Unterwasser-Kartierung mit bathymetrischem LiDAR

Autor: Reka Vasszi

Schon die antiken Kulturen haben zur Navigation auf See die Wassertiefe gemessen. Heute kennen wir zu diesem Zweck neben Echoloten auf Schiffen auch die Fernüberwachung und Kartierung von Gewässern mittels bathymetrischer LiDAR-Vermessung über luftgestützte Systeme.

Bathymetrische Vermessungen erlauben die Bestimmung der Wassertiefe, die Kartierung der Gewässersohle, die Klassifizierung der Unterwasservegetation und des Lebensraums sowie die Erforschung von marinem Ökosystem, Wasserqualität, Verschmutzungen und hydrodynamischen Prozessen.

Mit der bathymetrischen Produktlinie 4X hat Leica Geosystems eine innovative hochauflösende Technologie zur Kartierung seichter Gewässer und Küstengebiete vorgestellt, deren Punktdichte viermal höher ist als jene früherer Produktgenerationen. Das bathymetrische und topografische LiDAR-System Leica Chiroptera 4X erfasst 140.000 Punkte pro Sekunde bis in eine Gewässertiefe von 25 Metern. Dieser effiziente LiDAR-Sensor zur Küstenvermessung, der eigens zur Erfassung genauerer Daten für die Umweltüberwachung und Forschung sogar in trüben Gewässern konzipiert wurde, hat sich bei der Kartierung der Halbinsel Cape John in Kanada und der Tonga-Inseln im Pazifik bereits bewährt.

Verbesserte Erfassung flacher Gewässer

Dr. Tim Webster, Forscher bei der Applied Geomatics Research Group (AGRG) des Community College Nova Scotia, war einer der Ersten, der den neuen Chiroptera 4X einsetzte, und zwar zur Vermessung der Küste der Halbinsel Cape John in Kanada.

Die Kartierung von flachen Gewässern und Küstengebieten mit herkömmlichen Luftbildaufnahmen kann teuer, zeitaufwändig und aufgrund von Wasserverunreinigungen sehr schwierig sein. Um solche Schwierigkeiten zu vermeiden, Produktivität und Datengenauigkeit zu erhöhen, entschied sich Webster für den Einsatz des bathymetrischen und topografischen LiDAR-Systems Chiroptera 4X in seiner Geomatikforschung.

Mit seinen Forschungen verfolgte er zwei Ziele. Zum einen kartierte das Team den Lebensraum am Gewässerboden und die bestehende Aquakultur in der Bucht (einschließlich der Infrastruktur für die Krustentierzucht und der Bojen zur Schätzung der produzierten Menge an Biomasse).

Zum anderen sollte ein hydrodynamisches Modell entwickelt werden, um nach geeigneten Standorten zur Anlage neuer Austernfarmen in der Bucht zu suchen, die das Wachstum des empfindlichen Seegrases (Zostera marina) nicht beeinträchtigen. Die Seegraswiesen sind wichtig für Sedimentablagerungen und dienen als Kinderstube für zahlreiche Fischund Krustentierspezies. Damit bilden sie für die Bundesbehörde Fisheries and Oceans Canada (DFO) einen Indikator für die Gesundheit des Ökosystems.

2014 hat Webster mit dem Leica Chiroptera II in den kanadischen Seeprovinzen ähnliche Forschungsarbeiten zur Optimierung der Datenerfassung und Auswertung von in seichten Gewässern erfassten topografisch-bathymetrischen LiDAR-Daten durchgeführt. Dieses Mal hatten der Professor und sein Team die Möglichkeit, den neuen Chiroptera 4X zu nutzen und die Ergebnisse mit jenen von 2014 zu vergleichen. Um die Verbesserung der Punktwolkendichte und Zielerkennung des neuen Chiroptera 4X zu quantifizieren, nahm das Team eine Gegenüberstellung der Daten von drei verschiedenen Instrumenten vor:

• Chiroptera II
• Chiroptera 4X
• Mehrstrahl-Echolot

Für dieses Experiment wurden vier jeweils einen Kubikmeter große Würfel in unterschiedlichen Wassertiefen vermessen, um die Daten und den Detaillierungsgrad der verschiedenen Sensoren zu vergleichen.

Beim Überfliegen der Bucht mit dem Chiroptera 4X sammelte das Forschungsteam Informationen über die Vermessungsziele und glich sie mit den Daten des Geländes und des Gewässerbodens von 2014 und 2018 ab. Anhand der vier Würfel und anderer Ziele, die mit den drei verschiedenen Vermessungsmethoden erfasst worden waren, verglichen die Forscher:

• Punktwolkendichte
• Orthofotomosaiken
• Digitale Höhenmodelle
• LiDAR-Amplitude

Die Analyse der erfassten Daten erfolgte mit der speziellen Bathymetrie-Software Leica Survey Studio (LSS). Mit LSS werden aus den gemessenen Daten Punktwolken generiert, Klassifizierungen vorgenommen und zusätzliche Informationen aus der Wellenform der Laserstrahlen gewonnen.

„Dieses Experiment diente der Analyse der Genauigkeit und des Detaillierungsgrads des Chiroptera 4X. Die Ergebnisse sprechen für sich“, berichtet Webster. „Sie zeigen eine erhebliche Erhöhung der Punktdichte im Vergleich zu den anderen Messverfahren, genauere Details, und ermöglichen eine bessere Klassifizierung von Punkten am Gewässerboden.“

Durch die Nutzung des Nahinfrarot-Lasers des Chiroptera 4X für die Sammlung topografischer Daten in Kombination mit einem grünen Laser für die bathymetrische Datenerfassung gelang es dem Forschungsteam, Unterwasserobjekte präzise zu erfassen und Höhenmodelle des Gewässerbodens zu generieren. Außerdem schlugen die Forscher Standorte für die nachhaltige Bewirtschaftung von Austernfarmen vor, welche die Seegraswiesen unbeeinträchtigt lassen.

„Der aktuelle Chiroptera 4X bringt einen entscheidenden Durchbruch hinsichtlich der Punktdichte und verbessert die Auflösung unserer Küstenkartierung“, lobt Webster. „Bei jeder Anwendung, bei der die Zielerkennung von Bedeutung ist, bietet der Chiroptera 4X in Disziplinen wie Hydrografie und Archäologie einen Zusatznutzen.“

Sichere Navigation durch den Pazifik

Der Pazifik ist eine Region, die durch extrem hohe, kulturelle Diversität geprägt ist. Davon zeugen schon die über 1.000 Sprachen, die in seinem Einzugsgebiet gesprochen werden. Was all diese Völker und ihren gemeinsamen Lebensstil eint, sind das Meer und die Küste. Wirtschaft, Verkehr und Kultur der Anrainer der pazifischen Gewässer sind auf die marine Infrastruktur und das Ökosystem des Ozeans angewiesen. Obwohl die Seefahrt im Südpazifik eine wichtige Rolle spielt, ist das Gebiet unzureichend kartiert.

Tiefenbereichsdaten flacher Gewässer sind kritisch für die sichere Navigation auf See, aber auch für den Bau von Häfen, Pipelines und anderen Infrastrukturanlagen im Küstenbereich oder in seichten Offshore-Zonen. Das Fehlen präziser Angaben über die Wassertiefe und die exakte Position von Unterwasserobjekten und -schluchten wirkt sich negativ auf die wirtschaftliche und nachhaltige Entwicklung aus.

iXBlue erhielt, gemeinsam mit den Projektpartnern Geomatics Data Solutions (nunmehr Woolpert, Inc.) und EOMAP Australia, den Auftrag, für den Inselstaat Tonga und die umliegenden Gebiete die Wassertiefen präzis zu messen und 3D-Daten des Meeresbodens zu erfassen, um die Seekarten in dieser Region signifikant zu verbessern.

Die Projektabwicklung erfolgte im Rahmen der Pacific Regional Navigation Initiative (PRNI) zur Gewährleistung sicherer, zuverlässiger Schiffspassagen durch den Pazifik bei gleichzeitigem Schutz der Umwelt und Weiterentwicklung der Wirtschaftssysteme der pazifischen Inselstaaten. Gefördert wurde das Projekt vom neuseeländischen Außen- und Handelsministerium gemeinsam mit Land Information New Zealand (LINZ).

Das Königreich Tonga, ein aus 169 Inseln bestehender polynesischer Archipel, erstreckt sich im Südpazifik über eine Länge von ca. 800 Kilometern. Die meisten Arbeitsplätze in Tonga entfallen auf die Land- und Forstwirtschaft sowie die Fischerei. Deshalb können detaillierte Daten über Objekte an Land und in seichten Gewässern die nachhaltige Entwicklung der Inselgruppe fördern.

Angesichts der relativ großen Fläche, die eine hochaufgelöste Vermessung und Kartierung erfordert, suchte LINZ nach einer intelligenten Lösung zur optimalen Ausschöpfung des knappen Budgets. iXBlue, EOMAP Australia und Geomatics Data Solutions entschieden sich für die Anwendung verschiedener Technologien zur Sammlung topografischer und bathymetrischer Daten, darunter:

• Satellite-Derived Bathymetry (SDB)
• Airborne Laser Bathymetry (ABL)
• Mehrstrahl-Echolot
• Gezeitenpegelmessungen und Datumsberechnungen

SDB-Vermessungen sind eine sehr effektive Methode zur Kartierung großer Flächen und Ermittlung von Wassertiefen. Zur Erfassung hochaufgelöster Daten an Land und unter Wasser wurde jedoch die Chiroptera 4X-ALB-Technologie eingesetzt.

Zur Erfassung von Daten für Tonga und Niue einschließlich des Beveridge-Riffs in einem ca. 633 Quadratkilometer großen Gebiet wurde der Chiroptera 4X in einer Cessna 441 angebracht. Die Fachleute von Geomatics Data Solutions sammelten sowohl hochaufgelöste bathymetrische als auch topografische Daten an der Küste und auf See und verglichen die Ergebnisse des Chiroptera 4X mit der SDB.

„Im Vergleich zum Chiroptera II werden mit dem Chiroptera 4X erheblich höhere Punktdichten erreicht. Durch den Einsatz spezieller Algorithmen werden damit zum einen räumliche Informationen mit deutlich besserer Detaillierung gewonnen. Und zum anderen wird so das Risiko minimiert, auf dem Meeresboden befindliche Objekte versehentlich zu entfernen. Anders ausgedrückt, wird dadurch unsere Zielerfassungswahrscheinlichkeit erhöht“, erklärt Carol Lockhart von Geomatics Data Solutions.

Neben den bathymetrischen Daten des Meeresbodens war einer der unerwarteten Vorteile, von denen Geomatics Data Solutions durch die Nutzung des Chiroptera 4X profitierte, die verbesserte Durchdringung der dichteren bathymetrischen Laserdaten an Land. So konnte sogar bei dichtem Bewuchs, der mit dem topografischen Laser nicht zu bewältigen war, der Boden des Geländes komplett erfasst werden.

„Die Verantwortlichen vor Ort erhalten die kompletten Bilddaten und den topografisch-bathymetrischen Datensatz, damit sie die mit dem neuen Chiroptera 4X erfassten Daten neben der Verbesserung der Seekarten auch flexibel für andere Zwecke einsetzen können“, so Lockhart.

Der kombinierte Ansatz mit unterschiedlichen Sensoren hat wichtige Erkenntnisse über alle navigationsrelevanten Objekte und weitere topografische Informationen über die Inseln geliefert. Dank der 4X-Technologie des neuen Chiroptera konnte die Datenerfassung mit dem Vierfachen der Punktdichte, die noch beim Vorgängermodell möglich war, erfolgen.