Untersuchung zur flächenhaften Erfassung von Schneehöhen durch terrestrische Photogrammetrie und Laserscanning

Bachelorarbeit am ifp - Stefan Foof

Stefan Foof

Untersuchung zur flächenhaften Erfassung von Schneehöhen durch terrestrische Photogrammetrie und Laserscanning

Dauer der Arbeit: 4 Monate
Abschluss: Juni 2015
Betreuer: Dipl.-Ing. Alessandro Cefalu
Prüfer: apl. Prof. Dr.-Ing. Norbert Haala


 

Motivation

Der alpine  Lebensraum birgt für vermessungstechnische Arbeiten aufgrund seiner geographischen Eigenschaften  gewisse Schwierigkeiten, was jedoch die Bedeutsamkeit der Vermessung keinesfalls mindert, da sie  unter anderem für Klimaforschungen, Hochwasser- und Lawinenschutz unerlässlich ist. Für Forschungsarbeiten des Instituts für Meteorologie und Klimaforschung sollen Verfahren getestet werden, die es ermöglichen, beschneite Flächen zu erfassen und die Schneehöhe visuell darzustellen. Bei den in dieser Arbeit untersuchten Verfahren handelt es sich um das terrestrische Laserscanning und die terrestrische Photogrammetrie.

Vorgehensweise

Als Testgebiet stand die Kührointalm im Berchtesgadener Nationalpark zur Verfügung. Ziel dieser Arbeit ist es zu untersuchen, ob es mittels terrestrischem Laserscanning und terrestrischer Photogrammetrie grundsätzlich möglich ist, die Schneehöhen der Alm flächenhaft zu erfassen und darzustellen. Das Gebiet wurde durch drei Standpunkte L1 – L3 mit dem institutseigenen Leica P20 Scanner erfasst (Abb. 1). Zur Georeferenzierung der Scans dienten die vier Passpunkte P01 – P04, die mittels GPS vor Ort eingemessen wurden. Die photogrammetrische Erfassung erfolgte aus nordöstlicher Richtung der Alm von der Hütte aus mit der Nikon D800E Spiegelreflexkamera, unter Verwendung zweier Objektive mit 20mm und 85mm Brennweite, für die sich die beiden farblich markierten Bereiche in Abbildung 1 ergaben, in denen sich die verwendeten Zieltafeln T01 – T24 groß genug abbilden ließen (20mm = blau; 85mm = rot).

Lageplan der Kührointalm
Abb 1: Lageplan der Kührointalm

Die drei Einzelscans können mit Hilfe der 24 Zieltafeln sowie der vier Passpunkte zunächst zu einer Punktwolke verknüpft werden, die anschließend mit den Ergebnissen der GPS – Messung mit einer Genauigkeit von 1,9cm georeferenziert wird. Zur Darstellung der Schneeoberfläche werden alle irrelevanten Objekte wie Bäume oder etwaige Ausreißer entfernt, sodass die resultierende Punktwolke nur noch die erfasste Schneeoberfläche der Alm darstellt (Abb. 2).

Georeferenzierte Punktwolke der Schneeoberfläche
Abb 2: Georeferenzierte Punktwolke der Schneeoberfläche

Die Koordinaten der 24 Zieltafeln T01 – T24 können in der Punktwolke des Scans gemessen und zur Orientierung und Georeferenzierung des Bildverbandes genutzt werden. Unter einer Objektgenauigkeit von 1,3cm und einer Bildmessgenauigkeit von 0,2 Pixeln wird aus den Bildern beider Objektive die Punktwolke der Kührointalm erzeugt (Abb. 3).

Dichte Punktwolke der Kührointalm aus beiden Bildverbänden
Abb. 3: Dichte Punktwolke der Kührointalm aus beiden Bildverbänden

Ergebnisse und Fazit

Zur Berechnung der Schneehöhen wird ein Referenzmodell benötigt, das in Form eines digitalen Geländemodells vom Nationalpark Berchtesgaden zur Verfügung gestellt wird. Da dies nur in Gauß-Krüger-Koordinaten vorhanden ist, muss es in UTM-Koordinaten transformiert werden, da sich die erzeugten Punktwolken der Alm ebenfalls auf das UTM-System beziehen. Die Lagetransformation wird in ArcMap durchgeführt, wohingegen die Höhentransformation in diesem Fall um einen pauschalen Wert erfolgt. Durch Vermaschung des DGM wird eine Referenzfläche erzeugt, mit der die Punktwolken in CloudCompare verglichen und somit die Schneehöhen flächenhaft berechnet werden können. Abb. 4 zeigt die Visualisierung der Schneehöhen der Kührointalm aus dem Laserscan.

Darstellung der Schneehöhen aus dem Laserscan
Abb. 4: Darstellung der Schneehöhen aus dem Laserscan

Bis auf einzelne Ausreißer zeigen Vergleiche aus dem Scan mit vor Ort gemessenen Stichproben zentimetergenaue Angaben der Schneehöhe, auch ist es durch eine genügende Anzahl an Standpunkten möglich, das komplette Gebiet zu erfassen. Der Vergleich der Punktwolke aus dem Bildverband mit dem DGM zeigt aufgrund des lückenhaften Modells nur wenig Informationen über die Schneehöhe (Abb. 5), da der Aufnahmewinkel in diesem Projekt zu flach war und die Schneeoberfläche der Alm nur wenig Textur aufzuweisen hatte.

Darstellung der Schneehöhen aus dem Bildverband
Abb. 5: Darstellung der Schneehöhen aus dem Bildverband

Ein Vergleich der beiden erzeugten Punktwolken aus Bildern und Scan zeigt, dass der etwas steiler ansteigende Hang der Kührointalm, der aufgrund von Verwehungen auch mehr Textur aufzuweisen hatte als das unberührte Schneefeld, in der Bildpunktwolke die gleiche Schneehöhe ausgibt wie in der Scanpunktwolke. Somit ist es prinzipiell möglich, Schneeflächen mit ausreichender Textur und einem genügend großen Aufnahmewinkel auch terrestrisch-photogrammetrisch zu erfassen.

Will man ein Gebiet jedoch mit gleicher Qualität wie die des Laserscannings photogrammetrisch vermessen, müsste ein Rundum – Bildverband erzeugt werden, was sich aufgrund der erschwerten Zugänglichkeit von alpinen Gebieten als unvorteilhaft erweisen kann. Somit bietet sich im terrestrischen Aspekt  hinsichtlich der Messgeschwindigkeit sowie der Qualität der Messdaten bei der Erfassung von Schneeoberflächen das terrestrische Laserscanning als Verfahren an. Betreffend der photogrammetrischen Aufnahme ist hier auf die Luftbilderfassung zurückzugreifen, da diese aufgrund der Messkonfiguration genauere Ergebnisse liefert und zudem in kurzer Zeit größere Bereiche abdecken kann.

 

Ansprechpartner

Dieses Bild zeigt Norbert Haala

Norbert Haala

apl. Prof. Dr.-Ing.

Stellvertretender Institutsleiter

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