Klöntalersee

Auf 848m über dem Meeresspiegel gelegen, inspirierte der Klöntalersee bereits 1655 den Zürcher Künstler Conrad Meyer, die ersten modernen Hochgebirgsdarstellungen zu zeichnen. Seitdem hat der durch einen  Bergsturz entstandene und vom 2900 Meter hohen Glärnisch flankierte, natürliche See Künstler wie Touristen angezogen. Aber nicht nur Dichter und Maler erkannten das Potenzial des 3,3km² großen Sees, der von den umliegenden Gebirgsbächen, wie der Klön gespeist, wird. Bereits 1908 wurde der Klöntalersee am Ostende zwischen Rhodannenberg und Sackberg durch einen Erdwall aufgestaut, um Energie zu erzeugen

Durch den 220 Meter langen und 21,5 Meter hohen Erdschüttdamm verfügt der See über ca. 39,8 Millionen Kubikmeter Wasser, die bei Bedarfsschwankungen und Spitzenlastzeiten in Elektrizität umgewandelt werden können.

Mit dem wegweisenden Ansatz, Hydrographie und Photogrammmetrie zu kombinieren, plante die Karlsruher „IngenieurTeam GEO GmbH“ die Durchführung der Vermessungsarbeiten mit dem Einsatz des Peilboots „Surveyor“, der Industriedrohne Aibot X6 sowie modernster Positionstechnik von Leica Geosystems im Schweizer Kanton Glarus.

Nachdem alle vorbereitenden Maßnahmen, Genehmigungsprozesse und Planungen abgeschlossen waren, reisten die Experten aus Karlsruhe mit dem Peilboot „Surveyor“ an den über 220 km entfernten Stausee im Schweizer Kanton Glarus, um bei regulärem Wasserstand die Sohlensituation zu kartographieren alle Messungen im Schweizer Landeskoordinatensystem „LV03“ festgehalten werden.

Das mit dem Reson SeaBat 8101 Multibeam Fächerecholot ausgestattete 6m lange Vermessungsboot sollte dazu in 172 geplanten Aufzeichnungslinien den Untergrund aufnehmen. Dazu sendet das Echolot in einem Winkel von 150 Grad akustische Signale aus und errechnet anhand der Laufzeit des Echos die Tiefe des Gewässers. Durch die 101 Messstrahlen pro Ping und der Frequenz von 30 Pings pro Sekunde erhalten die Hydrographen eine hochpräzise Abbildung des Untergrunds mit bis zu 3030 Einzelpunkten pro Sekunde. Dank einer Überlappung von einem Drittel der Messfläche wird zudem sichergestellt, dass eine Genauigkeit von unter zehn Zentimetern bei der Messung erreicht wird. Damit Störfaktoren ausgeschlossen und die Ergebnisse korrekt ermittelt werden können, muss die Messanlage genauestens kalibriert werden. Die Sensorik wird dabei so eingestellt, dass sowohl lineare Bewegungen des Schiffes, wie auch Rotationen um die Achsen des Schiffes das Messergebnis nicht beeinflussen. Ein weiterer wichtiger Faktor, um den Grund des Sees richtig zu erfassen, ist die Wasserschallgeschwindigkeit, die sich in Abhängigkeit zu Temperatur und Schwebeteilchen im Wasser ändert und gerade in stehenden Gewässern einen nicht unerheblichen Einfluss auf die Messung hat.

Nachdem das System zu Wasser gelassen und kalibriert wurde, begann die Crew in einer ersten 2,5  Stunden langen Fahrt, sich mit den Begebenheiten des Sees vertraut zu machen und erste Daten zu sammeln. Entlang der geplanten Linien und unter Berücksichtigung des Untergrundes sammelten die Hydrographen an Bord der „Surveyor“ ausreichend Daten um eine Punktwolke aus 134.837.653 Einzelpunkten zu erstellen. Insgesamt war die Besatzung des Peilboots fünf Tage lang damit beschäftigt, die 2.855.204 qm des Klöntalersees aufzunehmen.

Nicht nur die wechselnden Witterungsverhältnisse und klirrende Kälte waren eine Herausforderung für Mensch und Maschine, auch der südlich des Sees gelegene vergletscherte Gebirgsstock Glärnisch stellte die Technik auf die Probe. Mit über 2900 Metern Höhe wirft das Massiv buchstäblich seinen Schatten voraus. So war zu befürchten, dass aufgrund der steil abfallenden Wände am Ufer und der direkten Nähe zwischen Gipfel und See mit einer Verschattung des GPS-Signals zu rechnen wäre. In diesem Fall hätte die Positionsbestimmung des Bootes durch am Ufer aufgestellte Tachymeter stattfinden müssen, welches aufgrund der langgezogenen Nierenform des Sees zu erheblichen Problemen geführt hätte, die Daten des Peilboots exakt zu referenzieren.

Durch den Einsatz der Leica Viva GS 16 GNSS-Antenne auf der „Surveyor“ konnten die mit dem Fächerlot aufgenommenen Daten zentimetergenau ihren Koordinaten zugewiesen werden. Mithilfe der dort verbauten SmartLink-Technologie wäre es der Besatzung selbst dann möglich gewesen hochpräzise Daten aufzuzeichnen, wenn kein GSM-Netz zur Verfügung gestanden hätte, um die Korrekturdaten zu empfangen. Doch dank 550 Kanälen, einer hochmodernen Vermessungs-Engine und modernsten RTK-Algorithmen konnten sowohl die Daten des Peilboots, wie auch die des Aibot X6 UAV genauestens den Messergebnissen zugeordnet werden.

Konstruktionsbedingt sind Ufersituationen schwierig mit dem Fächerlot zu erfassen. Zudem ist die Gefahr groß, den Sensor in flachem Wasser oder schnell ansteigendem Uferbereich zu beschädigen. Um dennoch exakte Ergebnisse für die Volumenkalkulation zu erhalten, vertrauten die Ingenieure auf ihre Erfahrungen mit dem Aibot X6 UAV und entschieden sich, die mit dem Boot nicht sicher zu vermessenden Ufer- und Böschungsgebiete mittels Photogrammetrie zu erfassen.

Nachdem der See bei regulärem Wasserstand vom Boot aus vermessen war, planten die Ingenieure den Einsatz des Aibot X6 UAV. Um die Uferregionen überlappend mit den Messungen des Bootes zu erfassen, war es in der Planung entscheidend, bei niedrigerem Wasserstand zu fliegen. Nachdem der Pegel des Klöntalersees saisonal abgesenkt worden war, begann die Vermessung mit dem Hexakopter von Aibotix.

Dazu planten die Experten des Ing.Team GEO den Flug in der hauseigenen Flugplanungssoftware Aibotix AiProFlight, setzten dort die Wegpunkte für die folgenden Flüge und legten die für die Vermessung geeigneten Parameter wie Flughöhe, Ground Sampling Distance (GSD) sowie Fluggeschwindigkeit und Überlappung der Daten fest. Um das oftmals verwinkelte und steile Terrain des Uferbereiches so exakt wie möglich aufzunehmen, entschieden sich die Experten dazu jeden Bereich mehrmals abzufliegen und so die Aussagekraft der Daten zu erhöhen. Nachdem die Flugplanung am PC abgeschlossen war und die Wegpunkte auf den internen Speicher der Industriedrohne Aibot X6 geladen worden sind und die Ground Control Points (GCP) mit der Leica Viva GS16 um den See eingemessen waren, konnten die ersten Flüge stattfinden.

Auch hier zeigte sich erneut, dass das Vermessen des alpinen Stausees seine ganz eigenen Herausforderungen an Mensch und Maschine stellt. Neben Durchschnittstemperaturen von unter 0 Grad Celsius, schnellen Wetterumschwüngen und tiefhängenden Wolken, war das südliche Ufer des Klöntalersees mit seinen steil abfallenden Gebirgswänden die größte Herausforderung. Durch die Steilwände und den dichten Bewuchs des Ufers musste der Aibot X6 für die Vermessung des Südufers auf dem Messboot gestartet und gelandet werden. Neben der verlässlichen Technik waren dabei besonders das Geschick und die ruhige Hand des Piloten gefragt.

Trotz der widrigen Bedingungen konnte das Team aus Karlsruhe binnen zwei Tagen mit 18 Flügen, den trocken liegenden Uferstreifen mit einer Gesamtlänge von über 12 Kilometern erfassen, um daraus hochpräzise Daten zu generieren. Ein Trigger-Intervall der Kamera von 2 Sekunden und eine Geschwindigkeit von 4 m/s der Drohne stellte dabei sicher, dass die Daten mit höchster Genauigkeit durch die an der fliegenden Multisensorplattform angebrachten Kamera erfasst wurden.

"Dank der schnellen Datenverfügbarkeit des Aibot X6, waren wir in der Lage, bereits erste Ergebnisse vor Ort auszuwerten." - Benjamin Buss, IngenieurTeam GEO

Wie auch bei den Aufnahmen des Peilboots war es für die Genauigkeit der Ergebnisse des Aibot X6 von besonderer Bedeutung, diese genau referenzieren zu können. Dazu nutzen die Experten des IngenieurTeam GEO das Aibot HP GNSS 2 RTK/GNSS-Modul (L1/L2) und die Leica Viva GS16 GNSS-Antenne, welches durch seine robuste Bauart für den Einsatz bei schwierigen Verhältnissen optimiert wurde, um über die Korrekturdaten eine Genauigkeit der Georeferenzierung von 1-3cm herzustellen.

Nach den Messungen begannen die Vermessungsexperten die gewonnenen Daten weiterzuverarbeiten. Die durch das Fächerecholot aufgenommenen Punktwolken mussten in die Peilsoftware PDS 2000 eingespeist und manuell editiert und plausibilisiert werden, um das Ergebnis von Fehlwerten zu bereinigen. Um die Ufergebiete detailgenau in die Volumenkalkulation einfließen zu lassen, wurden alle 4400 hochauflösenden Bilder des Multikopters in Aibotix AiProFlight importiert und dort mit den Koordinaten aus dem Log-File des UAV versehen. Danach wurden die georeferenzierten Daten in der Nachbearbeitungssoftware AgiSoft PhotoScan Pro bearbeitet, um ein dreidimensionales Modell sowie eine Punktwolke zu erstellen. Anschließend wurden die beiden 3D-Modelle in der Autodesk Applikation AutoCAD® Civil 3D zusammengefasst, um ein exaktes Modell der Beschaffenheit des Sees zu generieren. Aus diesem Modell können die Experten für ihre Kunden in zentimeterschritten das vom Wasserstand abhängige Volumen des Sees berechnen.

"Die Kombination der Messergebnisse unseres hochmodernen Fächerecholotsystems und des Aibot X6 erlaubt es uns sehr präzise Daten sehr schnell zu generieren." - Benjamin Busse, IngenieurTeam GEO

Anhand der Daten des 3D-Modells konnten die Ingenieure eine präzise Karte mit Höhenlinien generieren. Dabei zeigten sich die Vorteile der Kombination aus den Datensätzen des Peilboots und denen der fliegenden Multisensorplattform.