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Montag, 24.07.2017
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Nach dem Hochwasser ist vor dem Hochwasser

Photogrammetrie hilft bei der Verbesserung der Hochwasservorhersage an der Elbe

Steigende Pegel, überflutete Straßen, voll gelaufene Keller: Das Jahrhunderthochwasser an der Elbe traf im April 2006 nicht nur das niedersächsische Hitzacker, sondern ganz Norddeutschland unerwartet heftig. Die Flut stieg schneller und höher, als die Hochwasser-Experten zunächst prognostiziert hatten. Für eine bessere Vorwarnung der Bevölkerung entlang der Elbe soll in Zukunft ein neues Wasserstandvorhersage-System sorgen. Es beruht auf einem Digitalen Geländemodell (DGM), das mithilfe der Photogrammetrie verfeinert worden ist, und kann die Wasserstände an der Elbe präziser vorhersagen.
Luftbildausschnitt der Elbe

Luftbildausschnitt der Elbe

Das bislang an der Elbe eingesetzte Hochwasser-Vorhersagesystem basiert auf Erfahrungswerten, die bei früheren Hochwasserereignissen gesammelt wurden und berechnet aktuelle Wasserstandsänderungen von Pegel zu Pegel. Aber Hochwasserereignisse unterscheiden sich und das diesjährige Hochwasser war anders als das Hochwasser vom August 2002.

Zum einen lieferte die Schneeschmelze im Erzgebirge, im Riesengebirge und im Thüringer Wald große Wassermassen. Zum anderen haben die Deiche an der Elbe und an der Mulde dem Wasserdruck standgehalten und die Wasserflut abgeleitet.

DGM als Grundlage für die Wasserstandsvorhersage


Sicherere und genauere Prognosen des Wasserstandes an der Elbe soll schon bald das neue Wasserstands-Vorhersage-System Wavos liefern, das bereits an Rhein, Oder und Donau erfolgreich im Einsatz ist. Es wurde von der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) entwickelt und berechnet die Wasserstände über ein mathematisch numerisches Modell. Es berücksichtigt die Topographie des Geländes und kann nicht nur Überflutungsbereiche sondern auch die Auswirkungen von Dammbrüchen berechnen.


Grundlage von Wavos ist ein Digitales Geländemodell, das die Landschaft und den Flusslauf modelliert. „Im Kern besteht das DGM aus einem regelmäßig angeordneten dreidimensionalen Punktfeld. Verbindet man benachbarte Punkte, erhält man ein Gitternetz, das das reale Gelände genau abbildet“, sagt Heiner Rößmann von der EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH, die seit Anfang des Jahres an der Fertigstellung des DGM’s für das neue Vorhersagemodell mitarbeitet.

Mittlerweile liegen bereits umfangreiche DGM-Daten für den Fluss vor. Mithilfe von Laserscanaufnahmen aus dem Flugzeug wurden beispielsweise die notwendigen Informationen über den Landbereich entlang der Elbe gesammelt. Das Gewässerbett selber wurde durch so genannte Fächerlotaufnahmen bestimmt. Dabei sendet ein im Schiffsboden angebrachtes Gerät regelmäßig Schallimpulse aus. Anschließend werden die vom Flussboden reflektierten Signale verarbeitet und daraus die Wassertiefe errechnet. Ergebnis ist schließlich ein genaues Modell des untersuchten Flussbettes.

Photogrammetrie schließt Datenlücken


Doch noch ist das DGM-Modell nicht vollständig. „Da die Laserscanbefliegungen zu Zeitpunkten durchgeführt wurden, an denen die Elbe einen vergleichsweise hohen Wasserstand aufwies, sind 20 bis 50 Meter breite Uferstreifen noch ohne Datenabdeckung. Insbesondere strömungsrelevante Bauwerke wie Buhnen sind nicht vollständig erfasst“, erläutert Rößmann.

Die Ingenieure von EFTAS Fernerkundung in Münster wollen diese Lücken nun im Auftrag der BfG für den Flussbereich von der tschechischen Grenze bis zur Saalemündung auf photogrammetrischem Wege schließen. Rößmann und seine Kollegen verwenden dazu farbige Luftbilder, die mit einer flugzeuggestützten digitalen Luftbildkamera aus etwa 1.000 Meter Höhe aufgenommen wurden. „Die Bilder überlappen sich jeweils um 60 Prozent und haben eine Größe von etwa 106 Millionen Pixel. Jeder Bildpunkt deckt eine Geländefläche von etwa zehn mal zehn Zentimetern ab“, erläutert Rößmann.

3D-Luftbildauswertung

3D-Luftbildauswertung

An speziellen mit leistungsfähigen Stereo-Graphikkarten und spezifischer photogrammetrischer Auswertesoftware ausgestatteten Rechnern werden diese Digitalbilder anschließend vermessen. Mittels Stereobrillen sehen die Ingenieure bei ihrer Arbeit das auszuwertende Gelände dreidimensional. Durch räumliche Positionierung der Messmarke (3D-Cursor) kartieren sie Geländepunkte, Böschungskanten und andere topographische Elemente präzise in Lage und Höhe und schließen so die DGM-Lücken. Gleichzeitig prüfen die Photogrammetrie-Experten die vorhandenen DGM-Punkte und ermitteln, ob Veränderungen des Geländes in der Zeit zwischen Laserscan- und Luftbildaufnahme eingetreten sind. Soweit erforderlich werden die betroffenen DGM-Daten aktualisiert.

Einsatz noch in diesem Jahr


Modell einer Buhne

Modell einer Buhne

In einem nächsten Schritt rechnen die Wissenschaftler die Luftbilder dann noch auf Basis des nun flächendeckend vorliegenden DGM’s zu so genannten Orthophotos um. Bei diesen Luftbildern sind die Verzerrungen wegen Bildneigungen bei der Aufnahme und Höhenunterschieden im Gelände korrigiert. Sie haben Karteneigenschaften und in ihnen können - wie in Karten - Strecken und Flächen gemessen werden.

Meist werden Orthophotos in Geographischen Informationssystemen (GIS) als Hintergrundinformation für Katasterkarten genutzt oder wie im vorliegenden Projekt für die Überlagerung mit der Digitalen Bundeswasserstraßenkarte 1:2.000.

„Noch in diesem Jahr will die Hochwasserzentrale in Magdeburg für die Elbe Wavos einführen und ist dann für das nächste Hochwasser gerüstet. Denn das nächste Hochwasser kommt bestimmt“, so Rößmann.

Literaturhinweise:



Wasserstands- und Abflussvorhersagen im Elbegebiet: BfG - Veranstaltung 6/2004 - Kolloquium am 29./30. November 2005 in Magdeburg

Praxisorientierte und vielseitig nutzbare Fernerkundungseinsätze an der Elbe: BfG - Veranstaltungen 1/2005 - Kolloquium am 30. September 2004 in Magdeburg
(Heiner Rößmann, EFTAS Fernerkundung Technologietransfer GmbH, 26.05.2006 - DLO)
 
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