3D-Rekonstruktion eines Messobjekts. Foto: Fraunhofer IBMT

Die 3D-Sonar-Systeme des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT sollen die Vermessung von Seeböden effizienter und präziser machen. Die Sonar-Technologie – die Untersuchung von Strukturen unter Wasser mit Hilfe von Schallsignalen – wird bereits seit vielen Jahren bei der Vermessung von Seeböden, in der Fischerei oder auch bei der Suche nach versunkenen Objekten am Meeresboden angewandt. Die hierfür verwendeten Systeme sind meist für große Messdistanzen ausgelegt und erreichen in der Regel eine relativ grobe räumliche Auflösung. Viele Anwendungen im Unterwasserbereich benötigen eine hochaufgelöste Umgebungsvisualisierung auf kurze Distanz. Oft werden hierzu optische Kamerasysteme eingesetzt. Diese sind jedoch bei starker Wassertrübung zumeist unbrauchbar, weshalb Einsätze oftmals abgebrochen werden müssen. Mit Hilfe neuartiger 3D-Sonar-Systeme vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT sollen diese Aufgaben nun effizienter und präziser erfüllt werden können.

Der Geschäftsbereich Sonar der Hauptabteilung Ultraschall des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT in Sulzbach bündelt die bisherigen und zukünftigen Forschungsund Entwicklungsaktivitäten im Bereich der akustischen Unterwassermesstechnik. Ein Schwerpunkt der aktuellen Forschung und Entwicklung stellt die hochaufgelöste volumetrische Sonar-Bildgebung auf Distanzen von weniger als 25 Metern dar. Hochauflösend bedeutet in diesem Kontext die Darstellung von Strukturen im Zentimeterbereich bei wenigen Metern Messabstand. Derzeit sind drei bildgebende Sonar-Systeme in einen Demonstratoraufbau überführt und werden zu Labor- und Feldmessungen an verschiedenen Objekten und Strukturen eingesetzt.

Echtzeitfähige 3D-Sonarkamera. Foto: Fraunhofer IBMT

Eines dieser Systeme, ein Fächerecholot oder Multibeam Echosounder (MBES), erzeugt einen Schallfächer, der während der Messung über den Seeboden oder das abzubildende Objekt bewegt wird. Die Position der Sonar-Antenne wird hierbei kontinuierlich GPS-referenziert aufgezeichnet, sodass die einzelnen Bildschichten anschließend positionsrichtig zusammengefügt werden können, um eine exakte Repräsentation der vermessenen Struktur zu generieren. Das System eignet sich für alle Messungen an unbewegten Strukturen aus Distanzen bis zu 15 Metern Entfernung. Sollen Bewegungsvorgänge abgebildet oder Arbeitsprozesse unter Wasser visualisiert werden, so ist eine volumetrische Bildgebung in Echtzeit notwendig. Hierzu wurden zwei weitere Sonar-Systeme entwickelt, die aufgrund ihrer Funktionsweise eine dreidimensionale Abbildung ihrer Umgebung aus einer festen Position heraus erlauben. Und dies mit derselben hohen räumlichen Auflösung wie das Fächerecholot. Eines der Systeme wird in einer druckbeständigen Variante aufgebaut, sodass sogar ein Einsatz in der Tiefsee bei bis zu 600 bar erfolgen kann. Auch eine Miniaturisierung der Systeme wird derzeit vorangetrieben. Neben Systemen zur 3D-Visualisierung entwickelt das Fraunhofer IBMT derzeit weitere Sonar-Systeme, wie etwa einen sedimentpenetrierenden Sub-Bottom-Profiler zur zentimetergenauen Vermessung von Sedimentschichten im Seeboden.

www.ultraschall.fraunhofer.de

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Bild: nsplash_pixabay

Ob Klimaforschung, Tsuna- mi-Vorsorge oder die Bewertung von Rohstoffvorkommen am Meeresboden – Informationen über die Ozeane werden für immer mehr wissenschaftliche und gesellschaftliche Fragestellungen benötigt. Zwar gibt es punktuelle Erfassungen, eine flächendeckende und dauerhafte Datenerhebung fehlt aber bislang. Unter der Koordination von Prof. Dr. Martin Visbeck vom GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel soll das Projekt AtlantOS jetzt Möglichkeiten zur optimierten Bereitstellung der relevanten Daten ausloten. AtlantOS steht für „Optimising and Enhancing the Integrated Atlantic Ocean Observing Systems“.

Das Projekt wird im Rahmen des EU-Programms für Forschung und Innovation, „Horizon 2020“, mit 20 Millionen Euro gefördert. Visbeck koordiniert das aus 62 Mitgliedern bestehende Konsortium, in dem 18 Länder vertreten sind. Aus der Helmholtz-Gemeinschaft beteiligt sich nicht nur das GEOMAR, sondern auch das Alfred Wegener Institut. Ausgangspunkt der Forschungsarbeiten sind die vorhandenen Erkundungssysteme. Hier nutzt man Satellitensysteme, um Meeresoberflächentemperaturen und Meeresspiegelhöhen zu messen. Forschungsschiffe, bei denen man mit Sonden punktuelle hochgenaue Messungen machen kann, sind eine weitere, allerdings sehr kostenintensive Methode, die dementsprechend nur sehr begrenzt zum Einsatz kommt. „Wir hätten am liebsten auf jedem kommerziellen Schiff ein „Messmodul“ für Dauermessungen zu Salzgehalt, pH-Wert, gelöstem CO2, Nährstoffen, Plastikkonzentration, Planktonreichtum und zur marinen Gendiversität. Man könnte auch die Strömungen der oberen 500 Meter erfassen und viele wichtige Oberflächenparameter mehr“, erläutert Prof. Visbeck seine Vision.

Das dritte Segment sind autonome Systeme, roboterartige Plattformen wie sie im Argo-Netz zum Einsatz kommen. Es besteht aus fast 4.000 Robotern, die überall im eisfreien Ozean für Dauermessungen der oberen 2.000-Meter Wassersäule unterwegs sind. Mehr als 30 Länder sind daran beteiligt. Die Daten werden in Echtzeit aller Welt kostenfrei zur Verfügung gestellt. Darüber hinaus kommen sogenannte Glider zum Einsatz – Roboter, die sich nicht nur vertikal bewegen, sondern auch ein Stück segeln können. Das GEOMAR verfügt außerdem über Mini- U-Boote für Tiefseevermessung. „AtlantOS wägt die Techniken ab: Was ist für welchen Zweck der Messungen im Ozean am besten geeignet, welchen Mix der Beobachtungssysteme braucht man im Ozean?“, erläutert Prof. Visbeck. Vom 28. bis 30. Juni 2016 trifft sich die AtlantOS-Community bei der zweiten Jahreskonferenz in Kiel und stellt den aktuellen Stand der Forschung vor.

www.helmholtz.de
www.atlantos-h2020.eu

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Der Bathy- Copter überfliegt Binnengewässer und führt dabei Tiefenmessungen durch. Aus den Daten lassen sich Gewässerprofile ableiten, die etwa bei der Überwachung von Binnengewässern oder im Rahmen von Baumaßnahmen wichtige Informationsgrundlagen darstellen. Bild: RIEGL

Die flächenhafte Erfassung von Gewässern mittels Airborne Laserscanning hat sich im Küstenbereich bereits etabliert und auch für Bathymetrieprojekte an Flüssen und Seen ist ein steigendes Interesse zu verzeichnen. Das berichtet Dr. Martin Pfennigbauer, Director Research and Intellectual Property bei Riegl LMS. „Allerdings ist der Aufwand einer flächenhaften Erfassung nicht in allen Anwendungsfällen erforderlich“, berichtet Dr. Pfennigbauer und verweist auf Beispiele wie etwa die Überwachung von Kanälen oder Flussläufen. Dort geht es vielfach nur darum, in regelmäßigen Abständen zu überprüfen, ob und in welcher Menge sich am Grund Sedimente abgelagert haben, die die Schiffbarkeit des Gewässers beeinträchtigen könnten. „Diese und ähnliche Fragestellungen können in der Regel beantwortet werden, indem man einfache Profile der Gewässersohle erstellt“, erläutert der Forschungsleiter. Konventionell geschieht dies entweder mit Echoloten, die vom Schiff aus den Boden abtasten oder durch Mitarbeiter, die mit dem Stab Tiefenmessungen durchführen.

Die offenkundigen Schwächen dieser Verfahren veranlassten Riegl, eine Alternative speziell für diese vergleichsweise einfachen Anwendungen zu entwickeln. Der Riegl BathyCopter ist nach Auskunft des Herstellers, dass erste Laserscanning-System, das von einem kleinen UAV (Unmanned Aerial Vehicle) aus, Messungen unter der Wasseroberfläche durchführen kann. Das System umfasst einen mit grünem Laser operierenden Entfernungsmesser, eine IMU/GNSS-Einheit, eine Kamera sowie einen Datenspeicher. Die ferngesteuerte Drohne nimmt bei der Überfliegung des Gewässers in regelmäßigen Abständen Tiefenmessungen vor, wobei nach Angaben von Riegl eine Genauigkeit im Dezimeterbereich erzielt wird. Da diese Form der Erfassung nur geringe Datenmengen produziert, können die Ergebnisse unmittelbar nach der Befliegung bearbeitet und ausgewertet werden. Das gesamte Equipment findet in einer Box vom Format einer kleineren Umzugskiste Platz.

„Der BathyCopter ergänzt unser Portfolio von topobathymetrischen High End-Laserscannern für die Detailerkundung von Gewässern um ein System, mit dem sich die klassischen Aufgaben der Gewässervermessung wirtschaftlich und technisch besser durchführen lassen“, erläutert Dr. Pfennigbauer.

www.riegl.com

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Das Forschungsschiff DENEB. Bild: GFZ Potsdam

Nicht nur Vermessern ist bekannt, dass die Erde kein einfach geformter geometrischer Körper wie beispielsweise eine Kugel oder ein Rotationsellipsoid ist, sondern eine Topographie mit Bergen und Tälern aufweist. Was viele nicht wissen: Das trifft auch für die Meeresoberfläche zu, die über Aufwölbungen und Dellen von bis zu 100 Metern im globalen Vergleich verfügt. Exakte und verlässliche Modelle dieser Unregelmäßigkeiten sind aber für die heutige satellitengestützte Navigation unerlässlich, vor allem bei Höhen- und Tiefenbestimmungen. Doch die Daten fehlen bislang an vielen Stellen der Meere – so auch in der Ostsee, wo die bekannten Meeresspiegelunterschiede bis zu 20 Metern betragen.

Vermessungsingenieure und Geowissenschaftler aus mehreren Institutionen in Deutschland nehmen jetzt diese „Datenlücke“ ins Visier. Sie führen im Rahmen des EU-Projektes FAMOS (Finalising Surveys for the Baltic Motorways of the Sea) in der Zeit vom 24. Mai bis 2. Juli 2016 an Bord des BSH-Schiffes hochpräzise Messungen der Erdanziehungskraft durch, aus denen die „Berge und Täler“ in der Meeresoberfläche mit einer Auflösung von Zentimetern abgeleitet werden können. An der Messkampagne mit dem Forschungsschiff DENEB sind Fachleute des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie (BSH), des Deutschen GeoForschungsZentrums (GFZ) und des Bundesamts für Kartographie und Geodäsie (BKG) beteiligt.

See-Navigationskarten um präzisere Daten zur Meeres-Topographie
zu ergänzen, ist ein Ziel des Forschungsprojekts in der Ostsee. Bild: GFZ Potsdam

Durch die Ausfahrt des Forschungsschiffes DENEB, benannt nach dem hellsten Stern im Sternbild Schwan, werden die zum Teil mehr als 40 Jahre alten, lückenhaft vorliegenden Schweredaten nun überprüft und ersetzt. Die Messungen finden im deutschen, dänischen und schwedischen Gewässer zwischen Rostock, Gedser, Møn, Bornholm und Trelleborg statt. Sie tragen dazu bei, einen einheitlichen Höhenbezug der Seekarten zu bestimmen und die geodätische Infrastruktur zur Positionsbestimmung mit Hilfe von Satellitennavigationssystemen (GPS, GLONASS, GALILEO) im maritimen Bereich zu verbessern. Das Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) koordiniert die Arbeiten. Die Experten des Helmholtz-Zentrums Potsdam Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ) installieren und betreuen die hochpräzise Messtechnik an Bord der DENEB.

www.bsh.de
www.bkg.bund.de
www.gfz-potsdam.de

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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.

www.ahm.co.at
www.riegl.com

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