A-2.3.5 Digitales Geländemodell aus Laserscandaten

1 Einleitung

Die Gründe für die Nutzung eines Digitalen Geländemodells (DGM) aus luftgestützten Laserscandaten („airborne laserscanning“, ALS) ergeben sich aus den Einschränkungen der Luftbildauswertung:

Historische Luftbilder aus der Zeit des Zweiten Weltkrieges und der frühen Nachkriegszeit dokumentieren den aufgenommenen Geländeausschnitt unmittelbar, unverfälscht und realitätsgetreu. Sichtbare Bombardierungseinwirkungen wie Bombentrichter oder Gebäudeschäden geben Aufschluss über das Ausmaß von Kriegsschäden und ermöglichen eine Lokalisierung und Abgrenzung von potentiell kampfmittelbelasteten Flächen. Die Interpretationsmöglichkeiten der Luftbildauswertung sind allerdings ausgeschöpft, sobald die Bodensicht durch Baumbestand, Belaubung, dichtes Unterholz und Schattenwurf eingeschränkt ist. Dort können Erkenntnislücken entstehen, so dass die Aussagekraft über eine potentielle Belastung des Untergrundes mit Kampfmitteln geschmälert wird.

Erfahrungsgemäß bleibt die Geländebeschaffenheit im Wald bei geringem Einfluss durch den Menschen über Jahrzehnte hinweg nahezu unverändert. Unter der Voraussetzung, dass der zu untersuchende Waldbereich seit dem Zweiten Weltkrieg besteht, können anhand eines Digitalen Geländemodells Hohlformen (z. B. Bombenkrater, Laufgräben) bzw. Vollformen (z. B. Bunkeranlagen) aus der Kriegszeit noch heute nachgewiesen werden.

Eine bessere Abgrenzung der bombardierten Flächen im Wald und eine Verifizierung der unsicheren Befunde wird durch die kombinierte Verwendung von historischen Luftbildern und eines Digitalen Geländemodells ermöglicht.

2 Grundlagen

Lidar (Light detection and ranging) ist eine dem Radar sehr verwandte Methode zur optischen Entfernungsmessung mittels Laserstrahl. Hierzu werden Laserpulse ausgesendet und das von einem Objekt reflektierte Licht detektiert. Aus der Laufzeit der Signale wird dann die Entfernung zum Objekt berechnet.

Luftgestützte Laserscanner (ALS) werden in Flugzeugen oder Helikoptern eingebaut und sind optische Systeme zur Vermessung von Landschaftsoberflächen und –strukturen und dienen der Erstellung von digitalen Gelände- und Oberflächenmodellen. Die Scanner registrieren mehrere Reflexionen (und deren Intensität) eines einzelnen Laser-Pulses und sind so in der Lage, z. B. über Waldgebieten sowohl die Baumkronen als auch den Boden zu erfassen.

Abb. A-2.3-2: Verfahrensskizze „Lidar“ (Quelle: Luftbilddatenbank Dr. Carls GmbH)

3 ALS-Datenerfassung

Die Aufnahme mittels Laserscanning erfolgt in mehreren Schritten:

1. Planung der Aufnahme (Flugplanung)

Die Planung des Fluges richtet sich nach den Vorgaben für die Aufnahme. Das Aufnahmegebiet ist vollständig mit der erforderlichen Punktdichte aufzunehmen. Die Aufnahme sollte bei Laub- und Schneefreiheit erfolgen, um auch bei dichtem Bewuchs den Boden entsprechend den Vorgaben erfassen zu können.

Aus den Projektvorgaben (i. d. R. der mittleren gewünschten Punktdichte) und den physikalischen Parametern des eingesetzten Scanners (Aufzeichnungsrate, Zeilenfrequenz, Öffnungswinkel) ergeben sich die Flughöhe sowie der Abstand der einzelnen Flugstreifen.

2. Befliegung (Aufnahme)

Neben den Laserscandaten muss zu jedem Zeitpunkt die Position und Lage des Fluggerätes (in allen drei Raumrichtungen) aufgezeichnet werden.

3. Berechnung der Flugpfade (Trajektorien)

Nach der Aufnahme werden die tatsächlichen Flugpfade aus den aufgezeichneten Positions- und Bewegungsmessungen berechnet.

4. Echoextraktion

Aus den aufgezeichneten reflektierten Signalen werden die eigentlichen Echos extrahiert.

5. Kalibrierung des Aufnahmesystems und Georeferenzierung der Laserdaten

Im Rahmen der Kalibrierung des Aufnahmesystems wird ermittelt, wie die Komponenten des Aufnahmesystems zur Aufnahmezeit zueinander orientiert waren, und es wird eine Reihe von Parametern des Scanners und der Aufnahme ermittelt (Maßstab, Nullpunktverschiebung, atmosphärische Korrekturen).

6. Klassifikation der Laserdaten

Je nach Projektvorgaben werden die Daten nun in verschiedene Höhenklassen eingeteilt (z. B. Boden, niedrige Vegetation, hohe Vegetation, Gebäude, Oberleitungen).

7. Berechnung der Rasterdaten und sonstigen Ergebnisse

Aus den klassifizierten Daten werden regelmäßige, quadratische Raster berechnet, da Rasterdatensätze wesentlich einfacher bearbeitet werden können als Punktwolken.

Abb. 2.3-3: Querschnitt durch eine Punktwolke (Quelle: Daten: NLBL, Darstellung: Luftbilddatenbank Dr. Carls GmbH)

1. Qualitätskriterium digitaler Geländemodelle

Das Qualitätskriterium ist die räumliche Auflösung (Rasterweite) des DGM. Mit steigender Rasterweite des DGM (also abnehmender Auflösung) steigt - ähnlich wie bei kleiner werdenden Maßstäben topographischer Karten - der Grad der Generalisierung der realen Erdoberfläche durch das Modell. Die Höhengenauigkeit der Rasterzellen des DGM ist neben der Rasterweite auch von der Neigungsstärke der realen Erdoberfläche und der Größe der Reliefformen abhängig. Bei zunehmender Neigungsstärke (Steilheit) und kleiner werdenden Reliefformen ist mit einer Abnahme der Höhengenauigkeit des DGM zu rechnen. Kleinformen unterhalb der Rasterweite können natürlich von einem DGM nicht wiedergegeben werden.

2. Verfügbarkeit

Ein DGM 1 (Rasterweite 1 m) wird nicht von allen Bundesländern geführt. Aktuelle Angaben zur Verfügbarkeit in den einzelnen Ländern erteilen die jeweiligen Landesvermessungsämter oder die Arbeitsgemeinschaft der Vermessungsverwaltungen (AdV, www.adv-online.de).

Für einen Erkenntnisgewinn - z. B. bezüglich der Abgrenzung von bombardierten Flächen im Wald - ist ein von den Landesvermessungsämtern bezogenes DGM 1, falls verfügbar, insbesondere wegen der relativ günstigen Beschaffungskosten meist ausreichend.

Eine gesonderte Befliegung (dann am besten mit höherer Auflösung, z. B. Rasterweite 0,2 m) wird aufgrund des relativ hohen Aufwandes nur im Einzelfall in Betracht kommen (Kosten-Nutzen-Betrachtung).

Abb. A-2.3-4: DGM 0,2 und DGM 1 im Vergleich. Oben: Schräglichtschummerung der Originaldaten des DGM (0,2 m Auflösung). Unten: Durch Komprimierung und Glättung der Originaldaten angenäherte Darstellung eines DGM 1 (1 m Auflösung). (Quelle: Daten: NLBL, Darstellung: Luftbilddatenbank Dr. Carls GmbH)

4 Möglichkeiten und Grenzen

Die Lagegenauigkeit von Bodenobjekten im Digitalen Geländemodell ist vergleichbar mit der Auflösung und Präzision eines aktuellen Digitalen Orthofotos. Das DGM bildet u. a. Wege, Abflussrinnen und Flurkanten ab, die in aktuellen Orthophotos von Vegetation verdeckt werden, aber als zusätzliche Passpunkte für die Georeferenzierung von historischen Luftbildern dienen können. Außerdem können Lageabweichungen von bereits georeferenzierten Luftaufnahmen und kartierten Befunden auf Grundlage des Geländemodells korrigiert werden. Potentiell kampfmittelrelevante Befunde, die in den Kriegsluftbildern erkennbar sind, lassen sich anschließend mit den Daten des Geländemodells abgleichen. In einigen Fällen können weitere Bombentrichter ausgewiesen werden, die im Kriegsluftbild aufgrund der eingeschränkten Bodensicht nicht zu registrieren sind. Gegebenenfalls besteht auch die Möglichkeit, einen Kampfmittelverdacht durch das DGM zu entkräften.

Weiterhin besteht durch die Nutzung eines Digitalen Geländemodells die Möglichkeit, Oberflächenanalysen durchzuführen. So geben bspw. Geländeprofile Aufschluss über die Beschaffenheit von Hohl- und Vollformen, und zwar deutlich detaillierter als dies nur über Schräglichtschummerungen möglich ist.

Neben Bombentrichtern können auch militärisch bedingte Hohlformen wie Stellungssysteme und Laufgräben anhand ihrer Querschnitte im DGM identifiziert werden (z. B. schmale Öffnung und steile Wände bei Laufgräben). Das DGM ermöglicht somit eine differenzierte Klassifizierung von Hohlformen, die das Luftbild naturgemäß nicht bietet.

Digitale Geländemodelle stoßen in der Kampfmittelerkundung dort auf Grenzen, wo während der vergangenen 70 Jahre eine anthropogene Überprägung des Geländes erfolgt ist. Hierzu zählen u. a. Ackerbau, Weidewirtschaft, forstwirtschaftliche Maßnahmen, Bautätigkeiten oder militärischer Regel- und Übungsbetrieb. Bombentrichter aus der Kriegszeit können in diesem Fall meist nicht mehr oder nur noch partiell nachgewiesen werden.

Abb. A-2.3-5: Schützenlöcher im Wald; links: Bodenmodell (DGM, also letzte Reflexion des Laser-Pulses); rechts: digitales Oberflächenmodell (DOM, d. h. erste Reflexion, hier: Baumkronen/Vegetation); unten: Querprofil entlang des blauen Pfeils. Die Mulden sind im DOM nicht erkennbar. An der Form ist bereits in der Schummerung erkennbar, dass es sich hierbei nicht um Bombentrichter handelt. Die Senke im NW (links im Profil) könnte zwar von der Form her ein Bombentrichter sein, aufgrund der steilen, scharf dargestellten Ränder ist sie aber erheblich jüngeren Datums (Quelle: Daten: NLBL, Darstellung: Luftbilddatenbank Dr. Carls GmbH).