Bathymetrisches LiDAR zum Schutz von Mensch und Infrastruktur

Autorin: Renata Barradas Gutiérrez

Japan ist eine große Inselgruppe, die an einer aktiven Konvergenzzone zwischen den tiefen Gräben der Pazifikseite und den zahlreichen Verwerfungen und Canyons im Japanischen Meer liegt. Aufgrund seiner Geografie und komplexen Topografie ist die Gefahr von Naturkatastrophen wie steigendem Meeresspiegel, Überschwemmungen, Erdbeben und Tsunamis im Vergleich zu anderen Ländern sehr hoch. Gemeinsam mit dem Bevölkerungswachstum, dem Klimawandel und der Wirtschaftsentwicklung führt das zu einer realen Bedrohung der Menschen, Infrastruktur und Ökosysteme in den Tiefebenen von Flüssen und Küsten.

Trotz des hohen Risikos von Naturkatastrophen – der World Risk Report sah Japan 2016 auf Rang 17 der weltweit am stärksten gefährdeten Länder – ist es Japan gelungen, die Gefahr durch langfristige Strategien und Maßnahmen zur Vorbeugung und Früherkennung zu reduzieren.

Aero Asahi Corp (AAC) hat es sich zur Aufgabe gemacht, Menschenleben und Vermögen mithilfe neuester Hardware- und Softwaretechnologien vor Naturkatastrophen zu bewahren. Das Unternehmen hat sich auf die Erfassung räumlicher Daten aus der Luft spezialisiert und ist sich wohl bewusst, dass diese Informationen im Katastrophenfall eine entscheidende Rolle spielen können. Zur Datenerfassung nutzt AAC mobile Kartierungslösungen, Luftbildsensoren sowie LiDAR für topografische und bathymetrische Vermessungen.

Die Mission

Das japanische Flusssystem, das unter der Verwaltung der Regierung steht, weist eine Gesamtlänge von ca. 8.800 Kilometern auf. Die Flussufer verlaufen meist steil und V-förmig und sind dicht bewaldet. Das Ministerium für Boden, Infrastruktur, Verkehr und Tourismus überwacht und verwaltet die Flüsse des Landes. Zur Überprüfung der Verformung des Flussbetts wurde in der Vergangenheit mit einem Echolot, mit dem die großen Flüsse alle fünf Jahre befahren wurden, alle 200 Meter ein Geländeprofil vermessen. Um Naturkatastrophen zu verhindern bzw. bestmöglich für den Katastrophenfall gerüstet zu sein, erfasst AAC nun bathymetrische und topografische Daten und Karten im Auftrag der Flussverwaltung des Ministeriums.

Für die präzise, sichere Datensammlung bringt AAC den Leica Chiroptera II-LiDAR-Sensor für bathymetrische und topografische Messungen in einem Helikopter an. So lassen sich große Flächen binnen weniger Minuten abdecken. Die NIR-Wellenlänge des Chiroptera II für topografische bzw. die grüne Wellenlänge für bathymetrische Daten erlauben die Kartierung und Messung der Wassertiefe in seichten Küstenzonen ebenso wie in Binnengewässern wie Flüssen, Seen und dem angrenzenden Überflutungsgebiet.

„Wir erfassen und analysieren die gesamten Messdaten, um den Behörden gebrauchsfertige Informationen über Deformation, Sedimentierung, Profil, Erosion und Uferhöhe zur Verfügung zu stellen. Da der Chiroptera II-Sensor topografisches und bathymetrisches LiDAR kombiniert, erfolgt der Wechsel zwischen Wasser und Land nahtlos, was insbesondere bei Flüssen mit niedrigem Wasserstand hilfreich ist“, erklärt Hiroshi Isobe, der stellvertretende Leiter des Flugbetriebs bei AAC.

AAC hat seinen ursprünglichen Ansatz verbessert und ergänzt die mit dem Chiroptera II erfassten Daten durch die Messergebnisse eines selbst entwickelten Echolots für Unterwasserinspektionen. Das Team hat diese Methode für die von der Regierung verwalteten Flüsse in Japan getestet. Durch die kombinierten Vermessungsdaten ließen sich unabhängig von Wassertiefe, Trübung, Farbe, Temperatur und pH-Wert des Flusses nahtlose, dichte Punktwolken erstellen.

Die Vorteile der Nutzung eines LiDAR-Sensors in Verbindung mit einem Hubschrauber

Das Land der aufgehenden Sonne besteht zu 73 Prozent aus Bergen. Bei der Durchführung von Luftvermessungen im Gebirge montiert AAC den Chiroptera II an einem AS350-B3-Helikopter, auf dessen Seitenleitwerk eine GNSS-Antenne angebracht ist, um eine georeferenzierte Punktwolke mit höherer Dichte zu erzielen. AAC ist überzeugt, dass die unterschiedlichen Fluggeschwindigkeiten, die Möglichkeit zur flexiblen Wahl des Ausgangspunkts, die kürzere Wendedauer und die mit einem Hubschrauber realisierbare sehr geringe Flughöhe dem ruhigeren Flug mit größerer Reichweite und Dauer eines Starrflügelflugzeugs vorzuziehen ist.

„Bei geringeren Geschwindigkeiten erfasste Punktwolken sind dichter. Das Fliegen mit einem Hubschrauber ermöglicht uns die Ermittlung der Wassertiefe an Stellen, die für ein Doppelrumpfboot mit Echolot nicht befahrbar sind, und die Messung der Höhe im steilen Gelände Japans“, so Isobe.

Vielzahl von Anwendungen

Aus den mit dem Chiroptera II erfassten Daten wird eine Vielzahl von Datenprodukten generiert, darunter digitale Höhen- und Geländemodelle, klassifizierte Punktwolken, Orthofotos und GIS-Ebenen. Sie dienen zur Ausarbeitung hydrologischer Modelle für die Analyse von Strömungen, die Planung von Entwässerungssystemen, den Hochwasserschutz und die Raumplanung. Das Expertenteam nutzt Leica LiDAR Survey Studio (LSS) zur Untersuchung der Topografie der Flüsse und Erstellung einer genauen Risikoanalyse. 

Die von AAC regelmäßig erfassten Daten dienen einer Vielzahl von Anwendungen, z. B.: 

• Kartierung von Überflutungsgebieten 
• Überwachung und Modellierung des Ökosystems 
• Visualisierung der Deformierung des Flussbetts über und unter Wasser 
• Ermittlung von Durchflussmengen 
• Kontrolle der Genauigkeit von Pegelstandsmessungen 

Prognose des Unvorhersagbaren

Zum Schutz der an Gewässern lebenden Bevölkerung müssen die Behörden die Topografie des Gewässers und der Umgebung kennen, auf Veränderungen überwachen und das Verhalten unter veränderten Gegebenheiten vorhersagen können. LiDAR-Bathymetrie aus der Luft ist eine effektive Möglichkeit, um auch gefährliche Gebiete und trübe Gewässer vermessen und genaue, präzise Modelle von Küsten- und Binnengewässern anlegen zu können. 

„Die durch die Laservermessung aus der Luft gesammelten detaillierten topografischen Daten dienen zur Simulation von Überschwemmungen und ihrer Ausbreitung im Stundentakt. Die Simulationsergebnisse und Infrastrukturkarten werden ausgewertet, um eine optimale Datengrundlage für das Krisenmanagement bereitzustellen. Wichtige Informationen hierfür sind z. B. Fluchtwege, Notunterkünfte und die Anzahl der betroffenen Einwohner. Zudem werden bei Überschwemmungen Luftbilder übereinandergelegt, um die Oberflächenströmung und Flussrichtung zu analysieren“, hält Isobe abschließend fest.