Komplexes modulares System zur Ableitung von Umweltparametern

Prof. Dr. Lutz Bannehr, Prof. Dr. Heinz Runne, Inst. fur Geoinformation und Vermessung, Hochschule Anhalt,
Dirk Hannusch, Sven Jany, Milan Flug GmbH

Kontakt: bannehr@afg.hs-anhalt.de

Der verstärkte Eingriff des Menschen in die Natur erfordert zunehmend mehr die Ableitung von Umweltparametern, um die Prozesse der Natur zu verstehen, irreversible Schädigungen im Vorfeld zu erkennen und zu vermeiden. In Kooperation zwischen der Milan Flug-GmbH und der Hochschule Anhalt, Institut für Geoinformation und Vermessung, wurde ein modulares Umwelt-Datenerfassungssystem aufgebaut, das einen Airborne-Laser-Scanner, ein digital-photooptisches System, ein hyperspektrales abbildendes Spektrometer, eine Thermalkamera und ein INS/GPS auf einer gemeinsamen Plattform vereint. Das System kann auf einem Kleinflugzeug betrieben werden und dient der Ableitung von Umweltparametern bzw. dem Umweltmonitoring. Durch Ausschöpfung von Synergieeffekten zwischen unterschiedlich arbeitenden Systemen lassen sich erhebliche Steigerungen der Effizienz in vielen Anwendungsgebieten erzielen.

Airborne Laser Scanner Riegl QMS-560
Airborne Laser Scanner sind in der Lage Vegetation geringer und mittlerer Dichte zu durchdringen. Es ergeben sich aufgrund der Durchdringungsfähigkeit des Lasers Signale von der Oberfläche (First Pulse) und vom Boden (Last Pulse). Aus den Echos von First-Pulse und Last-Pulse lassen sich ein Oberflächenmodel (DOM) mit Vegetation und Bebauung und ein Geländemodell (DGM) ohne Vegetation und Bebauung durch Filterung ableiten. Die Filterung erfolgt automatisiert unter Verwendung morphologischer Filter mit Hilfe von Firmware auf Basis des Programmpaketes IDL.

   
Abb. 1: Digitales Oberflächenmodell (links), Digitales Geländemodell (rechts) bei Ludwigslust.

Digitale RGB - Messbildkamera
Die eingesetzte Messbildkamera ist eine Rollei AIC Integral, welche speziell für Luftbildaufnahmen konzipiert wurde. Die Bodenauflösung beträgt 9 cm bei einer Flughöhe von 500 m (Schwadbreite 730m).

Bei Luftbildaufnahmen entstehen Verzerrungen der fotografischen Zentralprojektion, die bedingt sind durch die Verzeichnungen des Kamerasystems sowie Verzerrungen durch Höhenunterschiede des Geländes. Die Korrektur der Höhenunterschiede erfolgt differentiell unter Zuhilfenahme des mittels Airborne Laser Scanner gewonnenen Daten des digitalen Oberflächenmodells (DOM). Hierbei wird das verzerrte Bild in kleine Teilbilder zerlegt und als ebenes Bild angesehen. Unter Berücksichtigung der Höhen aus dem DOM erfolgt die differentielle Entzerrung. Die folgenden Abbildungen zeigen die Region von Holtemme in Sachsen Anhalt. Die unkorrigierten einzelnen RGB-Bilder während einer Befliegung sind in Abb. 2 zu sehen. Unter Einbeziehung des digitalen Geländemodells, wie es aus den Laser Scanner Daten des komplexen Systems erfasst wird (Abb. 2 rechts), erfolgt unter Berücksichtigung der GPS/INS-Daten die Georektifizierung und differentielle Entzerrung. Abschließend werden die Bilder kontrastangepasst und mosaikiert (Abb. 3).

 
Abb. 2: Links: geflogene Kacheln, rechts DOM von Holtemme.

Abb. 3: Mosaikiertes und kontrastangepasstes Bild von Holtemme (Sachsen Anhalt).

Hyperspektrales abbildendes Spektrometer AISA+
Hyperspektrale abbildende Spektrometer werden u. a. zur Bestimmung von Wasserinhalts-stoffen von Seen und Flüssen, Vegetationszustandsüberprüfung und der Atmosphärenforschung, also zum Umweltmonitoring und Detektion von Umweltschäden, eingesetzt. Das im System verwendete hyperspektrale abbildende Spektrometer AISA+ liefert je nach Programmierung bis zu 244 spektrale Kanäle mit einer Bandbreite von 2.9 nm. Bei einer Flughöhe von 500 m können räumliche Informationen über die Erdoberfläche mit einer Pixelgröße von 0.7 x 0.7m erfasst werden.

Abb. 4: Unkorrigiertes (raw) Bild von 3 spektralen Kanälen.	Abb. 5: Kalibriertes, rektifiziertes und georeferenziertes Bild.

   
Abb. 6: RGB-Bild (links), CIR-Bild (Mitte), NDVI (rechts)

Neben der Erfassung des Zustandes der Vegetation lassen sich aus spektralen Charakteristiken Chlorophyll-a, Gelbstoff, Sichttiefe und Tripton ableiten. Da es einen funktionalen Zusammenhang zwischen Gelbstoff und anderen Größen gibt, können noch die Eisenionenkonzentration, DOC-Konzentration, pH-Wert und die Azidität abgeleitet werden. Es existiert eine Reihe von Auswertealgorithmen für die Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen aus Flugzeug- und Satellitenfernerkundungsdaten für natürliche Binnengewässer (Heege, 2000). Systematische Untersuchungen von sauren Gewässern mit pH-Werten bis < 3. in der Region der Lausitz wurden von Frauendorf (2002) und Frauendorf & Gläßer (2002) durchgeführt. Die abgeleiteten Algorithmen dienen hier als Grundlage für die Berechnung der genannten Wasserinhaltstoffe.

Die flächenmäßige Chlorophyll-a und Sichttiefe vom Senftenberger See, Brandenburg, ist in Abbildung 7 dargestellt.

   
Abb. 7: Chlorophyll a Konzentration und Sichttiefe Senftenberger See in Brandenburg.

Der Sabrodter See in der Lausitz wurde ebenfalls mit dem modularen System beflogen. Gleichzeitig wurden zum Zeitpunkt des Überflugs In-Situ-Messungen der Wasserinhaltstoffe von einem Boot aus vorgenommen. Die Ergebnisse (Abb. 8 links) zeigen in Folge der Pyritverwitterung die Versauerung des Sabrodter Sees mit einer extrem niedrigen pH-Wert Verteilung. Im Vergleich dazu ist die flächenmäßige Verteilung des ph-Wertes vom Senftenberger See (Abb. 8 rechts) im neutralen Bereich.

   
Abb. 8: pH-Wert Sabrodter See und Senftenberger See (rechts) in Brandenburg.

Thermalkamera
Die im System integrierte Thermalkamera FLIIR SC300 erlaubt es, bildhaft Temperaturstrukturen aufzuzeichnen. Sie ist im infraroten Spektralbereich zwischen 8 und 9 µm empfindlich. Für schnell bewegte Objekte kann man bis zu 50 Bilder pro Sekunde aufnehmen. Anwendungsbereiche sind die Erfassung von thermischen Unterschieden mit einer Auflösung von bis zu 20 mK von z.B. Mülldeponien, Klemmverbindungen von Hochspannungsleitungen, Pipelines und der Temperaturverteilung von Gewässern. Oftmals weisen selbst schon kleine Temperaturunterschiede auf eine Änderung im Ökosystem hin, die mit anderen Messsystemen schlecht oder nicht erkannt werden. Beispielhaft ist in der nächsten Abbildung die Temperaturverteilung vom Sabrodter See, Brandenburg, und Döberitzer Heide, Brandenburg, zu sehen.

   
Abb. 9: Temperaturverteilung Sabrodter See (links) und Döberitzer Heide (rechts).

Zusammenfassung
Die Beispiele zeigen die Integration verschiedener komplexer Einzelsysteme zu einem Gesamtsystem und das Potenzial für den ständig steigenden Bedarf am Umweltmonitoring. Standardprodukte wie digitale Oberflächenmodelle, digitale Geländemodelle, Orthophotos, Temperaturverteilung, aber auch abgeleitete Produkte wie Vegetationsindex (NDVI), CIR, Wasserinhaltstoffe können zeitnah abgeleitet werden.

Die aufgeführten Beispiele wurden entweder mit der Programmiersprache IDL oder der Auswertesoftware ENVI erstellt. IDL ist eine relativ leicht zu erlernende Programmiersprache. Selbstentwickelte Programme können in die Auswertesoftware ENVI integriert werden. Auf diese Weise erhält man neben der großen Auswahl von bereits implementierten Modulen, auch die Möglichkeit, spezifische eigene Lösungen zur raschen Datenaufbereitung zu integrieren. ENVI diente zur Mosaikierung und Kontrastanpassung als auch zur Berechnung der Wasserinhaltstoffe und Visualisierung sämtlicher Bilddaten. Es ist benutzerfreundlich und besitzt eine hohe Flexibilität.