Das Erdinnere in 3D

Gastbeitrag der Europäischen Weltraumorganisation für den Reporter

Als Kind hätte sich Tommaso Santagata – heute Höhlenforscher und Fachmann für die 3D-Kartierung von Höhlen – nie träumen lassen, dass er eines Tages brandneue, hochgradig innovative 3D-Scanning- Technologien für die Erforschung des Weltalls testen würde. 2017 verbrachte er im Rahmen des Feldforschungsprojekts PANGEA-X (Planetary ANalogue Geological and Astrobiological Exercise for Astronauts) der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) fünf anstrengende Tage mit der Kartierung einer Lavaröhre auf der zu Spanien gehörenden Kanarischen Insel Lanzarote. Während die ersten Ergebnisse dieses einmaligen Forschungsvorhabens hereinkamen, hat der abenteuerlustige Höhlenwissenschaftler den weltweit größten 3D-Scan einer Lavaröhre erstellt.

Zusammen mit den Geologen Umberto Del Vecchio und Marta Lazzaroni hat Santagata das Lavaröhren-System für ein Projekt im Auftrag der Inselregierung von Lanzarote und der Universität Padua (Italien) vermessen. Das Ergebnis ist eine höchst detaillierte, beinahe lebendige Karte, welche die örtlichen Institutionen beim Schutz und der Bewahrung dieses einzigartigen Naturdenkmals unterstützt. Die Daten liefern außerdem eine Basis für die wissenschaftliche Untersuchung der Entstehung der Lavaröhre und ihrer eigentümlichen Formationen.

Das Gelände

Ziel der PANGEA-X-Expedition war die Lavaröhre „La Cueva de los Verdes“ auf der Kanarischen Insel Lanzarote. Mit einer Gesamtlänge von ca. acht Kilometern ist sie einer der weltgrößten vulkanischen Höhlenkomplexe. In der Höhle gibt es sowohl trockene als auch unter Wasser stehende Abschnitte.

Der sechs Kilometer lange trockene Teil der Lavaröhre hat entlang ihres Verlaufs nach oben hin Öffnungen, die von den Einheimischen als Jameos bezeichnet werden, und durch die Tageslicht in die Höhle fällt. Einige der Höhlen sind groß genug, um Platz für komplette Straßen samt Häusern zu bieten.

Die Gesteinsformationen sind jenen auf dem Mond ähnlich. Da die Höhlen unter der Erdoberfläche liegen, bieten sie außerdem guten Schutz vor Strahlung. Deshalb eignet sich Lanzarote hervorragend für die Ausbildung von Astronauten und die Simulation von Aktivitäten zur Weltraumerkundung.

3D-Kartierung einer Höhle - wozu?

Nach der Entdeckung einer neuen Umgebung ist die Kartierung immer der erste Schritt zur Erkundung. Dies gilt auch für Weltraummissionen, die zu anderen Planeten führen, und bei denen eines der Hauptziele darin besteht, einen geeigneten Ort für ein Basislager auszuwählen.

Lavaröhren bieten eine Umgebung mit konstanter Temperatur, Schutz vor kosmischer Strahlung und Mikrometeoriten und damit einen sicheren Lebensraum für Menschen.

Die präzise Messung der Geometrie von Lavahöhlen erlaubt Wissenschaftlern die Verbesserung ihrer Modelle und schafft mehr Verständnis für Entwicklungen auf anderen Himmelskörpern.

Deshalb ist die Kartierung von Lavaröhren auf der Erde nützlich für die Erforschung des Weltalls. Matthias Maurer, ein Astronaut der ESA, schloss sich der Expedition an, um zwei Geräte von Leica Geosystems zu testen: den Leica Pegasus:Backpack und den Leica BLK360.

Mobile Kartierung

Die Schulung, die Maurer von den Kartierungsexperten von Leica Geosystems für den Pegasus:Backpack erhielt, dauerte gerade einmal 20 Minuten.

Der Astronaut durchwanderte das schwierige Gelände zu Fuß und überprüfte die Messergebnisse laufend auf einem Tablet. Für seine Kartierungsmission beging er die Lavaröhre zuerst in die eine und dann in die andere Richtung, um die bei den beiden Durchgängen erfassten Daten zu vergleichen.

„Die geologische Kartierung durch Abgehen des Geländes mit dem Hightech-Rucksack auf dem Rücken war einfach und effizient. Ich kann mir gut vorstellen, dass der Pegasus:Backpack für künftige Weltraummissionen zum Mond oder Mars in unsere Raumanzüge integriert wird“, wagt Maurer einen Blick in die Zukunft.

Der Pegasus:Backpack synchronisiert die von fünf Kameras und zwei 3D-LiDAR-Oberflächenmessgeräten – das sind radarähnliche Lasersysteme – erfassten Daten. Diese Lösung erlaubt die präzise Kartierung in Situationen, in denen keine Satellitennavigation verfügbar ist, also beispielsweise in Höhlen.

Die Missionen

Um alle im Pegasus:Backpack verbauten Positionierungstechnologien zu testen, führte das Team zwei verschiedene Erfassungsaufgaben damit aus.  Beide Missionen wurden über die Leica Pegasus Manager-Software verwaltet.

Die kombinierte SLAM-Mission wurde im Freien unter guten GNSS-Bedingungen begonnen, dann wurde ins Höhleninnere mit schwierigen GNSS-Bedingungen gewechselt, d. h. sehr schlechte bis gar keine Satellitenabdeckung. Anschließend ging es wieder zurück nach draußen, wo die Mission unter guten GNSS-Bedingungen abgeschlossen wurde. Für diese Mission nutzte das Team verschiedene Positionierungstechnologien: GNSS, Inertialmesssystem (IMU) und SLAM. Die Verarbeitungssoftware erkannte die unterschiedlichen Phasen der Mission automatisch.

Als erste positionsagnostische Kartierungslösung konnte der Pegasus:Backpack Maurers Bewegungen während der Datenerfassung verfolgen und über die IMU 125 Mal pro Sekunde aufzeichnen. Auf diese Art gelang es dem Team, sowohl am Anfang als auch am Ende der Mission eine gute Bewegungsbahn mit maximaler Genauigkeit zu erfassen. Für den Teil des Wegs ohne Satellitenabdeckung musste die Berechnung mittels SLAM-Algorithmus abgesichert werden. In dieser Phase wurden keine Bilder oder Punktwolken generiert. Für den Teilschritt der Mission ohne GNSS-Informationen wurde die im vorhergehenden Schritt erfasste Bewegungsbahn als Ausgangswert zur Anwendung des SLAM-Algorithmus genutzt. Das Ergebnis ist eine verbesserte Bewegungsbahn mit einer Schätzung des Positionierungsfehlers für Punktwolken, Bildausrichtungen und Kugelpanoramen.

Bei reinen SLAM-Missionen handelt es sich in der Regel um Messumgebungen ohne GNSS-Abdeckung, wie Gebäude, Höhlen oder Tunnel. Für diese Art der Datenerfassung genutzte Sensoren sind Kompass, IMU und SLAM Only LiDAR (So LiDAR). Werden die Parameter korrekt gesetzt, sollte sich die komplette Mission mit einem einzigen Klick auswerten lassen. Eine grobe Bewegungsbahn des Pegasus:Backpack wurde anhand von Informationen des Kompasses und des IMU ermittelt. Für die gesamte Mission wurde diese grobe Bewegungsbahn als Ausgangswert zur Anwendung des SLAM-Algorithmus genutzt. Anhand dieser Bewegungsbahn werden Punktwolken, Bildausrichtungen und Kugelpanoramen generiert.

3D-Laserscanning

In Lanzarote entwickelten sich Lavaröhren meist entlang von Tunneln in unterschiedlicher Höhe, wenn sich neue Lava entlang der bei früheren Eruptionen entstandenen Risse und Spalten ausbreitete. Die höheren Ebenen sind nicht immer ohne Kletterausrüstung erreichbar.

Im Rahmen des Lehrgangs CAVES 2016 nutzte das Team Fotogrammetrie – die Generierung präziser Messungen und 3D-Daten aus mindestens zwei Fotos – als sinnvolle Alternative. Bei der Fotogrammetrie sind gute Ergebnisse jedoch nicht immer garantiert – vor allem die Lichtverhältnisse spielen eine wichtige Rolle.

Zur Lösung dieser Probleme wurde während des PANGEAX- Projekts der BLK360 getestet – der kleinste und leichteste Laserscanner am Markt. Er wurde vom Leica Geosystems- Team in vorgegebenen Positionen eingesetzt und erfasste auf Knopfdruck binnen nur drei Minuten 360°-Bilder der gesamten Umgebung. Die Scans wurden anschließend direkt über eine App auf einem Tablet weiterbearbeitet.

In weniger als drei Stunden konnte mithilfe der Daten der beiden Instrumente ein vollständiges 3D-Modell eines 1,3 Kilometer langen Abschnitts der Lavaröhre erstellt werden.

Bei der PANGEA-X-Expedition wurden zwei der neuesten Technologien von Leica Geosystems für eine herausfordernde Mission eingesetzt. Beide Technologien haben wertvolle Informationen und präzise Daten geliefert, mit denen Flächen ohne Satellitenabdeckung in kürzester Zeit kartiert werden konnten.