Bild von Institut mit Institutslogo
homeicon uni sucheicon suche siteicon sitemap kontakticon kontakt
unilogo Universität Stuttgart
Institut für Wasser- und Umweltsystemmodellierung - IWS

Abstract

 
   

"Untersuchungen zum Einfluss der Lichtbrechung an der Wasseroberfläche auf die DGM-Erstellung einer überfluteten Fläche mittels Structure-from-Motion"

Für das Verständnis von Fließgewässern spielt die Beobachtung geomorphologischer Prozesse eine wichtige Rolle. Diese zeigen, ob sich das Gewässer im dynamischen Gleichgewicht befindet, wie vielfältig die vorhandenen Lebensräume sind und wie stark der natürliche Zustand durch menschliche Eingriffe und Einflüsse verändert ist. Für die Analyse der Geomorphologie und geomorphologischer Prozesse sind digitale Geländemodelle (DGM) der Flusstopografie erforderlich. Bisherige Methoden zur Erfassung topografischer Daten bringen viele Nachteile wie eine zu geringe Auflösung, hohen Zeitaufwand und hohe Investitions- und Durchführungskosten mit sich. Eine kostengünstige und in ihrer Anwendung simple Methode bietet Structure-from-Motion (SfM). Aufgrund dieser Vorteile sowie der Bereitstellung hochaufgelöster und präziser Ergebnisse findet SfM zunehmend Aufmerksamkeit in geowissenschaftlichen Untersuchungen zur Erfassung topografischer Daten und Erstellung von DGM. Da die Methode auf Fotografien beruht, ist die Anwendbarkeit für überflutete Bereiche aufgrund der lichtbasierten Erfassung der Oberfläche limitiert und das Ergebnis durch die Lichtbrechung an der Wasseroberfläche beeinflusst. Erste Untersuchungen zur Anwendbarkeit für die Darstellung der überfluteten Bereiche eines Flusses geringer Wassertiefen von Woodget et al. (2015) zeigen, dass eine DGM-Erstellung mit SfM möglich ist, in den Modellen die Höhenwerte der sich unter Wasser befindenden Bereiche jedoch überschätzt werden. Im Rahmen dieser Arbeit werden Untersuchungen zum Einfluss der Lichtbrechung auf die Modellerstellung mit SfM in Abhängigkeit von Wassertiefe und Kameraabstand durchgeführt. Dazu wird ein mit Sedimentkörnern beklebter Teller bei verschiedenen Wasserständen (trocken bis 58 cm, stehendes Wasser) aus fünf verschiedenen Kamerahöhen (60-100 cm) fotografiert. Die Bildaufnahme erfolgt mit einer Kamerakonstruktion aus fünf fest montierten Raspberry-Pi Kameras, deren Position zueinander während sämtlicher Aufnahmen unverändert beibehalten wird, um Einflüsse durch variierende Positionen und Einfallswinkel auszuschließen. Die Modellerstellung erfolgt mit der kommerziellen Software Agisoft Photoscan. Zur Bewertung der Genauigkeit der erstellten Modelle wird ein Referenzmodell des Sedimenttellers aus einer Vermessung mit Laser-Profiler verwendet und die Modelle mithilfe der Software CloudCompare verglichen. Mit derselben Kamerakonstruktion wird anschließend getestet, ob eine in der Versuchsrinne erzeugte Dünenwanderung über die Zeit abgebildet werden kann und inwieweit sich Qualität und Genauigkeit der Modelle bedingt durch die Strömung und damit einhergehende Einflüsse im Vergleich mit den Modellen der vorhergehenden Untersuchung verhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass bei ruhigem Wasserspiegel und guten Lichtverhältnissen mit SfM Modelle bis zur max. betrachteten Wassertiefe von 58 cm mit einer Genauigkeit von 1 mm erstellt werden können. Die Qualität der Modelle verschlechtert sich mit zunehmender Wassertiefe. Die Fläche des Sedimenttellers beginnt sich zunehmend zu wölben und die Modelle werden unschärfer. Diese Effekte treten mit steigendem Kameraabstand verringert auf. Zudem sind durch geeignete Software- Einstellung bei der Erstellung der Modelle leichte Verbesserungen der Modelle erreichbar. Die zeitliche Abbildung einer Dünenbewegung gelingt, die Bewegung der Dünenfront und die Veränderung der Topografie sind klar erkennbar. Für die Genauigkeit der Modelle wird ein Wert von 3 mm ermittelt. Grund für die Verschlechterung der Genauigkeit gegenüber den Modellen bei stehendem Wasser sind durch die Strömung entstehende Effekte wie eine Bewegung der Wasseroberfläche und der Sedimente, die die Bildqualität verschlechtern und damit die Anwendbarkeit der Methode limitieren. Die durchgeführten Untersuchungen bestätigen das Potential von SfM zur Erstellung von DGM überfluteter Flächen für geringe Wassertiefen. Die Darstellung überströmter Flächen ist eingeschränkt durch Effekte, die die visuelle Erfassung der Fläche stören.