Wissenschaftliche Monitoringkonzepte für die Deutsche Bucht (WIMO) (2015)

Teilprojekt: Monitoring der Topographie des Wattenmeeres durch luftgestütztes Laserscanning

Motivation

Aufgrund des globalen Wandels und menschlicher Eingriffe sind Veränderungen in der Nordsee zu beobachten, die bereits weitreichende Folgen für die Ökosysteme nach sich gezogen haben und deren Auswirkungen in den nächsten Jahren im Sinne einer nachhaltigen Entwicklung zu begegnen sind. Elementar für eine nachhaltige Nutzung der Küstengewässer ist es daher, signifikante Umweltparameter und ihre Wirkungsbeziehungen zu definieren, sie regelmäßig und genau zu beobachten und über den Zustand und die Qualitätsentwicklung der deutschen Meeresgebiete zu berichten. Zu diesen Aufgaben trägt das Projekt WIMO in einer Kooperation verschiedener Hochschulen und Institute Niedersachsens, Bremens und Schleswig-Holsteins bei.

Zu den angewandten Fernerkundungsverfahren zählt das flugzeuggestützte Laserscanning, mit dem die trockenfallenden Flächen der Wattgebiete seit einigen Jahren von den für den Küstenschutz verantwortlichen Behörden rund um die Nordsee topographisch vermessen werden. Die Qualität der Geländedaten hängt dabei von einer Reihe variabler Faktoren ab, wie beispielsweise der Bedeckung des Watts mit Restwasser. Lasersignale mit Wellenlängen im nahen Infrarot werden an der Gewässeroberfläche reflektiert, in der Wassersäule hingegen stark absorbiert. Aus diesem Grund kann es in den wasserbedeckten Bereichen zu systematischen Höhenfehlern im Geländemodell kommen, was eine Detektion dieser Gebiete und die Hinzunahme zusätzlicher Information, z.B. in Form von hydroakustischen Daten, erforderlich macht. 

Abb. 1: Ausschnitt des Digitalen Geländemodells (links) sowie der referenzierten Laserscannerpunktwolke mit Wasser- (blau) und Wattflächen (gelb) (rechts)

Zielsetzung

Ziel des Teilprojekts ist es, neuartige Methoden zur automatischen Ableitung eines genauen Digitalen Geländemodells (DGM) zur Beschreibung der Topographie des Wattenmeeres und ihrer Veränderungen aus luftgestützten Laserdaten zu entwickeln. Insbesondere müssen dazu Restwasserflächen, die im trocken fallenden Watt stehen bleiben, automatisch erkannt und entsprechend berücksichtigt werden. Hierfür sollen neuartige Klassifikationsalgorithmen angewandt werden, deren Beitrag auch hinsichtlich einer flächendeckenden Habitatkartierung zu analysieren ist. Zudem erfolgt die Auswertung der gesamten Signalform (Full-Waveform), um geeignete Klassifikationsmerkmale sowie Parameter zur Beschreibung der Rauigkeit abzuleiten. 

Für die Anwendung der Verfahren sind Testgebiete im Wattenmeer der Nordsee mit Projektpartner abgestimmt worden, mit dem Kernziel, aus den kombinierte Ergebnissen Methoden zur automatischen Erkennung von Veränderungen in Wattgebieten der Nordsee zu entwickeln.