Development of a model for strict handling of refraction in airborne lidar bathymetry
Final Report Abstract
Ziel des Forschungsvorhabens war die Entwicklung von geometrisch-stochastischen Modellen zur strengen Berücksichtigung von Welleneffekten auf Basis von Wasseroberflächenmodellen, die eine differentielle Betrachtung der Refraktion über den Strahlquerschnitt erlauben. Zu diesem Zweck wurden zunächst Methoden zur Erstellung hochaufgelöster Wasseroberflächenmodelle entwickelt, aus denen genaue Informationen über die lokale Wasseroberflächenneigung abgeleitet werden können. Die Bestimmung der Wasseroberflächenmodelle erfolgt auf Basis der gescannten Wasseroberflächenpunkte in unterschiedlichen Komplexitätsstufen. Die lokale Modellierung einer zeitlich veränderlichen wellen-induzierten Wasseroberfläche stellt die Basis für eine streng differentielle Modellierung der Refraktion dar. Kernstück der streng differentiellen Modellierung der Refraktion war die Entwicklung von Verfahren zur Berücksichtigung von Strahldivergenz und Energieverteilung im Strahlquerschnitt. Darüber hinaus wurde der Signalrückweg insbesondere an der Schnittstelle Wasser-Luft betrachtet. Zur Prognose der wellen-induzierten Koordinatenverschiebungen für beliebige Wellenverhältnisse wurde ein Simulationsansatz entwickelt, in welchem die Refraktion sowohl streng differentiell als auch auf konventionelle Art und Weise simuliert wird. Der Vergleich der resultierenden Gewässerbodenpunktkoordinaten erlaubt eine Analyse der Auswirkung von Wellen auf die Refraktionskorrektur. Für die Validierung der entwickelten Verfahren wurden in einem Wellenfreibad in der Nähe von Dresden Laserbathymetriedaten aufgenommen, wobei für den Zeitpunkt des Überflugs kontrollierte Wellenbedingungen realisiert wurden. Außerdem wurden terrestrische Referenzdaten erfasst, welche die experimentelle Analyse der Auswirkung von Wellen auf konventionelle Refraktionskorrekturmethoden ermöglichten. Die Resultate der Studie können auf zweierlei Weise verwendet werden. Falls die Punktdichte und Datenqualität ausreicht, die Wasseroberfläche hinreichend gut zu modellieren, kann jeder Laserpuls individuell korrigiert werden. Falls nicht, kann immerhin noch ein vom Wellengang abhängiger pauschaler Korrekturterm angebracht werden, der sich aus den systematischen Anteilen ergibt und durchaus zur Verbesserung der Qualität der Resultate beiträgt.
Publications
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Analysis and modelling of the effect of wave patterns on refraction in Airborne LiDAR Bathymetry. In: 24th annual IFHS Hydrographic Conference and Exhibition "HYDRO 2016"
Westfeld, P., Richter, K., Maas, H.-G.
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Analysis of the Effect of Wave Patterns on Refraction in Airborne LiDAR Bathymetry. In: Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. XLI-B1 (2016), S. 133–139
Westfeld, P.; Richter, K.; Maas, H.-G. & Weiß, Robert
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An Approach to Determining Turbidity and Correcting for Signal Attenuation in Airborne Lidar Bathymetry. In: PFG - Journal of Photogrammetry, Remote Sensing and Geoinformation Science (2017), S. 31–40
Richter, Katja; Maas, Hans-Gerd; Westfeld, Patrick & Weiß, Robert
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Analysis and correction of ocean wave pattern induced systematic coordinate errors in airborne LiDAR bathymetry. In: ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 128 (2017), S. 314–325
Westfeld, Patrick; Maas, Hans-Gerd; Richter, Katja & Weiß, Robert
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Numerical simulation and experimental validation of wave pattern induced coordinate errors in airborne Lidar bathymetry. In: Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. XLII-2 (2018), S. 961–967
Richter, K.; Mader, D.; Westfeld, P. & Maas, H.-G.
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Recent Developments in Lidar Bathymetry. Extended abstract. In: Proceedings 5° IAHR Europe Congress (2018)
Maas, H.-G., Mader, D., Richter, K., Westfeld, P.
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Analyse der Auswirkung von Wellen auf konventionelle Refraktionskorrekturmethoden in der Laserbathymetrie. In: Dreiländertagung der DGPF, der OVG und der SGPF in Wien, Österreich – Publikationen der DGPF 28 (2019)
Richter, K., Mader, D., Westfeld, P., Maas, H.-G.
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Improvements in lidar bathymetry data analysis. In: Int. Arch. Photogramm. Remote Sens. Spatial Inf. Sci. XLII-2/W10 (2019), S. 113–117
Maas, H.-G.; Mader, D.; Richter, K. & Westfeld, P.
