Photogrammetrische Konzepte virtueller GLOF-Monitoring Pegel
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Inhalt des Forschungsprojektes war die Bestimmung von Wasserstands- und Volumenänderungen für Randglazialseen mittels terrestrischer photogrammetrischer Messverfahren. Es wurden zunächst Testmessungen an einem Stausee in der Nähe von Dresden durchgeführt, um ein geeignetes Messkonzept auszuarbeiten und zu erproben. Auf Grundlage der hier gewonnenen Erkenntnisse wurden in den Jahren 2013 und 2014 Kamerasysteme am Lago Cachet II im Nördlichen Patagonischen Eisfeld installiert, mit denen Bildsequenzen von drei GLOF-Ereignissen aufgezeichnet werden konnten. Neben der aufwändigen Installation von Kameras zur Aufnahme von Bildsequenzen über lange Zeiträume lag das primäre Ziel des Projektes in der zuverlässigen automatischen Detektion der Uferlinie in den Bilddaten sowie der Skalierung und Georeferenzierung der Messdaten. Als Messverfahren kam vornehmlich die Methode der monokularen Bildsequenzanalyse zum Einsatz, welche für den Zweck der Wasserstandsmessung optimiert wurde. Der Messaufbau wurde zusätzlich um eine zweite Bildsequenzkamera ergänzt, welche bei entleertem See den für die Geländemodellerstellung notwendigen Stereobildpartner lieferte, sowie um eine Infrarot-Kamera, deren Daten die Wasserliniendetektion erleichtern können. Die entwickelte Methode der Wasserliniendetektion folgt einem zweistufigen Ansatz, bei dem zunächst durch globale Bildverarbeitungsverfahren eine grobe Näherung der Wasserlinie gesucht wird. Diese wird dann durch die lokale Untersuchung vertikaler Grauwertprofile verfeinert. Eine Steigerung der Robustheit erlangt die Methode durch ein entsprechend entwickeltes Filterverfahren sowie durch die optionale Verwendung von High-Dynamik-Range Bildern, von aus Infrarotaufnahmen abgeleiteten Band-Ratios oder hochfrequenten Aufnahmen zur Reduktion von Reflexionen im Bild. Die bildbasierte Pegelmessung stellt eine gute Alternative zu teuren und in Gletscherrandseen vielfältigen Gefährdungen ausgesetzten Druckpegelmessungen oder GPS-Bojen dar, da es sich um ein berührungsloses Messverfahren handelt, welches im Gegensatz zu den andern Methoden während eines GLOFs nicht durch Eiskollision oder Wassersog beschädigt oder zerstört werden kann. Des weiteren bieten die Bilddaten - über eine punktuelle Wasserhöhenmessung hinaus - die Möglichkeit Informationen über die Topografie des Seebeckens oder den aufstauenden Gletscher abzuleiten und ermöglichen eine visuelle Dokumentation des Ereignisses. Auf Grundlage der Wasserstandsmessungen lassen sich durch Nutzung entsprechender Zusatzdaten spezielle GLOF-relevante Fragestellungen beantworten. So konnte unter Zuhilfenahme eines DGM des Seebeckens die zeitliche Entwicklung des Wasservolumens während eines GLOFs abgeleitet werden bzw. durch die zusätzliche Analyse der Gletscherbewegung, die Lage, Ausprägung und zeitliche Entwicklung des Abflusstunnels unter dem Gletscher dokumentiert werden. Die photogrammetrische Bildsequenzanalyse bietet das Potential, flächenhafte Messdaten in hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu liefern, mit deren Hilfe auch indirekt Rückschlüsse auf Geschehnisse im oder unter dem Eis gezogen werden können. Damit ist sie ein interessantes Werkzeug in Hinblick auf die Frage nach der Ursache und den Auslösefaktoren von GLOFs, welche bis heute noch weitestgehend unbeantwortet ist. Die in diesem Projekt entwickelten Methoden sollen in Kooperation mit Wissenschaftlern der Universität British Columbia auch in einem verwandten zukünftigen Forschungsvorhaben an einem Gletscherrandsee des Kaskawulsh Gletschers in Kanada angewandt werden. Das Projekt hat während seiner Laufzeit ein hohes öffentliches Interesse erfahren. Die Anfang Januar 2013 durchgeführte Messkampagne wurde auf Initiative der Sächsischen Zeitung von deren Ressortleiter für Wissenschaft dokumentiert. Eine Serie von Artikeln erreichte schon während der Kampagne eine große Leserschaft. Ein abschließender 4-seitiger Artikel zu den Ergebnissen der Kampagne und der Datenauswertung erschien Ende 2013. Während der Messkampagne in 2013 wurden die Arbeit im Feld, die Installation der Kamerasysteme und Kooperationen mit chilenischen Wissenschaftlern gefilmt. Die Aufnahmen fanden Verwendung in der Produktion einer Dokumentation zum Thema GLOF, den davon ausgehenden Gefahren und der Möglichkeit einer Frühwarnung. Der zweigeteilte 8-minütige Beitrag wurde 2014 im MDR landesweit ausgestrahlt.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2011: Photogrammetrische Überwachung von Gletscherrandseen. 31. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF e.V., Tagungsband 20/2011
Mulsow, C., Maas, H.-G., Wendt, A., Casassa, G.
- 2012: Pilot Studies With A Photogrammetric Glacier Lake Outburst Flood Early Warning System. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, Vol. XXXIX-B5, 523-527
Maas, H.-G., Mulsow, C., Wendt, A., Casassa, G.
- 2013: Photogrammetric monitoring of glacier margin lakes. Proceedings of the International Workshop "The Role of Geomatics in Hydrogeological Risk". Padua, Italy. 27-28 February
Mulsow, C., Koschitzki, R., Maas, H.-G.
- 2014: An autonomous image based approach for detecting glacial lake outburst floods. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences. Vol. XL-5, 337-342
Koschitzki, R., Schwalbe, E., Maas, H.-G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/isprsarchives-XL-5-337-2014) - 2015: Monoscopic image sequence analysis for monitoring glacier lake outburst floods. Presented on the World Multidisciplinary Earth Sciences Symposium in Prague, Czech Republic
Koschitzki, R., Schwalbe, E.
- 2015: Photogrammetric monitoring of glacier margin lakes. Geomatics, Natural Hazards and Risk. Vol. 6, Nr. 5-7, 600-613
Mulsow, C., Koschitzki, R., Maas, H.-G.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1080/19475705.2014.939232) - 2015: Wasserlinienextraktion aus optischen Nahbereichsaufnahmen mittels Texturmessverfahren. 35. Wissenschaftlich-Technische Jahrestagung der DGPF e.V., Tagungsband 24/2015
Kröhnert, M., Koschitzki, R., Maas, H.-G.
