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Von Punkten und Wellen – Geoforscher Bodo Bookhagen erklärt, wofür wir digitale Geländemodelle brauchen

Ansicht einer Punktwolke vom Santa Cruz Island, Kalifornien. Ein digitales Geländemodell, errechnet aus diesen Punktwolken, wird zur Berechnung von Hanginstabilitäten und zur Erfassung von Einzugsgebieten verwendet. Illustration: Prof. Dr. Bodo Bookhagen.

Ansicht einer Punktwolke vom Santa Cruz Island, Kalifornien. Ein digitales Geländemodell, errechnet aus diesen Punktwolken, wird zur Berechnung von Hanginstabilitäten und zur Erfassung von Einzugsgebieten verwendet. Illustration: Prof. Dr. Bodo Bookhagen.

Dass punktgenau arbeiten muss, wer etwas exakt vermessen will, dürfte schon immer gegolten haben. Dass man dafür aber tatsächlich Punkt für Punkt eines Geländes erfassen kann, ist noch relativ neu. Bodo Bookhagen ist Geowissenschaftler und Professor am Institut für Geowissenschaften der Universität Potsdam. Sein Spezialgebiet: geologische Fernerkundung. Magda Pchalek und Matthias Zimmermann sprachen mit ihm über die Technologie, mit deren Hilfe sich sehr exakte digitale Geländemodelle (DGM) erstellen lassen, und wofür man sie einsetzen kann.

Sehr geehrter Herr Prof. Bookhagen, als Experte für Fernerkundung beschäftigen Sie sich mit digitalen Geländemodellen. Was sind das für Modelle und wofür braucht man sie?

Digitale Geländemodelle sind inzwischen allgegenwärtig. Navigationssysteme nutzen sie, um uns an unser Ziel zu bringen; Kommunikationskonzerne benötigen sie, um den Standort von Funkmasten zu optimieren; Stadt- und Landschaftsplaner brauchen sie, um zukünftige Entwicklungen abzuschätzen und verwenden sie, um die optimale Position und Ausrichtung von Solaranlagen zu berechnen. Je besser die DGM – wie sie von den Anwendern gerne abgekürzt werden – räumlich und zeitlich aufgelöst sind, umso mehr Informationen enthalten sie. Dies ist insbesondere dann von großer Bedeutung, wenn dynamische Prozesse analysiert und bewertet werden sollen. Solche Prozesse können plötzlich auftretende Ereignisse wie Erdrutsche oder Hochwasser sein. Es kann sich aber auch um langsamere Veränderungen der Oberfläche handeln, wie sie zum Beispiel durch Sedimentablagerungen in Flüssen und Seen erfolgen. Ein wichtiger Faktor, der solche Prozesse zu steuern scheint, ist die materielle Beschaffenheit der Oberfläche – z.B. welche Art von Bodenbedeckung es gibt und wie rau sie ist. Beides ist entscheidend dafür, ob und wie Regenwasser abfließen kann. Daher arbeiten Geowissenschaftler seit einiger Zeit mit großem Engagement daran, die Oberflächenbeschaffenheit möglichst detailreich zu bestimmen.

Was braucht man für ein gutes DGM?

Um ein DGM auch schnell und über große Flächen hinweg erstellen zu können, sind Messdaten von Drohnen, Flugzeugen oder gar Satelliten notwendig. Wie aus einzelnen Messungen dreidimensionale Geländemodelle entstehen, ist ein wichtiges Feld und bedarf weiterhin neuer Forschung. Vor allem die Anforderung an die Höhengenauigkeit werden immer größer.

Wie aktuell die Arbeit mit DGM ist, zeigt ein Workshop zum Thema, den Sie kürzlich in Golm durchgeführt haben. Worum ging es da?

Die Teilnehmerinnen und Teilnehmer aus aller Welt konnten im Workshop „From point clouds and full-waveform data to DEM analysis“ gemeinsam mit Experten in der Fernerkundung und Datenanalyse neue Methoden kennenlernen und weiterentwickeln, die insbesondere die Oberflächenbeschaffenheit von Landschaften hochauflösend abbilden können. Wir haben uns dabei auf die Erstellung von DGM aus Lidarpunktwolken und aus Drohnenaufnahmen und deren Analyse fokussiert.

Forschen Sie selbst zur Verbesserung von DGM (und wie)?

Wir erstellen regelmäßig DGM aus Drohnenaufnahmen und verwenden diese für geowissenschaftliche Anwendungen. Dazu gehört z.B. die Analyse von langwelliger tektonischer Deformation, bei der die Oberfläche „gebogen“ wird und für die genauen Höhenmessungen in Form eines DGM notwendig sind. Hier fokussieren wir uns vor allen Dingen auf eine optimale Erstellung der Punktwolke, aus denen das DGM berechnet wird. In einer anderen Anwendung arbeiten wir an der Verbesserung der Klassifikation von Lidardaten, insbesondere an der Erkennung von Bodenpunkten. Aus diesen Bodenpunkten wird das DGM berechnet und es ist wichtig, dass zwischen Vegetation, Gebäuden und Bodenpunkten klar unterschieden wird.

Wie haben DGM Ihre Forschung verändert?

Noch vor einem Jahrzehnt hatte man nur globale Geländemodellen mit einer horizontalen Auflösung von 30 bis 90 Metern zur Verfügung, bei einer vertikalen Auflösung von mehreren Metern. Inzwischen sind es global zwölf Meter und für regionale Bereiche kann mit mithilfe von Satellitendaten eine horizontale Auflösung von ein bis drei Metern erreichen. Das bietet ungeahnte Möglichkeiten zur Analyse von Erdoberflächenprozessen und der Beobachtung der Erde in den Zeiten des Klimawandels. Wir setzen z.B. zeitversetzte DGM ein, um Höhenveränderungen durch Sedimentablagerungen nach Überschwemmungen oder nach Bergstürzen aufzunehmen. Auch Erosion und Abtragungen nach Waldbränden lassen sich durch hochauflösende DGM messen und besser verstehen. Weiterhin werden DGM als Randbedingungen für Landschaftsentwicklungsmodelle verwendet, um z.B. den Einfluss von Erdbeben aufzunehmen, da diese häufig einen Knickpunkt oder übersteilte Bereiche in einem Flussprofil hinterlassen. Auf diese Weise lassen sich auch tektonische Aktivitäten nachweisen, die sich in der Vergangenheit nicht mit Instrumenten erfassen ließen. Auch in Zukunft werden DGM eine große Rolle spielen, insbesondere wenn sich die vertikale Genauigkeit weiterhin verbessert.


Der Workshop

StRATEGy, ein Graduiertenkolleg der Universität Potsdam, richtete vom 30. September bis 4. Oktober 2019 gemeinsam mit dem Institut für Geowissenschaften und UP Transfer den internationalen Workshop „From Point Clouds and Full-Wave Data to DEM analysis“ aus, der sich mit digitalen Geländemodellen (DGM) befasste. Der Workshop wurde durch OpenTopography und UNAVCO, sowie durch die US-amerikanischen Forschungsgemeinschaft NSF und das EarthCube Forschungskonsortium mitfinanziert und durch UP Transfer unterstützt.
Mehr Informationen unter: http://www.irtg-strategy.de/en/node/292/index.html

Text: Matthias Zimmermann
Online gestellt: Matthias Zimmermann
Kontakt zur Online-Redaktion: onlineredaktion@uni-potsdam.de