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Lidar-Daten im wasserbaulichen und wasserwirtschaftlichen Umfeld
Gottfried Mandlburger Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung,
TU Wien [email protected]
Workshop – Airborne Hydromapping am 13. Juli 2012
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Inhalt
LiDAR (ALS) Datenverfügbarkeit und Genauigkeit Qualitätskontrolle
• Punktdichte (Laserpulse, Wasser, Boden, Vegetation) • Georeferenzierung (relativ, absolut)
Wasserlauf Geländemodell (DGM-W) • Geländekanten • Wasserflächendetektion (Wasser-Land-Grenzlinie) • Integration von Gewässerbett-Daten • DGM-W Datenreduktion
Anwendungen • Hydraulik, Hochwassergefahrenkarten, Habitatmodellierung, …
Ausblick: • Was bringt der grüne Laser?
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 2
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS Verfügbarkeit in A, D und CH
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 3
ALS-Datenabdeckung in Österreich (a), Deutschland (b) und der Schweiz (c), Stand: 1. Juni 2010, Daten und Copyright, A: Geoland (http://www.geoland.at), D: BKG (GeoBasis-DE), CH: swisstopo (http://www.swisstopo.ch) :
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS Abdeckung Österreich - 2012
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 4
ALS-Datenabdeckung in Österreich 2012(a), Daten und Copyright Geoland (http://www.geoland.at),
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS Genauigkeit
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 5
Genauigkeitskontrolle durch 816 Kontrollpunkte:
1
2
3 4
5
6
Daten: Magistratsabteilung 41, Wien
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 12
Streifenweise Punktdichte
Gerade Streifennummern • 12 (Norden) - 26 (Süden)
Pixelgröße
• 5 x 5 m2 (statistisches Maß)
Farbpalette • Rot : 0.00-0.50 Pkt/m2
• Orange : 0.50-0.75 Pkt/m2
• Gelb : 0.75-1.00 Pkt/m2
• Hellgrün : 1.00-1.50 Pkt/m2
• Mittelgrün: 1.50-2.00 Pkt/m2
• Dunkelgrün: 2.00-4.00 Pkt/m2
• Dunkelblau: >4.00 Pkt/m2
14
16
18
20
22
24
26
12
Daten: Main, Bundesanstalt f. Gewässerkunde (BfG)
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 13
Kachelweise Punktdichte (Ground Points)
Dichte der Bodenpunkte entscheidend für DGM-Qualität
Punktdichte sinkt durch Filterung von Vegetation und Gebäuden und entlang von Geländekanten
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Repräsentation von Wasserflächen in ALS (infraroter Laser)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 14
ALS Punktabdeckung an Wasserflächen: a) Alm, b) Krems, c) Thaya und d) Braunau. Daten Amt d. oö. Landesregierung (Alm, Krems), Fa. GeoConsult, Wien (Thaya, Braunau)
a b
c d
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS Durchdringung von Vegetation I
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 15
Kronendach durchdringbar, viele Bodenpunkte
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS Durchdringung von Vegetation II
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 16
Abschattung des Bodens durch Vegetation
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Repräsentation von Wasserflächen in ALS (VQ-820-G) I
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 17
Ötztaler Ache Daten AHM
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Repräsentation von Wasserflächen in ALS (VQ-820-G) II
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 18
Ötztaler Ache Daten AHM
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 19
ALS Streifendifferenzen
13/14
14/15
15/16
16/17
17/18
18/19
19/20
12/13
Daten: ALS-Main, Bundesanstalt f. Gewässerkunde
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 20
Georeferenzierung: Interpretation der Streifendifferenzen
Relative Orientierung der Daten Wie gut passen die Streifen zueinander? Kontrolle von Konsistenz u. Genauigkeit Differenz benachbarter Streifen Streifendifferenz-Effekte an Gebäuden Farbkodierte Streifendifferenz
VlbgWNO Str 2013/2040 (rotiert)
[m]
1.5m Schönbrunn 2005 Str 8/9
Streifen 1 Streifen 2
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 22
Streifendifferenzen: Details (Häuser)
24/25
25/26
21/22 20/21 19/20
Ost-West-Shift
Streifenübergang !
N-S und O-W-Shift Nord-Süd-Shift
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 23
Details Punktwolke
Graben Uferböschung
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Streifendifferenzen vor Ausgleichung
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 24
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Streifendifferenzen nach Ausgleichung
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 25
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
OPALS @ WWW
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 26
• Download and Doku: http://www.ipf.tuwien.ac.at/opals
• References: http://publik.tuwien.ac.at/files/PubDat_177262.pdf G. Mandlburger, J. Otepka, W. Karel, W. Wagner, N. Pfeifer: "Orientation And Processing Of Airborne Laser Scanning Data (opals) - Concept And First Results Of A Comprehensive Als Software"; Poster: Laserscanning 2009, Paris; 09-01-2009 - 09-02-2009; in: "ISPRS Workshop Laserscanning `09", IAPRS, Vol. XXXVIII, Part 3/W8 (2009), ISSN: 1682-1750; 55 – 60.
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Verbesserte Georeferenzierung der Flugstreifen
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 27
Graben Uferböschung
2-fach überhöht 2-fach überhöht
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geländekanten aus ALS
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 28
Daten: Main, BfG
600m
Schummerung 1m-DGM
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geländekanten aus ALS-Punktwolken
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 29
Von der ALS Punktwolke …
… zu 3D-Geländekanten
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Basiskonzept: Automatische Extraxtion von Geländekanten 3D Geländekantenmodellierung mit Hilfe überlappender analytischer Flächenpaare
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 30
Robuste Modellierung: Praktisches Beispiel (ALS) eines Patches
Links: Einteilung in Flächen-Patches Rechts: Geländekanten aus Ebenenverschnitt
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geländekanten aus ALS II
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 31
Daten: Main, BfG
600m
Schummerung 1m-DGM
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geländekanten aus ALS
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 32
Daten: Main, BfG
600m
Schummerung 1m-DGM
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geländekanten aus ALS
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 33
Daten: Main, BfG
600m
Schummerung 1m-DGM
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geländekanten aus ALS, Beispiele
oben: Main (Daten: BfG), unten, Lainsitz (Daten: Fa. GeoConsult)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 34
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 36
Geländekanten aus ALS, Beispiele
Daten: Lahn (D), BfG
Punktwolke vs. DGM-Raster
Workshop: Airborne Hydromapping
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS DGM mit Geländekanten
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 39
Daten: Main, BfG
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Wasserflächendetektion (Wasser-Land-Grenzlinie)
Wasser-Land-Grenzlinie wichtig zur • Trennung aquatischen Bereich und Vorland • Rauigkeitsbelegung • Hydraulische Netzgenerierung
Verschiedene (semi) automatische Methoden • Verschnitt von Flächenmodellen (Mandlburger, 2001) • Ausnutzung von Laserpuls “drop outs” (Höfle et al, 2009) • Segmentierung und Analyse von ebenen Flächen (Dorninger, 2011)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 40
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
WLG durch Segmentierung (Methodik)
41
Segemtierungsergebnis im Uferbereich Magenta: Punkte an der Wasseroberfläche
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping
Aus: Dorninger, 2011: Eine praktikable und genaue Methode zur Bestimmung von Wasser-Land-Grenzen aus Laser-Scanner-Daten
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
WLG durch Segmentierung (Ergebnis)
Nachbearbeitung: ca. 20%, inbs. bei starker Bebauung
13.07.2012 42 Workshop: Airborne Hydromapping
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
WLG durch “drop out” Modellierung
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 43
Aus: Höfle et al., 2009: Water surface mapping from airborne laser scanning using signal intensity and elevation data
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 44
Digitales Wasserlauf-DGM
Perspektivansicht DGM-W; Drau/Kärnten (A), Daten: Fa. GeoConsult, Wien
DGM-W, Drau,, Daten : Fa. GeoConsult, Wien
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Digitales Wasserlauf-DGM
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 45
Perspektivansicht DGM-W; Daten: Saar, Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Digitales Wasserlauf-DGM
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 46
Perspektivansicht DGM-W; Main, KW Wallstadt, Daten: BfG, Koblenz
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Digitales Wasserlauf-DGM
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 48
Perspektivansicht DGM-W; Main, Übersicht, Daten BfG
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Digitales Wasserlauf-DGM
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 49
DGM-W; Main, Detail, Häuser ausgespart, Daten: BfG
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Digitales Wasserlauf-DGM
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 50
DGM-W; Main, Detail, Häuser aus DOM, Daten: BfG
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Digitales Wasserlauf-DGM
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 51
DGM-W; Main, Detail, Häuser LOD2 Modelle, Daten: BfG
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld Workshop: Airborne Hydromapping 52
DGM-Datenreduktion
Motivation • Rasante Sensorentwicklung
→ gestiegene räumliche Auflösung → gestiegene Datenmenge • Abstraktion erforderlich für viele Anwendung und Datenabgabe
Strategie: DGM-Datenreduktion • Input: Gitterpunkte und Linien des hybriden DGM • Max. Höhentoleranz Δzmax (=L∞-Norm) • Max. Punktabstand Δxymax = Δ0
• Mesh refinement (coarse-to-fine approach) • Output: TIN oder reduzierte Punktmenge
13.07.2012
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
DGM-Datenreduktion
Workshop: Airborne Hydromapping 53
Adaptive TIN-Verdichtung mittels unregelmäßiger Unterteilung
Daten. Drau, Kärnten, Österreich, Fa. GeoConsult
13.07.2012
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld Workshop: Airborne Hydromapping 54
DGM-Datenreduktion
Originales hybrides ALS-DGM, Gitterweite 2m
13.07.2012
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
DGM-Datenreduktion
Workshop: Airborne Hydromapping 56
DGM Datenreduktion durch Adaptive TIN-Verdichtung mit unregelmäßiger Unterteilung
Kompressionsrate: 95%
13.07.2012
Geländeform Kompression sehr flach 99 % bewegt 96 % steil 90 % gemischt 95 %
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
DGM-Datenaufbereitung
Zonen unterschiedlicher Sensibilität für HN-Modellierung • Gewässerbett • Uferböschung • Unmittelbares Vorland • Erweitertes Vorland • Umland
Datenanordnung im Gewässerbett
13.07.2012 57
Unstrukturiertes Gitter Hybrides Gitter
permanent benetzt, Fließrichtung physik. dominant benetzt bei HQ1, Rauigkeiten durch Bewuchs benetzt bei HQ10, nicht parallele Fließrichtung benetzt bei HQ100, geringerer Genauigkeitsbedarf nie benetzt, zur Visualisierung
Workshop: Airborne Hydromapping
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Geometrisches Netz versus Hydraulisches Netz • Geometrisches Netz
– reduziertes DGM-W als TIN – Geometrische Kriterien (Δzmax)
• Hydraulisches Netz – Grundlage für FEM Berechnung – Physikalische Kriterien
Gütekriterien für hydraulisches Netz [Ferziger u. Peric, 2002]
• Winkelkriterium (angle criterion) – Angepasst an Fließrichtung (Gewässerbett) – Vermeidung von sehr kleinen und sehr großen Winkeln
• Seitenverhältnis (aspect ratio) – Optimum: < 3 – Anzustreben: < 10 Numerische Probleme
• Ausdehnungsverhältnis (expansion ratio) – Optimum: < 1.2 – Anzustreben: < 3 – Unbedingt: <10 Falsche Ergebnisse
DGM-Datenaufbereitung
Variante W.Min W.Max a.r. e.r. e.r. >10
Hierarchisch 40° 88° 1.7 1.9 0.1%
Unregelmäßig 35° 90° 1.9 3.0 2.2%
13.07.2012 58 Workshop: Airborne Hydromapping
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
ALS Anwendungsbeispiele in Hydrologie und Hydraulik
Gefahrenzonenkarten Rauigkeitsabschätzung Restauration von Flussgebieten Habitat-Modellierung
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 61
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 62
Übrerschwemmungskarte Rosenburg a.d. Drau (Kärnten), Daten: Fa. GeoConsult
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 63
Überschwemmungskarte Lainsitz
Digitale Überschwemmungskarte von Gmünd (HQ100), Daten: Fa. GeoConsult
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld 13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 64
Überschwemmungskarte + Maßnahmen
Maßnahmenkatalog zum für den Objektschutz, Daten: Fa. GeoConsult
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Hydraulische Rauigkeiten aus ALS I
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 65
Aus: Vetter et. al, 2011; ISPRS Laserscanning Workshop, Calgary
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Referenzdaten (Landnutzungskartierung)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 66
Aus: Vetter et. al, 2011; ISPRS Laserscanning Workshop, Calgary
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Rauigkeiten aus ALS
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 67
Aus: Vetter et. al, 2011; ISPRS Laserscanning Workshop, Calgary
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Auswirkung auf HN-Modell
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 68
Aus: Vetter et. al, 2011; ISPRS Laserscanning Workshop, Calgary
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Flussrückbau: Beispiel Kamp (NÖ)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 69
Aus: Hauer, Mandlburger et. al. 2012, Morphologically related integrative management concept for re-connecting abandoned channels based on Airborne LiDAR and habitat modelling River Research and Analysis (in press), Daten GeoNÖ (Land Niederösterreich)
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Flussrückbau: Beispiel March (NÖ)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 70
DGM Wasserspiegel
Wasserspiegel +50cm
Wasserspiegel +100cm
Aus: Hauer, Mandlburger et. al. 2012, Morphologically related integrative management concept for re-connecting abandoned channels based on Airborne LiDAR and habitat modelling River Research and Analysis (in press), Daten GeoNÖ (Land Niederösterreich)
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Flussrückbau: Beispiel March (NÖ)
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 71
Aus: Hauer, Mandlburger et. al. 2012, Morphologically related integrative management concept for re-connecting abandoned channels based on Airborne LiDAR and habitat modelling River Research and Analysis (in press), Daten GeoNÖ (Land Niederösterreich)
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Habitatmodellierung March
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 72
Aus: Hauer, Mandlburger et. al. 2012, Morphologically related integrative management concept for re-connecting abandoned channels based on Airborne LiDAR and habitat modelling River Research and Analysis (in press), Daten GeoNÖ (Land Niederösterreich)
mesohabitat suitability for indifferent/stagnophilic adult fish guilds
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Was bringt der grüne Laser?
Best case: • Erfassung der gesamten DGM-W Geometriedaten in einer einzigen
Messkampagne • Homogene Punktdichte im aquatischen und Vorlandbereich • Detaillierte Erfassung der Gewässerbettmorphologie (auch für Flachwasser) • Zusätzlich: Erfassung der Wasseroberfläche • Keine Daten-Anschlussproblematik (Vorland-Gewässerbett) • Aussagen über Gewässergüte aus Analyse der Wellenform • Größere Punktdichte in Vegetation durch größeren Öffnungswinkel
Voraussetzung: Klares Wasser Moderater Wellengang Moderate Wassertiefe Vegetationsarme Zeit
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 79
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Keine vollständige Messung der Wassertiefe möglich! Was nun?
80 Workshop: Airborne Hydromapping 13.07.2012
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Mandlburger: Lidar-Daten im wasserbaulichen Umfeld
Was bringt der grüne Laser?
Herausforderungen: • Kalibrierung
– Geometrisch: 2 Medien-Fall (Luft-Wasser) – Radiometrisch (Signalsärke, Reflektivität)
• Klassifizierung der Punktwolke – Wasseroberfläche – Gewässerbett – Gewässerpartikel – Boden – Vegetation – Gebäude – Powerlines
• Full Waveform Analyse – asymmetrische Wasser-Echos (Volumsstreuer) – Ableitung von Güte-Parameter
13.07.2012 Workshop: Airborne Hydromapping 81