Mathematisch-Geographische Fakultät
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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 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.
Glacier retreat due to climate change is significant and well investigated on a
regional scale. Much less is known about local effects, especially in the proglacial
area. This thesis focuses on glacial changes and new methods to tackle the processes
therein. The glacial changes within the catchment of the river Fagge, in the upper
Kaunertal valley, are investigated by combining different direct glaciological, geodetic
and geophysical methods. Alongside long-term monitoring of glacier flow velocities
at adjacent glaciers, the investigation focuses on the glacier tongue of Gepatschferner.
In addition to the direct measurements of the ice motion and the determination of the
surface mass balance, the ice thickness and the thickness of subglacial sediments is
measured with vibroseismic soundings. Changes in total area, elevation and volume
are calculated from multiple high-resolution digital elevation models from airborne
laser scans. These detailed glaciological investigations are part of the joint project
PROSA, which focuses on the geomorphodynamics of the entire proglacial system
and aims at balancing the sediment budget therein.
The presented cumulative doctoral thesis consists of three publications and additional
results from the glaciological part of PROSA. This includes long-term
monitoring of glacier flow velocities (Paper 1), detailed investigations of the process
development of a surface depression at the tongue of Gepatschferner (Paper 2), and
an approach at closing the balances of ice, water and sediments on the glacier tongue
(Paper 3).
It turned out that the formation of circular and funnel-shaped surface depressions
occurs as a consequence of increased glacier retreat rates. Additionally, the process
of the depression development in turn increases the retreat rates. This exemplary
development was caused by the evacuation of subglacial sediments after a heavy
precipitation event and by decreasing glacier dynamics as a result of negative glacier
mass balances. Beside the mass balances, the horizontal motion and especially the
vertical motion of the glacier provide valuable information on the glacier state, such
as measured in the long-term program on Kesselwandferner. The magnitudes of the
mass exchanges showed the influence of extreme events, which exceed mean daily
and even annual turnovers, as well as the role of the melt water production at the
glacier tongue of Gepatschferner and its severe effect on the glacial runoff regime of
the river Fagge.