Die Flachwasser-Bathymetrie hat in den letzten Jahren eine rasante Entwicklung vollzogen und sich in zahlreichen Projekten bewiesen.
Mit grünem Laserlicht können Strukturen mehrere Meter unter der Wasseroberfläche und am Ufer exakt erfasst werden. Bild: AHM
Die Erkundung von Flachwasserbereichen ist potenziell für viele Disziplinen von Interesse: Von der Ökologie über die Hochwasservorsorge und Schifffahrt bis hin zur Unterwasserarchäologie besteht Bedarf an differenzierten topographischen Daten aus Binnengewässern, künstlichen Stauseen und küstennahen Meeresregionen bis zu einer Tiefe von etwa zehn Metern. Da konventionelle hydro-akkustische Methoden (Echolot/ Fächerlot) hier nur begrenzt zum Einsatz kommen können und in der Anwendung insgesamt sehr zeitaufwendig sind, fokussieren sich Forschung und Entwicklung seit einigen Jahren auf den Einsatz von grünem Laserlicht. Dieses ist in der Lage, Wasser zumindest teilweise zu durchdringen, so dass mit entsprechenden Scannern prinzipiell auch Strukturen unter der Wasseroberfläche erfasst werden können. Erste Systeme zum Einsatz in der Tiefsee entwickelte das Militär mit der Zielsetzung, U-Boote aus der Luft zu orten. Die Tiefwasserscanner (Deep Water Bathymetric LiDAR Systems) zeichnen sich zwar durch eine sehr große Eindringtiefe aus, da aber auf der erfassten Fläche nur wenige Punkte gescannt werden, lassen sich kleinere Strukturen nicht zufriedenstellend erfassen. Auch die aus Sicherheitsgründen erforderliche große Flughöhe machen die Systeme für Flachwasser untauglich.
Die Ursprünge
Dass seit einigen Jahren bathymetrische LiDAR Systeme auf dem Markt sind, die für Flachwassergebiete optimiert wurden, ist in erheblichem Maße dem Engagement des Bauingenieurs Frank Steinbacher zu verdanken. Im Rahmen seiner Dissertation im Fachbereich Wasserbau hatte er sich 2006 dieser Herausforderung gestellt: „Die relevanten Veränderungen finden im Flachwasser statt“, erläutert Steinbacher. „Ich fand es unbefriedigend, dass es dafür keine geeignete Erfassungs- und Darstellungsmethoden gab.“ Dabei wollte Steinbacher es keineswegs bei der Theorie belassen, seine Vision war ein praxistaugliches Airborne Laserscanning- System. Der nächste Weg führt ihn daher zum Laserscanner-Hersteller Riegl LMS. Es gelang Frank Steinbacher, den Firmengründer Dr. Johannes Riegl für seine Idee zu gewinnen und noch heute zeigt er sich begeistert über die Unterstützung, die er damals erfuhr. „Da ging es überhaupt nicht um kommerzielle Überlegungen, sondern einfach um die Leidenschaft für diese Technologie“, erinnert sich Steinbacher. Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Universität Innsbruck mit Riegl wurde aufgesetzt, dessen Ergebnis der wohl erste topohydrographische Scanner zur dreidimensionalen Erfassung von Flachwasserbereichen weltweit war.
Erfolgreicher Praxiseinsatz
Heute ist mit dem Riegl VQ-880 G bereits die zweite Generation am Markt. Das kompakte Gerät mit integrierter Full-Waveform-Analyse und Multiple-Time-Around (MTA) Processing arbeitet mit einem sichtbaren grünen Laserstrahl, der von einer starken pulsierenden Laserquelle ausgesandt wird. Zur exakten Positionsbestimmung ist der .RIEGL VQ- 880-G zudem mit einem Highend-GNSS/IMU-System und einer hochauflösenden Kamera ausgestattet und kann um einen Infrarotlaser ergänzt werden, der die Wasseroberfläche erfasst. Bei der AHM AirborneHydroMapping GmbH, die Steinbacher 2010 nach dem Ende des Forschungsprojekts gründete, kommt bei Befliegungen mit dem firmeneigenen Flugzeug neben diesen Sensoren noch eine Wärmebildkamera zum Einsatz.
Da der grüne Laser bei günstigen Bedingungen 50 bis 60 Messpunkte pro Quadratmeter Fläche erfasst, sind die Messdaten sehr detailliert, die Genauigkeit liegt bei unter zehn bis etwa fünf Zentimetern. Damit sind sehr feine Strukturen erkennbar, so dass sich aus den Bildern sehr differenzierte Aussagen ableiten lassen – nicht nur zur Gewässersohle und den Wasseranschlagflächen, sondern beispielsweise auch zur Vegetation in den Uferbereichen. „Neben der hohen Qualität der Ergebnisse ist auch der geringe Zeitaufwand ein Argument für die Befliegung mit dem bathymetrischen Laser“, ergänzt Frank Steinbacher. Die Erfassung von rund 40 Kilometern Flusslauf der Elbe am Klödener Riss etwa habe fliegerisch rund zwei Stunden beansprucht.
Anhand der Befliegungsdaten können detailierte 3D-Modelle (links) und fein aufgelöste Luftbilder mit Zusatzinformationen generiert werden. Bilder: AHM
Die Eindringtiefe des Lasers kann bis zu zehn Meter erreichen, dabei spielen natürlich Faktoren wie die Wassertrübung, aber auch die meteorologischen Rahmenbedingungen (Luftfeuchtigkeit, Niederschlag etc.) eine entscheidende Rolle. „Schwebstoffe in Fließgewässern oder im Meer beeinträchtigen zwar die Sicht des Lasers“, erläutert Steinbacher. Mit entsprechender Erfahrung und Planung könne man aber dennoch sehr gute Ergebnisse erzielen. So habe sich beispielsweise gezeigt, dass der Laser sehr gut eindringe, wenn sich ein Hochwasser gerade zurückzieht oder im Meer Ebbe herrscht. Sein Fazit: Viele Flüsse und Känale können mit dem Verfahren komplett erfasst werden, gleiches gilt für den erweiterten Küstenbereich des Meeres. „Bei der Erkundung von natürlichen oder künstlichen Seen von über zehn Metern Tiefe etwa kann die sehr aufwändige Vermessung per Schiff und Echolot auf die Tiefwasserbereiche beschränkt werden“, sagt Steinbacher.
So ging man beispielsweise auch bei der Neuvermessung des Bodensees vor, die zwischen 2012 und 2015 unter Federführung der Internationalen Gewässerschutzkommission für den Bodensee (IGKB) und des ausführenden Instituts für Seenforschung Langenargen (ISF) der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz Baden-Württemberg (LUBW) durchgeführt wurde. Ein Fächerecholot an Bord des FS Kormoran kam dabei vor allem in den tieferen Wasserabschnitten zum Einsatz, während Steinbacher und sein Team von AHM mit dem bathymetrischen Laser aus der Luft die Flachwasserzone und die unmittelbaren Uferbereiche vermaßen und Unterwasserobjekte erfassten. Die Erfahrungen aus der Vermessung des „schwäbischen Meers“ konnte das Unternehmen zwischenzeitlich in weitere umfangreiche Binnensee- Projekte einbringen. Auch die Erfassung von Flussläufen – jüngst etwa die Elbe – und Küstenvermessungen finden sich in der Referenzliste des jungen Unternehmens, das inzwischen auf 24 Mitarbeiter angewachsen ist. An Nachfrage mangele es nicht, berichtet Steinbacher, zu dessen Auftraggebern neben Wasser-, Schifffahrts- und Umweltbehörden beispielsweise auch Versorger zählen. Diese nutzen die bathymetrische Erkundung etwa zur Überwachung von Wasserkraftwerken.
Auswertung mit eigener Software
Bei den Befliegungen werden aufgrund der hohen Genauigkeit des Lasers sowie der Verwendung multipler Sensoren zwangsläufig große Datenmengen generiert, die für die weitere Nutzung entsprechend aufbereitet werden müssen. Da Steinbacher mit dem am Markt verfügbaren Systemen nicht zufrieden war, wurde er auch hier selbst aktiv und entwickelte mit seinem Unternehmen eine eigene Software-Lösung unter dem Namen HydroVISH. Die Lösung setzt auf VISH, einem speziellen Visualisierungs- Framework, das ursprünglich aus der Forschung stammt, und sich zwischenzeitlich zu einem durchaus tragfähigen zweiten Standbein von AHM entwickelt hat. Zahlreiche Behörden zählen inzwischen zu den Anwendern, Dienstleistungsaufträge zur Datenauswertung erhält Steinbacher nach eigenem Bekunden inzwischen aus aller Welt.
Auch im eigentlichen Kerngeschäft des Unternehmens, der Flachwasserbathymetrie, geht der Unternehmensgründer von einer weiterhin positiven Marktentwicklung aus. Allein das Bodensee- Projekt habe gezeigt, wie breit und vielfältig das Interesse an den gewonnenen Daten sei. „Das Verfahren liefert einfach so viel genauere Informationen als bisherige Methoden und verbessert natürlich damit auch die Analysen und Planungen, die auf diesen Daten aufsetzen“, erläutert Frank Steinbacher. Er ist überzeugt, dass diese Qualität sich mittelfristig als Standard im Bereich der Flachwassererkundung etablieren wird.