in diesem
Projekt realisierte Punktdichte gibt Tabelle 1.
Die visuelle Interpretation zeigt eine gleichmäßige Punktverteilung im Bereich von Felsund Lockermaterialoberflächen sowie in Bereichen mit Vegetationsbedeckung. Auch auf
Eis- und Schneeoberflächen ist die Punktverteilung dicht und gleichmäßig. Lediglich im
norwegischen Untersuchungsgebiet zeigen sich in eng begrenzten Bereichen auf der Zunge
des Engabreen Datenlücken. An diesen Stellen weist das Gletschereis kaum Verunreinigungen auf und zeigt ein ähnliches Reflexionsverhalten wie Wasseroberflächen (starke Streuung und dadurch keine für eine Messung ausreichende Intensität des reflektierten Signals
am Sensor).
3.2 Höhengenauigkeit
Aussagen zur Höhengenauigkeit der digitalen Geländemodelle lassen sich durch einen Vergleich mit den im Projekt verwendeten Referenzflächen machen (siehe 2.2 Referenzdaten).
Geländemodelle aus Airborne Laserscanningdaten für glaziologische Fragestellungen
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Dazu wurde aus den dort tachymetrisch bestimmten Punktkoordinaten eine kontinuierliche
Oberfläche gerechnet und der Z-Wert jeder ALS-Koordinate mit dem entsprechenden Wert
auf dieser Referenzoberfläche verglichen. Die Resultate dieses Vergleichs für die Befliegungen in Norwegen werden in Tabelle 2 dargestellt.
Während der Befliegung des Engabreen am 28.05.2002 wurden zeitgleich GPS-Messungen
auf dem Gletscher durchgeführt (siehe 2.2 Referenzdaten). Die Ergebnisse des Vergleichs
mit dem Laser DGM werden in Tabelle 3 dargestellt.
Tabelle 2:
Vergleich der Z-Komponente der aus Laserscanner-Daten gewonnenen Koordinaten mit der Referenzoberfläche aus Tachymetrie-Daten im norwegischen
Untersuchungsgebiet. Die ersten drei Befliegungen wurden mit dem Optech
ALTM 1225 System durchgeführt, die vierte Befliegung mit dem Optech
ALTM 2033 System, was in einer deutlich höheren Punktdichte und einer
besseren Höhengenauigkeit resultiert.
Flugtag
Anzahl
PD[ =
Laserpunkte [cm]
auf Referenzfläche
PLQ =
[cm]
Arith.
Mittel
=>FP@
Standardabw.
=>FP@
/3PLW_ =_
”FP
24.09.2001
3231
30,0
-31,0
0,3
8,8
99,97 %
28.05.2002
3361
35,0
-25,0
0,2
8,3
99,97 %
23.08.2002
2765
44,0
-28,0
0,7
9,7
99,7 %
29.06.2003
6725
23,0
-18,0
1,6
6,5
100 %
Tabelle 3:
Vergleich von differentiell korrigierten GPS-Koordinaten mit entsprechenden
Z-Koordinaten im Laser DGM. Die GPS-Messungen auf dem Engabreen
wurden zeitgleich mit der Befliegung durchgeführt.
Flugtag
Anzahl
GPS-Messpunkte
0D[ = 0LQ =
[cm]
[cm]
Arith. Mittel Standard=>FP@
DEZ =
[cm]
GPS-Messpunkte mit
_ =_”FP
28.05.2002
5955
30,0
-2,8
99,9%
-32,0
7,6
3.3 Lagegenauigkeit
Nachdem ein Schwerpunkt der fachlichen Datenanalyse auf dem Erkennen und Quantifizieren von Veränderungen im vergletscherten Bereich liegt, ist die relative Lagegenauigkeit
der multitemporal zu betrachtenden Datensätze von besonderer Bedeutung.
Eine anschauliche Möglichkeit zur Evaluierung der Lagegenauigkeit ist der Vergleich mit
klar abgegrenzten Objekten. Abbildung 2 zeigt die Konturen der Alpenvereinshütte Hochjochhospiz, extrahiert aus Laserscanner DGMs, die aus zu unterschiedlichen Zeitpunkten
aufgenommenen Daten erstellt wurden (10.10.2001, 15.06.2002). Für diese Analyse wurden
aus dem DGM Höhenlinien mit einem Intervall von 0,5 m abgeleitet. Dargestellt ist die
niedrigste geschlossene Isohypse (Wert: 2465,5 m in beiden Modellen). Deutlich sichtbar
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T. Geist, A. Heller und J. Stötter
ist die gute Übereinstimmung der Konturlinien (relative Genauigkeit besser 1 m). Lediglich
auf der Südostseite des Gebäudes sorgt der sich dort befindliche Anbau für die „Ausbuchtung“ einer Konturlinie. Bemerkenswert ist auch die gute Übereinstimmung mit dem unterliegenden Orthophoto, das am Lehrstuhl für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU
München unabhängig von den Laserscannerdaten erstellt wurde.
Neben dem Hochjochhospiz befinden sich mit dem Brandenburger Haus sowie der Meteorologischen Station der Universität Innsbruck zwei weitere Gebäude in unterschiedlichen
Höhenstufen des Untersuchungsgebiets (Abbildung 2).
Abb. 2:
4
Konturen der Alpenvereinshütte Hochjochhospiz (links), extrahiert aus dem ALS
DGM vom 10.10.2001 (graue Linie) sowie dem ALS DGM vom 15.06.2002
(weiße Linie). Unterlegt ist ein Orthophoto, das unabhängig von den Laserscannerdaten gerechnet wurde.
Der Überblick auf das österreichische Untersuchungsgebiet (rechts) zeigt die
Standorte der drei Gebäude, die für die Qualitätskontrolle verwendet werden
können: Hochjochhospiz (HH, 2.413 m ü. NN), Brandenburger Haus (BB, 3.274
m ü. NN), Meteorologische Station (MS, 3.020 m ü. NN).
Anwendungen für glaziologische Fragestellungen
Gletscher sind wichtige Wasserspeicher und wertvolle Indikatoren für Klimaänderungen.
Bei der Beobachtung von Gletschern spielen Veränderungen in der Gletschergeometrie und
der Massenbilanz eine Schlüsselrolle. Die Datenerhebung ist in der Regel arbeits- und zeitintensiv in teilweise schwer zu erreichendem und schwer zu begehendem Gelände. Aus
diesem Grund ist der Einsatz von zuverlässigen Fernerkundungsverfahren im gewünschten
Genauigkeitsbereich von Bedeutung. Traditionell nimmt die Luftbildphotogrammetrie eine
unterstützende Rolle bei der Datenerhebung ein (BALTSAVIAS et al. 2001). Allerdings weist
diese Methode starke Limitierungen im Bereich der kontrastarmen Firngebiete von Gletschern auf.
Im Rahmen des OMEGA-Projekts wurden die nutzerspezifischen Anforderungen an topografischen Daten, vor allem hinsichtlich eines operationellen Monitorings von Gletschern,
Geländemodelle aus Airborne Laserscanningdaten für glaziologische Fragestellungen
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zusammengetragen und mit 0,5 m Höhengenauigkeit und 2 m Lagegenauigkeit quantifiziert
(JACKSON et al. 2002).
Ein Beispiel für das Potenzial, das die ALS-Daten hinsichtlich ihrer topografischen Aussagekraft und somit geomorphologischer und glaziologischer Interpretation haben, bietet der
in Abbildung 3 dargestellte Ausschnitt aus dem österreichischen Untersuchungsgebiet.
Aufgrund der geringen Interpolationsdistanz wird die Topografie weitaus besser abgebildet
als mit herkömmlichen Verfahren zur Geländeaufnahme. Selbst Details wie Gletscherspalten verschiedener Größe oder einzelne Eis- und Felsblöcke werden erfasst.
0
Abb. 3:
Konfluenzbereich von Hintereisferner und Langtaufererjochferner. Dargestellt ist
ein Hillshade des 1 m-Grid aus ALS-Daten vom 10.10.2001. Beschriftung: B =
Blöcke, C = Gletscherspalten, D = Eisblöcke, M = Mittelmoräne.
Die Daten dienen als Grundlage für eine Reihe glaziologischer Anwendungen (GEIST et al.
2003). Über die multitemporale Quantifizierung von Flächen- und Höhenänderungen lassen
sich Volumenänderungen berechnen und Massenänderungen ableiten.
5
Ausblick
Aus Airborne Laserscanning Daten lassen sich hochauflösende DGMs mit sehr hoher Qualität für die gesamte Gletscherfläche in kurzer Zeit erstellen. Die dargestellten Resultate
zeigen deutlich, dass Geländemodelle aus ALS-Daten den Anforderungen für wichtige
glaziologische Fragestellungen gerecht werden. Die relative und absolute Lagegenauigkeit
befindet sich im Bereich von <1 m, die absolute und relative vertikale Genauigkeit befindet
sich im Bereich von <0,3 m.
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T. Geist, A. Heller und J. Stötter
Die Abgrenzung von Gletscherflächen, die Darstellung glaziologischer und geomorphologischer Phänomene sowie die Quantifizierung von topografischen Veränderungen kann mit
genügend großer Genauigkeit vorgenommen werden. Dies kommt vor allem im Akkumulationsgebiet von Gletschern zum Tragen, in denen die photogrammetrische Erfassung (durch
Auswertung von Luftbildern) von Gletscheroberflächen aufgrund der meist fehlenden Oberflächentextur nur unbefriedigende Ergebnisse liefert.
Die aufgezeigten Analysen hinsichtlich Datenqualität werden als weiterer Arbeitsschritt mit
allen im Rahmen des Projekts verfügbaren Datensätzen systematisch durchgeführt. Darüber
hinaus wird der Vergleich mit anderen im Rahmen von OMEGA erhobenen Datensätzen
(z.B. photogrammetrische Auswertungen von Luftbildern und terrestrischen Fotografien)
die Möglichkeit für eine weitergehende Beurteilung der DGM-Qualität bieten.
In weiterer Folge wird die Kombination der ALS-Daten mit bildgebenden Daten (z.B. digitale Kamera oder Zeilenscanner) weitere Analysemöglichkeiten für glaziologische Fragestellungen eröffnen. Viel versprechende Perspektiven bietet in diesem Zusammenhang auch
die Auswertung der mit jedem Koordinatenpunkt abgespeicherten Werte für die Intensität
des empfangenen Lasersignals (LUTZ et al. 2003).
Internetverweis
http://www.optech.on.ca/prodaltm.htm [01.02.2004]
Literatur
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