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Chancen und Grenzen der photogrammetrischen Auswertung von luftgestützten Foto- und LIDAR-Aufnahmen für das geomorphologische Prozessverständnis auf Einzugsgebietsskala in komplexen Terrains

  • Um die langfristige Genese einer Landschaft nachvollziehen zu können, ist es nötig, die Prozesse vergangener Zeiten bzw. die daraus resultierenden Geländeformen möglichst genau zu rekonstruieren. Neben der Messung aktueller Prozessraten erfordert dies die Integration von historischen Prozessraten aus Messdaten unter vergangenen Umweltbedingungen. In diesem Zusammenhang zeigt sich das große Potential historischer Luftaufnahmen aus verschiedensten Archiven. Für Europa sind diese für viele Regionen ab den frühen 1950er Jahren, vereinzelt sogar ab den 1930er Jahren erhältlich. Die potentiell erzielbaren Genauigkeiten topographischer Aufnahmen sind von einer Vielzahl an Faktoren gesteuert. Diese können aufgrund unterschiedlicher Sensoren und der individuellen naturräumlichen Ausstattung eines jeden Untersuchungsgebietes sehr unterschiedlich sein. Die Qualität der finalen Produkte, im Speziellen die resultierenden Genauigkeiten und Auflösungen (räumlich und zeitlich) der Höhen- und Geländemodelle, wird vor allem von der Datenaufnahme undUm die langfristige Genese einer Landschaft nachvollziehen zu können, ist es nötig, die Prozesse vergangener Zeiten bzw. die daraus resultierenden Geländeformen möglichst genau zu rekonstruieren. Neben der Messung aktueller Prozessraten erfordert dies die Integration von historischen Prozessraten aus Messdaten unter vergangenen Umweltbedingungen. In diesem Zusammenhang zeigt sich das große Potential historischer Luftaufnahmen aus verschiedensten Archiven. Für Europa sind diese für viele Regionen ab den frühen 1950er Jahren, vereinzelt sogar ab den 1930er Jahren erhältlich. Die potentiell erzielbaren Genauigkeiten topographischer Aufnahmen sind von einer Vielzahl an Faktoren gesteuert. Diese können aufgrund unterschiedlicher Sensoren und der individuellen naturräumlichen Ausstattung eines jeden Untersuchungsgebietes sehr unterschiedlich sein. Die Qualität der finalen Produkte, im Speziellen die resultierenden Genauigkeiten und Auflösungen (räumlich und zeitlich) der Höhen- und Geländemodelle, wird vor allem von der Datenaufnahme und -Verarbeitung gesteuert. Bereits ab Mitte des 20. Jahrhunderts wurde damit begonnen Sedimentbilanzen für gesamte Einzugsgebiete zu erstellen, um die Prozessvielfalt und -Interaktion besser zu verstehen. Die Untersuchungen wurden zumeist auf der Hang- oder Plotskala durchgeführt. Mittels Extrapolation konnten so die Sedimentbilanzen für ganze Einzugsgebiete berechnet werden. Diese Arbeiten lieferten wichtige Erkenntnisse in Bezug auf den Sedimenthaushalt in bestimmten Teileinzugsgebieten, konnten aber noch keine detaillierten Aussagen über die räumliche und zeitliche Variabilität der geomorphologischen Prozesse liefern. Prozesse geringer Magnituden konnten mit den klassischen analogen Messmethoden nur schwer oder gar nicht gemessen werden. Selbiges gilt für Prozesse hoher Magnitude aber geringer Frequenz, wenn diese nicht im entsprechenden Beobachtungszeitraum auftraten, aber mitunter einen großen Beitrag zum Sedimenthaushalt des Einzugsgebietes leisten und somit das gesamte geomorphologische System beeinflussen können. Die rasch voranschreitenden technologischen Entwicklungen im Computersektor und die Kommerzialisierung des Drohnenmarktes ab 2013 eröffneten einer Vielzahl von Anwendern aus den verschiedensten Geowissenschaften, im Speziellen aber aus der Geomorphologie, den Zugang zu photogrammetrischen Verfahren. Die vorliegende kumulative Dissertation beschäftigt sich mit der Frage nach den Chancen und Grenzen luftgestützter photogrammetrischer Produkte zur Verbesserung des geomorphologischen Prozessverständnisses komplexer Landschaften auf Einzugsgebietsebene. Die innerhalb der Dissertation enthaltenen sechs Einzelstudien gehen dabei unterschiedlichen methodischen und fachlichen Schwerpunkten nach. Methodisch liegt der Fokus dabei auf der Beurteilung verschiedener UAS-Modelle aus unterschiedlichen Preis- und Gewichtsklassen sowie der Verarbeitung von historischen Luftbilddatensätzen mittels der Structure-from-Motion Methode. Neben der Frage nach dem Einfluss verschiedener Aufnahme- und Auswerteparameter auf die Genauigkeit der resultierenden Höhen- und Geländemodellen liegt der weitere Fokus auf der Beurteilung langfristiger geomorphologischer Veränderungen in den einzelnen Untersuchungsgebieten (Eichstätt, Kaunertal, Toskana). Trotz möglichst stabiler Aufnahmebedingungen und -Parameter zeigen die Geländemodelle der einzelnen UAS unterschiedliche Fehlermagnituden und -ausprägungen. Für die Modelle XR6, Inspire 2 und Phantom 4 Pro sind die Unterschiede für die meisten geomorphologischen Untersuchungen aufgrund der geringen Standardabweichungen von 5 cm (XR6, Inspire 2 und Phantom 4 Pro) bis 16 cm (Mavic Pro) nicht relevant. Aufgrund der geringen Größe, des Gewichtsvorteils und der damit einhergehenden Anwenderfreundlichkeit kann der Einsatz des Phantom 4 Pro UAS vor allem in schwer zugänglichem Gelände vorteilhaft sein. Auf die Verwendung von UAS mit rolling-shutter-Sensoren (hier: Mavic Pro) sollte aufgrund höherer geometrischer Verzerrungen und den daraus resultierenden Problemen bei der Bildverarbeitung mittels SfM-MVS verzichtet werden. Bezüglich der Verwendung von historischen Luftbildern zeigen alle innerhalb dieser Arbeit enthaltenen Studien die Eignung solcher Datensätze zur SfM-MVS basierten Rekonstruktion von Geländeoberflächen in komplexen Terrains auf Einzugsgebietsebene. Die Analysen zeigen, dass die Inklusion von Linsen-/Kamera-Kalibrierungsparametern in der SfM-MVS-Verarbeitung die Geländemodellrekonstruktion maßgeblich verbessert. Fehlerhaft rekonstruierte Oberflächen treten vor allem in Datensätzen auf, die ohne Kalibrierungsinformationen berechnet wurden auf. In den aus JPEG-Daten berechneten Geländemodellen sind diese im Vergleich zu den TIFF-Datensätzen weit stärker ausgeprägt, und die TIFF-basierten Modelle weisen deutlich geringere Standardabweichungen auf. Vor allem die Fusion von Ergebnissen aus kurz- und langfristig angelegten Untersuchungen bietet großes Potential, um die Veränderungen in den geomorphologischen Systemen ganzer Einzugsgebiete besser zu verstehen.show moreshow less
  • In order to understand the long-term genesis of a landscape, it is necessary to reconstruct the processes of past times or the resulting terrain forms as accurately as possible. In addition to measuring current process rates, this requires the integration of historical process rates from measurement data under past environmental conditions. In this context, the great potential of historical aerial photographs from a wide variety of archives becomes apparent. For Europe, these are available for many regions from the early 1950s, in some cases even from the 1930s. The potentially achievable accuracies of topographic surveys are controlled by a variety of factors. These can vary greatly due to different sensors and the individual natural conditions of each survey area. The quality of the final products, especially the resulting accuracies and resolutions (spatial and temporal) of the elevation and terrain models, is mainly controlled by the data acquisition and processing. As early as the mid-20th century, sediment balances wereIn order to understand the long-term genesis of a landscape, it is necessary to reconstruct the processes of past times or the resulting terrain forms as accurately as possible. In addition to measuring current process rates, this requires the integration of historical process rates from measurement data under past environmental conditions. In this context, the great potential of historical aerial photographs from a wide variety of archives becomes apparent. For Europe, these are available for many regions from the early 1950s, in some cases even from the 1930s. The potentially achievable accuracies of topographic surveys are controlled by a variety of factors. These can vary greatly due to different sensors and the individual natural conditions of each survey area. The quality of the final products, especially the resulting accuracies and resolutions (spatial and temporal) of the elevation and terrain models, is mainly controlled by the data acquisition and processing. As early as the mid-20th century, sediment balances were calculated for entire catchments to better understand process diversity and interaction. These studies were usually conducted at the slope or plot scale. By means of extrapolation, sediment balances could be calculated for entire catchments. This work provided important insights into the sediment budget in certain sub-catchments, but could not yet provide detailed information on the spatial and temporal variability of geomorphological processes. Processes of low magnitudes could only be measured with difficulty or not at all with the classical analog measurement methods. The same applies to processes of high magnitude but low frequency, if they did not occur in the corresponding observation period, but sometimes make a large contribution to the sediment budget of the catchment and can thus influence the entire geomorphological system. Rapidly advancing technological developments in the computer sector and the commercialization of the drone market starting in 2013 opened up access to photogrammetric techniques to a wide range of users from various geosciences, but especially from geomorphology. This cumulative dissertation addresses the question of the opportunities and limitations of airborne photogrammetric products for improving geomorphological process understanding of complex landscapes at the catchment scale. The six individual studies included in the dissertation focus on different methodological and technical aspects. Methodologically, the focus is on the evaluation of different UAS models from different price and weight classes as well as the processing of historical aerial image data sets using the structure-from-motion method. In addition to the question of the influence of different recording and evaluation parameters on the accuracy of the resulting elevation and terrain models, the further focus is on the assessment of long-term geomorphological changes in the individual study areas (Eichstätt, Kaunertal, Tuscany). In spite of the most stable possible recording conditions and parameters, the terrain models of the individual UAS show different error magnitudes and characteristics. For the models XR6, Inspire 2 and Phantom 4 Pro the differences are not relevant for most geomorphological investigations due to the small standard deviations of 5 cm (XR6, Inspire 2 and Phantom 4 Pro) to 16 cm (Mavic Pro). Due to the small size, the weight advantage and the resulting user-friendliness, the use of the Phantom 4 Pro UAS can be advantageous, especially in terrain that is difficult to access. The use of UAS with rolling-shutter sensors (here: Mavic Pro) should be avoided due to higher geometric distortions and the resulting problems with image processing using SfM-MVS. Regarding the use of historical aerial imagery, all studies included within this thesis show the suitability of such datasets for SfM-MVS based reconstruction of terrain surfaces in complex terrains at the catchment scale. The analyses show that the inclusion of lens/camera calibration parameters in SfM-MVS processing significantly improves terrain model reconstruction. Incorrectly reconstructed surfaces occur mainly in datasets computed without calibration information. In terrain models computed from JPEG data, these are much more pronounced compared to TIFF datasets, and the TIFF-based models show significantly lower standard deviations. In particular, the fusion of results from short- and long-term studies offers great potential to better understand changes in the geomorphological systems of entire catchments.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stark, Manuel
URN:urn:nbn:de:bvb:824-opus4-7504
DOI:https://doi.org/10.17904/ku.opus-750
Subtitle (German):[kumulative Dissertation]
Advisor:Prof. Dr. Becht, Michael, PD Dr. Haas, Florian
Document Type:Doctoral thesis
Language of publication:Multiple languages
Year of creation:2022
Date of first Publication:2022/03/24
Publishing Institution:Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt
Awarding Institution:Katholische Universität Eichstätt-Ingolstadt, Mathematisch-Geographische Fakultät
Date of final examination:2022/02/08
Release Date:2022/03/24
Tag:Landschaftsentwicklung; Photogrammetrie; Prozessdynamik; Quantifizierung
Structure from Motion
GND Keyword:Orcia; Flusserosion; Rekonstruktion; Topografie; Geschichte 1976-1994; Geomorphologie; Drohne | Flugkörper; Punktwolke; Forschungsplanung; Fotogeologie; Luftbild; Luftbildauswertung; Datenformat; Historische Landschaftskunde; Kauner Tal; Blockgletscher; Dynamische Geomorphologie; Libanon | Nord; Archäologische Stätte; Luftbildarchäologie
Pagenumber:XVI, 200 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Faculty:Mathematisch-Geographische Fakultät
License (German):License LogoKeine Lizenz - es gilt das deutsche Urheberrecht
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