Airborne Laserbathymetrie stellt eine effiziente und flächenhafte Messmethode für die Erfassung der sich ständig im Wandel befindlichen Gewässersohlen von Inlandgewässern und küstennahen Flachwasserbereichen dar. Bei diesem Verfahren wird ein kurzer grüner Laserpuls ausgesandt, welcher mit allen Objekten entlang des Laserpulspfades interagiert (z.B. Wasseroberfläche und Gewässerboden). Die zum Sensor zurückgestreuten Laserpulsanteile (Echos) werden in einem zeitlich hochaufgelösten Messsignal (Full-Waveform) digitalisiert und gespeichert. Allerdings ist das Messverfahren aufgrund von Gewässertrübung in seiner Eindringtiefe in den Wasserkörper limitiert. Die Gewässerbodenechos werden bei zunehmender Gewässertiefe schwächer, bis sie nicht mehr zuverlässig detektierbar sind.
Diese Arbeit zeigt, wie mit neuartigen Methoden schwache Gewässerbodenechos in Full-Waveforms detektiert werden können, welche durch die Standardauswerteverfahren nicht mehr berücksichtigt werden. Im Kernstück der Arbeit werden zwei Verfahren vorgestellt, die auf einer gemeinsamen Auswertung dicht benachbarter Messdaten basieren. Unter der Annahme eines stetigen Gewässerbodens mit geringer bis moderater Geländeneigung führt die Zusammenfassung mehrerer Full-Waveforms zu einer Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses und einer Verstärkung von schwachen Gewässerbodenechos, welche folglich zuverlässiger detektiert werden können.
Die Ergebnisse zeigen eine erhebliche Erhöhung der auswertbaren Gewässertiefe (bis zu +30 %), wodurch eine deutlich größere Fläche des Gewässerbodens abgedeckt werden konnte (Flächenzuwachs von bis zu +113 %). In umfassenden Analysen der Ergebnisse konnte nachgewiesen werden, dass die hinzugewonnenen Gewässerbodenpunkte eine gute Repräsentation des Gewässerbodens darstellen. Somit leisten die in dieser Arbeit entwickelten Verfahren einen wertvollen Beitrag zur Steigerung der eingangs beschriebenen Effizienz der Airborne Laserbathymetrie.:Kurzfassung
Abstract
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziele der Dissertation
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Einführung in bathymetrische Messverfahren
2.1 Hydrographie und Bathymetrie
2.2 Airborne LiDAR Bathymetrie
2.2.1 Grundlagen Airborne Laserscanning
2.2.2 Der Pfad des Laserpulses
2.2.3 Fehlereinflüsse
2.3 Die Full-Waveform
2.3.1 Aufbau und Merkmale einer Full-Waveform
2.3.2 Systemwaveform
2.3.3 Full-Waveform Auswerteverfahren
2.4 Hydroakustische Messverfahren
2.4.1 Messprinzip
2.4.2 Echolot Varianten
2.4.3 Fehlereinflüsse
3 Nichtlineare Full-Waveform Stacking-Verfahren zur Detektion und Extraktion von
Gewässerbodenpunkten – Beitrag 1, Beitrag 2, Beitrag 3
3.1 Signalbasiertes nichtlineares Full-Waveform Stacking
3.2 Volumetrisches nichtlineares Ortho-Full-Waveform Stacking
4 Anwendung von nichtlinearen Full-Waveform Stacking-Methoden auf maritime Gewässer – Beitrag 4
4.1 Studiengebiet in der Nordsee
4.2 Datengrundlage
4.3 Erste Ergebnisse einer Pilotstudie in küstennahen Bereichen der Nordsee
4.4 Untersuchungsgebiet
4.5 Klassifikation der Wasseroberflächenpunkte
4.6 Visualisierung der Ergebnisse
4.7 Genauigkeit und Zuverlässigkeit
4.8 Mehrwert der Verfahren
5 Potential der Full-Waveform Stacking-Methoden zur Ableitung der Gewässertrübung
– Beitrag 5
6 Diskussion und weiterführende Arbeiten
6.1 Geometrische Modellierung der Laserpulsausbreitung
6.2 Einfluss der Gewässereigenschaften auf die Gewässerbodenbestimmung
6.3 Unterschätzung der Wasseroberfläche
6.4 Nutzung von Gewässertrübungsinformation für die Beurteilung der Zuverlässigkeit
der Gewässertiefenbestimmung
6.5 Auswirkung der Nachbarschaftsdefinition beim signalbasiertem Full-Waveform
Stacking
6.6 Gegenüberstellung signalbasiertes und volumetrisches Full-Waveform Stacking
6.7 Erweiterung des Full-Waveform Stackings mit dem Multi-Layer-Ansatz
7 Fazit der Dissertation
7.1 Zusammenfassung
7.2 Einordnung der Dissertation
7.3 Mehrwert der Dissertation
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Symbolverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis / Airborne laser bathymetry is an efficient and area-wide measurement method for the detection of the permanently changing water bottoms of inland waters and shallow water areas close to the coast. In this method, a short green laser pulse is emitted, which interacts with all objects along the laser pulse path (e.g. water surface and bottom). The backscattered laser pulse components (echoes) are digitized and stored in a high temporal resolution measurement signal (full-waveform). However, the measurement method is limited in its penetration depth into the water body due to water turbidity. The water bottom echoes become weaker as the water depth increases until they are no longer reliably detectable.
This work shows how novel methods can be used to detect weak water bottom echoes in full-waveforms that are no longer accounted for by standard processing methods. In the core of the work, two methods are presented which are based on a joint evaluation of closely adjacent measurement data. Under the assumption of a steady water bottom with low to moderate slope, the combination of several full-waveforms leads to an improvement of the signal-to-noise ratio and an enhancement of weak water bottom echoes, which consequently can be detected more reliably.
The results show a significant increase in the analyzable water depth (up to +30 %), allowing a much larger area of the water bottom to be covered (increase up to +113 %). Comprehensive analyses of the results proved that the added water bottom points are a good representation of the water bottom. Thus, the methods developed in this work constitute a valuable contribution to increase the efficiency of airborne laser bathymetry described at the beginning.:Kurzfassung
Abstract
1 Einleitung
1.1 Motivation
1.2 Ziele der Dissertation
1.3 Aufbau der Arbeit
2 Einführung in bathymetrische Messverfahren
2.1 Hydrographie und Bathymetrie
2.2 Airborne LiDAR Bathymetrie
2.2.1 Grundlagen Airborne Laserscanning
2.2.2 Der Pfad des Laserpulses
2.2.3 Fehlereinflüsse
2.3 Die Full-Waveform
2.3.1 Aufbau und Merkmale einer Full-Waveform
2.3.2 Systemwaveform
2.3.3 Full-Waveform Auswerteverfahren
2.4 Hydroakustische Messverfahren
2.4.1 Messprinzip
2.4.2 Echolot Varianten
2.4.3 Fehlereinflüsse
3 Nichtlineare Full-Waveform Stacking-Verfahren zur Detektion und Extraktion von
Gewässerbodenpunkten – Beitrag 1, Beitrag 2, Beitrag 3
3.1 Signalbasiertes nichtlineares Full-Waveform Stacking
3.2 Volumetrisches nichtlineares Ortho-Full-Waveform Stacking
4 Anwendung von nichtlinearen Full-Waveform Stacking-Methoden auf maritime Gewässer – Beitrag 4
4.1 Studiengebiet in der Nordsee
4.2 Datengrundlage
4.3 Erste Ergebnisse einer Pilotstudie in küstennahen Bereichen der Nordsee
4.4 Untersuchungsgebiet
4.5 Klassifikation der Wasseroberflächenpunkte
4.6 Visualisierung der Ergebnisse
4.7 Genauigkeit und Zuverlässigkeit
4.8 Mehrwert der Verfahren
5 Potential der Full-Waveform Stacking-Methoden zur Ableitung der Gewässertrübung
– Beitrag 5
6 Diskussion und weiterführende Arbeiten
6.1 Geometrische Modellierung der Laserpulsausbreitung
6.2 Einfluss der Gewässereigenschaften auf die Gewässerbodenbestimmung
6.3 Unterschätzung der Wasseroberfläche
6.4 Nutzung von Gewässertrübungsinformation für die Beurteilung der Zuverlässigkeit
der Gewässertiefenbestimmung
6.5 Auswirkung der Nachbarschaftsdefinition beim signalbasiertem Full-Waveform
Stacking
6.6 Gegenüberstellung signalbasiertes und volumetrisches Full-Waveform Stacking
6.7 Erweiterung des Full-Waveform Stackings mit dem Multi-Layer-Ansatz
7 Fazit der Dissertation
7.1 Zusammenfassung
7.2 Einordnung der Dissertation
7.3 Mehrwert der Dissertation
Literaturverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Symbolverzeichnis
Abkürzungsverzeichnis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:86099 |
| Date | 20 June 2023 |
| Creators | Mader, David |
| Contributors | Maas, Hans-Gerd, Sörgel, Uwe, Mandlburger, Gottfried, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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