Die Topographie von Gewässern lässt sich aus der Luft mithilfe von Laserscannern messen. Gegenüber dem Echolot oder anderen optischen Verfahren hat die Laserbathymetrie einige Vorteile. Im Forschungsprojekt ACQUA-3D entwickelt ein Team am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM) gemeinsam mit der Universität Stuttgart und mit Anwendungspartnern EOMAP GmbH und Geo Group GmbH ein besonders kleines und leichtes bathymetrisches Messsystem für den Einsatz auf UAV, das speziell bei der Vermessung flacher Gewässer zum Einsatz kommen soll.
Grund-Topographie eines Baggersees in der Nähe von Freiburg: Die laserbathymetrische Punktwolke hat eine sehr hohe Auflösung, sodass Details auch in 3 Metern Tiefe gut erkennbar sind. Foto: Fraunhofer IPM
Die Unterwassertopographie in Küsten- und Ufergebieten gibt Hinweise auf mögliche Hochwasserrisiken oder Umweltveränderungen. Bathymetrische Messungen sind daher ein wichtiges Instrument für den Küsten- und Katastrophenschutz. Je nach Tiefe oder Trübheit des Gewässers werden Gewässervermessungen heute von Schiffen aus mittels Echolot oder optisch von Flugzeugen durchgeführt. Echolot-Messungen eignen sich gut für tiefe, trübe Gewässer. Im Küstenbereich allerdings erweisen sich Sonarmessungen als ineffizient und sind auch nur in schiffbaren Gewässern möglich.
Laserbasierte Bathymetrie-Messungen aus der Luft hingegen erreichen hohe räumliche Auflösungen – auch in flachen, trüben Gewässern. Die Systeme basieren auf der Laufzeitmessung gepulster Laser und werden seit einigen Jahren verstärkt in der Gewässervermessung eingesetzt. Die wenigen am Markt verfügbaren Systeme sind jedoch entweder zu schwer für den Einsatz auf UAV (Unmanned Aerial Vehicles), haben eine zu geringe Eindringtiefe ins Wasser oder schöpfen nicht das volle Potential einer Mehrwellenlängenmessung aus.
Im Projekt ACQUA-3D entwickeln die Forschungspartner daher ein kompaktes Laserbathymetrie-System für die Messung von Unterwassertopographien inklusive speziell angepasster Datenauswertung. Das Multisensor-System mit einem geplanten Gesamtgewicht von unter 3 Kilogramm besteht aus einem LiDAR-Modul und einer multispektralen Kamera. Die Lichtwellenlängen der beiden gepulsten Laser sind so gewählt, dass sowohl Wasseroberfläche als auch Gewässergrund identifiziert werden können. Der Laserscanner soll 100.000 Punkte und 50 Scans pro Sekunde erfassen.
Aus den Messdaten wird mithilfe speziell entwickelter Auswertealgorithmen automatisiert ein Geländemodell inklusive semantischer Klassifizierung von Gelände und Vegetation erstellt. Für Testmessungen nutzt das Forschungsteam eine 40 Meter lange Unterwasser-Messstrecke, die eigens am Fraunhofer IPM eingerichtet wurde. Später soll das Bathymetrie-System in verschiedenen Gewässern sowie am Fraunhofer Ocean Technology Campus in Rostock erprobt werden. (jr)