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Lidar-Daten im wasserbaulichen und wasserwirtschaftlichen Umfeld

Gottfried Mandlburger Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung,

TU Wien [email protected]

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) :

http://www.geoland.at/�


ALS Abdeckung Österreich - 2012


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

http://www.geoland.at/�


ALS Genauigkeit


Genauigkeitskontrolle durch 816 Kontrollpunkte:

1

2

3 4

5

6

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

14

16

18

20

22

24

26

12

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)

a b

c d


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

13/14

14/15

15/16

16/17

17/18

18/19

19/20

12/13

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)

[m]

1.5m Schönbrunn 2005 Str 8/9

Streifen 1 Streifen 2


Streifendifferenzen: Details (Häuser)

24/25

25/26

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.

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_177262.pdf�

http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_177262.pdf�


Verbesserte Georeferenzierung der Flugstreifen


Graben Uferböschung

2-fach überhöht 2-fach überhöht


Geländekanten aus ALS


Daten: Main, BfG

600m

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

600m

Schummerung 1m-DGM




Daten: Main, BfG

600m

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)

41

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

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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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