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Lidar-Daten im wasserbaulichen und wasserwirtschaftlichen Umfeld

Gottfried Mandlburger Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung,

TU Wien gm@ipf.tuwien.ac.at

Workshop – Airborne Hydromapping am 13. Juli 2012

Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld

Inhalt

LiDAR (ALS) Datenverfügbarkeit und Genauigkeit Qualitätskontrolle

• Punktdichte (Laserpulse, Wasser, Boden, Vegetation) • Georeferenzierung (relativ, absolut)

Wasserlauf Geländemodell (DGM-W) • Geländekanten • Wasserflächendetektion (Wasser-Land-Grenzlinie) • Integration von Gewässerbett-Daten • DGM-W Datenreduktion

Anwendungen • Hydraulik, Hochwassergefahrenkarten, Habitatmodellierung, …

Ausblick: • Was bringt der grüne Laser?

13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 2

ALS Verfügbarkeit in A, D und CH

ALS-Datenabdeckung in Österreich (a), Deutschland (b) und der Schweiz (c), Stand: 1. Juni 2010, Daten und Copyright, A: Geoland (http://www.geoland.at), D: BKG (GeoBasis-DE), CH: swisstopo (http://www.swisstopo.ch) :

ALS Abdeckung Österreich - 2012

ALS-Datenabdeckung in Österreich 2012(a), Daten und Copyright Geoland (http://www.geoland.at),

ALS Genauigkeit

Genauigkeitskontrolle durch 816 Kontrollpunkte:

Daten: Magistratsabteilung 41, Wien

Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 12

Streifenweise Punktdichte

Gerade Streifennummern • 12 (Norden) - 26 (Süden)

Pixelgröße

• 5 x 5 m2 (statistisches Maß)

Farbpalette • Rot : 0.00-0.50 Pkt/m2

• Orange : 0.50-0.75 Pkt/m2

• Gelb : 0.75-1.00 Pkt/m2

• Hellgrün : 1.00-1.50 Pkt/m2

• Mittelgrün: 1.50-2.00 Pkt/m2

• Dunkelgrün: 2.00-4.00 Pkt/m2

• Dunkelblau: >4.00 Pkt/m2

Daten: Main, Bundesanstalt f. Gewässerkunde (BfG)

Kachelweise Punktdichte (Ground Points)

Dichte der Bodenpunkte entscheidend für DGM-Qualität

Punktdichte sinkt durch Filterung von Vegetation und Gebäuden und entlang von Geländekanten

Repräsentation von Wasserflächen in ALS (infraroter Laser)

ALS Punktabdeckung an Wasserflächen: a) Alm, b) Krems, c) Thaya und d) Braunau. Daten Amt d. oö. Landesregierung (Alm, Krems), Fa. GeoConsult, Wien (Thaya, Braunau)

ALS Durchdringung von Vegetation I

Kronendach durchdringbar, viele Bodenpunkte

ALS Durchdringung von Vegetation II

Abschattung des Bodens durch Vegetation

Repräsentation von Wasserflächen in ALS (VQ-820-G) I

Ötztaler Ache Daten AHM

Repräsentation von Wasserflächen in ALS (VQ-820-G) II

Ötztaler Ache Daten AHM

ALS Streifendifferenzen

Daten: ALS-Main, Bundesanstalt f. Gewässerkunde

Georeferenzierung: Interpretation der Streifendifferenzen

Relative Orientierung der Daten Wie gut passen die Streifen zueinander? Kontrolle von Konsistenz u. Genauigkeit Differenz benachbarter Streifen Streifendifferenz-Effekte an Gebäuden Farbkodierte Streifendifferenz

VlbgWNO Str 2013/2040 (rotiert)

1.5m Schönbrunn 2005 Str 8/9

Streifen 1 Streifen 2

Streifendifferenzen: Details (Häuser)

21/22 20/21 19/20

Ost-West-Shift

Streifenübergang !

N-S und O-W-Shift Nord-Süd-Shift

Details Punktwolke

Graben Uferböschung

Streifendifferenzen vor Ausgleichung

Streifendifferenzen nach Ausgleichung

OPALS @ WWW

• Download and Doku: http://www.ipf.tuwien.ac.at/opals

• References: http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_177262.pdf G. Mandlburger, J. Otepka, W. Karel, W. Wagner, N. Pfeifer: "Orientation And Processing Of Airborne Laser Scanning Data (opals) - Concept And First Results Of A Comprehensive Als Software"; Poster: Laserscanning 2009, Paris; 09-01-2009 - 09-02-2009; in: "ISPRS Workshop Laserscanning `09", IAPRS, Vol. XXXVIII, Part 3/W8 (2009), ISSN: 1682-1750; 55 – 60.

Verbesserte Georeferenzierung der Flugstreifen

Graben Uferböschung

2-fach überhöht 2-fach überhöht

Geländekanten aus ALS

Daten: Main, BfG

Schummerung 1m-DGM

Geländekanten aus ALS-Punktwolken

Von der ALS Punktwolke …

… zu 3D-Geländekanten

Basiskonzept: Automatische Extraxtion von Geländekanten 3D Geländekantenmodellierung mit Hilfe überlappender analytischer Flächenpaare

Robuste Modellierung: Praktisches Beispiel (ALS) eines Patches

Links: Einteilung in Flächen-Patches Rechts: Geländekanten aus Ebenenverschnitt

Geländekanten aus ALS II

Daten: Main, BfG

Schummerung 1m-DGM

Daten: Main, BfG

Schummerung 1m-DGM

Daten: Main, BfG

Schummerung 1m-DGM

Geländekanten aus ALS, Beispiele

oben: Main (Daten: BfG), unten, Lainsitz (Daten: Fa. GeoConsult)

Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 36

Geländekanten aus ALS, Beispiele

Daten: Lahn (D), BfG

Punktwolke vs. DGM-Raster

Workshop: Airborne Hydromapping

ALS DGM mit Geländekanten

Daten: Main, BfG

Wasserflächendetektion (Wasser-Land-Grenzlinie)

Wasser-Land-Grenzlinie wichtig zur • Trennung aquatischen Bereich und Vorland • Rauigkeitsbelegung • Hydraulische Netzgenerierung

Verschiedene (semi) automatische Methoden • Verschnitt von Flächenmodellen (Mandlburger, 2001) • Ausnutzung von Laserpuls “drop outs” (Höfle et al, 2009) • Segmentierung und Analyse von ebenen Flächen (Dorninger, 2011)

WLG durch Segmentierung (Methodik)

Segemtierungsergebnis im Uferbereich Magenta: Punkte an der Wasseroberfläche

13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping

Aus: Dorninger, 2011: Eine praktikable und genaue Methode zur Bestimmung von Wasser-Land-Grenzen aus Laser-Scanner-Daten

WLG durch Segmentierung (Ergebnis)

Nachbearbeitung: ca. 20%, inbs. bei starker Bebauung

13.07.2012 42 Workshop: Airborne Hydromapping

WLG durch “drop out” Modellierung

Aus: Höfle et al., 2009: Water surface mapping from airborne laser scanning using signal intensity and elevation data

Digitales Wasserlauf-DGM

Perspektivansicht DGM-W; Drau/Kärnten (A), Daten: Fa. GeoConsult, Wien

DGM-W, Drau,, Daten : Fa. GeoConsult, Wien

Perspektivansicht DGM-W; Daten: Saar, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz

Perspektivansicht DGM-W; Main, KW Wallstadt, Daten: BfG, Koblenz

Perspektivansicht DGM-W; Main, Übersicht, Daten BfG

DGM-W; Main, Detail, Häuser ausgespart, Daten: BfG

DGM-W; Main, Detail, Häuser aus DOM, Daten: BfG

DGM-W; Main, Detail, Häuser LOD2 Modelle, Daten: BfG

Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld Workshop: Airborne Hydromapping 52

DGM-Datenreduktion

Motivation • Rasante Sensorentwicklung

→ gestiegene räumliche Auflösung → gestiegene Datenmenge • Abstraktion erforderlich für viele Anwendung und Datenabgabe

Strategie: DGM-Datenreduktion • Input: Gitterpunkte und Linien des hybriden DGM • Max. Höhentoleranz Δzmax (=L∞-Norm) • Max. Punktabstand Δxymax = Δ0

• Mesh refinement (coarse-to-fine approach) • Output: TIN oder reduzierte Punktmenge

13.07.2012

DGM-Datenreduktion

Workshop: Airborne Hydromapping 53

Adaptive TIN-Verdichtung mittels unregelmäßiger Unterteilung

Daten. Drau, Kärnten, Österreich, Fa. GeoConsult

13.07.2012

Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld Workshop: Airborne Hydromapping 54

DGM-Datenreduktion

Originales hybrides ALS-DGM, Gitterweite 2m

13.07.2012

DGM-Datenreduktion

Workshop: Airborne Hydromapping 56

DGM Datenreduktion durch Adaptive TIN-Verdichtung mit unregelmäßiger Unterteilung

Kompressionsrate: 95%

13.07.2012

Geländeform Kompression sehr flach 99 % bewegt 96 % steil 90 % gemischt 95 %

DGM-Datenaufbereitung

Zonen unterschiedlicher Sensibilität für HN-Modellierung • Gewässerbett • Uferböschung • Unmittelbares Vorland • Erweitertes Vorland • Umland

Datenanordnung im Gewässerbett

13.07.2012 57

Unstrukturiertes Gitter Hybrides Gitter

permanent benetzt, Fließrichtung physik. dominant benetzt bei HQ1, Rauigkeiten durch Bewuchs benetzt bei HQ10, nicht parallele Fließrichtung benetzt bei HQ100, geringerer Genauigkeitsbedarf nie benetzt, zur Visualisierung

Workshop: Airborne Hydromapping

Geometrisches Netz versus Hydraulisches Netz • Geometrisches Netz

– reduziertes DGM-W als TIN – Geometrische Kriterien (Δzmax)

• Hydraulisches Netz – Grundlage für FEM Berechnung – Physikalische Kriterien

Gütekriterien für hydraulisches Netz [Ferziger u. Peric, 2002]

• Winkelkriterium (angle criterion) – Angepasst an Fließrichtung (Gewässerbett) – Vermeidung von sehr kleinen und sehr großen Winkeln

• Seitenverhältnis (aspect ratio) – Optimum: < 3 – Anzustreben: < 10 Numerische Probleme

• Ausdehnungsverhältnis (expansion ratio) – Optimum: < 1.2 – Anzustreben: < 3 – Unbedingt: <10 Falsche Ergebnisse

DGM-Datenaufbereitung

Variante W.Min W.Max a.r. e.r. e.r. >10

Hierarchisch 40° 88° 1.7 1.9 0.1%

Unregelmäßig 35° 90° 1.9 3.0 2.2%

13.07.2012 58 Workshop: Airborne Hydromapping

ALS Anwendungsbeispiele in Hydrologie und Hydraulik

Gefahrenzonenkarten Rauigkeitsabschätzung Restauration von Flussgebieten Habitat-Modellierung

Übrerschwemmungskarte Rosenburg a.d. Drau (Kärnten), Daten: Fa. GeoConsult

Überschwemmungskarte Lainsitz

Digitale Überschwemmungskarte von Gmünd (HQ100), Daten: Fa. GeoConsult

Überschwemmungskarte + Maßnahmen

Maßnahmenkatalog zum für den Objektschutz, Daten: Fa. GeoConsult

Hydraulische Rauigkeiten aus ALS I

Aus: Vetter et. al, 2011; ISPRS Laserscanning Workshop, Calgary

Referenzdaten (Landnutzungskartierung)

Rauigkeiten aus ALS

Auswirkung auf HN-Modell

Flussrückbau: Beispiel Kamp (NÖ)

Aus: Hauer, Mandlburger et. al. 2012, Morphologically related integrative management concept for re-connecting abandoned channels based on Airborne LiDAR and habitat modelling River Research and Analysis (in press), Daten GeoNÖ (Land Niederösterreich)

Flussrückbau: Beispiel March (NÖ)

DGM Wasserspiegel

Wasserspiegel +50cm

Wasserspiegel +100cm

Flussrückbau: Beispiel March (NÖ)

Habitatmodellierung March

mesohabitat suitability for indifferent/stagnophilic adult fish guilds

Was bringt der grüne Laser?

Best case: • Erfassung der gesamten DGM-W Geometriedaten in einer einzigen

Messkampagne • Homogene Punktdichte im aquatischen und Vorlandbereich • Detaillierte Erfassung der Gewässerbettmorphologie (auch für Flachwasser) • Zusätzlich: Erfassung der Wasseroberfläche • Keine Daten-Anschlussproblematik (Vorland-Gewässerbett) • Aussagen über Gewässergüte aus Analyse der Wellenform • Größere Punktdichte in Vegetation durch größeren Öffnungswinkel

Voraussetzung: Klares Wasser Moderater Wellengang Moderate Wassertiefe Vegetationsarme Zeit

Keine vollständige Messung der Wassertiefe möglich! Was nun?

80 Workshop: Airborne Hydromapping 13.07.2012

Was bringt der grüne Laser?

Herausforderungen: • Kalibrierung

– Geometrisch: 2 Medien-Fall (Luft-Wasser) – Radiometrisch (Signalsärke, Reflektivität)

• Klassifizierung der Punktwolke – Wasseroberfläche – Gewässerbett – Gewässerpartikel – Boden – Vegetation – Gebäude – Powerlines

• Full Waveform Analyse – asymmetrische Wasser-Echos (Volumsstreuer) – Ableitung von Güte-Parameter

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