Einsatz von 3D-Laserscanning zur Erkennung von Struktur-Veränderungen in Salz- und Eishöhlen

Author: Tommaso Santagata

Höhlenforscher und Entdecker nutzen zur Kartierung von Höhlen zunehmend terrestrisches Laserscanning (TLS). Tommaso Santagata von VIGEA hat Laserscanning-Lösungen von Leica Geosystems zur Vermessung der Form und der strukturellen Veränderung zweier Höhlen eingesetzt, nämlich der Lechuza-Salzhöhle in Chile und der Eishöhle Abisso del Cenote in Italien.

Santagata erläutert, wie detaillierte Scans in zeitlichen Abständen Erkenntnisse über physische Veränderungen in Höhlenumgebungen ermöglichen: „Zwar finden die meisten Vorgänge in Höhlen relativ langsam statt, doch es gibt auch schnelle: beispielsweise Erosion infolge von Überflutungen. Solche geologischen Veränderungen können mittels terrestrischem Laserscanning überwacht und durch den Abgleich von Vorher-/Nachher-3D-Modellen quantifiziert werden. Solche Vergleiche über längere Zeit liefern aufschlussreiche Daten und werden daher zunehmend für die Erforschung des Klimawandels eingesetzt.“

MESSUNG VON ÜBERFLUTUNGSBEDINGTEN VERÄNDERUNGEN DER LECHUZA-HÖHLE (CORDILLERA DE LA SAL)

In der Nähe des chilenischen Dorfs San Pedro de Atacama liegt eine bekannte Höhle aus oligomiozänen Mineralvorkommen, die als Cordillera de la Sal bekannt ist. Anhand zweier Messungen 2015 und 2018 konnte Santagatas Team geringfügige topografische Veränderungen infolge einer Überflutung 2017, als der Fluss in der Höhle eine messbare Menge Halit (Steinsalz) löste, verifizieren und quantifizieren.

2015 nahmen La Venta Esplorazioni Geografiche und die Commissione Grotte Eugenio Boegan aus Triest eine vollständige 3D-Vermessung der Höhle vor. Mit einem phasenbasierten Leica HDS7000- Laserscanner wurden ca. 50 Scans durchgeführt. Im Rahmen des von der National Geographic Society geförderten Forschungsprojekts „Reading the salt caves of Atacama“ erfasste das La Venta-Team 2018 in Zusammenarbeit mit der Universität Bologna mit einer Leica ScanStation P40 68 Scans einschließlich der Vermessung von ca. 200 Metern der freiliegenden Schlucht stromaufwärts der Höhle.

Anschließend werteten die Forscher die Daten der Lechuza-Höhle im Punktwolkenformat aus um festzustellen, wo Veränderungen aufgetreten waren. Santagata erinnert sich: „Da wir nur sehr wenige Abweichungen fanden, mussten wir gemeinsame Punkte ausfindig machen und die Punktwolken ausgehend vom selben Ursprung gleich orientieren, um einen Abgleich vorzunehmen. In mindestens drei Bereichen wurden Deckeneinstürze und Bodenerosion festgestellt und digitalisiert, um detaillierte Schnitte durch diese Teile der Höhle zu erhalten. Der Vergleich zwischen diesen beiden Messungen hat ergeben, dass es möglich war, die Bereiche, in denen Gesteinsablösungen oder überflutungsbedingte Erosionen auftraten, genau zu dokumentieren.“

ÜBERWACHUNG UND MESSUNG VON EISABBRÜCHEN IN ITALIEN

Das zweite Forschungsprojekt widmete sich der unterirdischen Eislagerstätte Abisso del Cenote, die zu den tiefsten und größten Höhlen der italienischen Dolomiten zählt. Die 280 Meter tiefe Eishöhle wurde 1994 entdeckt, als nach der plötzlichen Entleerung eines kleinen Sees im Naturpark Fanes-Sennes-Prags der Zugang dazu freilag. Der vertikale Eingang der Höhle besteht aus einer 130 Meter dicken mehrschichtigen Eislagerstätte. Am unteren Ende des eisgefüllten Eingangsbereichs tut sich ein eisfreier, 165 Meter tiefer Schacht auf, der in eine kuppelförmige Kammer mündet, in der sich ein Felsengletscher befindet.

2015, 2016 und 2018 erfasste Laserscanning-Daten erlaubten Santagatas Team die Abschätzung von Abweichungen infolge von Einstürzen und die Sammlung von Daten für ein komplettes Überwachungsprojekt. Bei der ersten Expedition im Oktober 2015 wurde mithilfe eines phasenbasierten HDS7000-Laserscanners ein vollständiger 3D-Laserscan der hintersten Kammer durchgeführt. Dabei wurde das genaue Volumen der Kammer (420.000 m³) ermittelt und eine erste Dokumentation der Position der an der Decke hängenden Eismassen sowie des Felsengletschers am Boden vorgenommen. Während dieser und den beiden folgenden Expeditionen 2016 und 2018 wurden außerdem andere Teile der Höhle mit einer ScanStation P40 in 3D gescannt.

Santagata berichtet: „Weil in den Folgejahren einige Durchgänge mit Eis gefüllt waren, konnte die hinterste Kammer nicht erneut vermessen werden. Dies ist jedoch ein Ziel für künftige Expeditionen. Die in diesen Jahren im oberen Teil der Höhle erfassten Daten haben es uns aber erlaubt, die Veränderungen in den ersten beiden Räumen nahe des Eingangs zu analysieren. Dabei fiel insbesondere ein Einsturz in einem Bereich auf, der nach 2016 zur Vergrößerung eines Durchgangs führte. Derselbe Bereich war vor und nach dem Einsturz in 3D gescannt worden, und anhand der Daten konnten wir die Ablösung verifizieren und das Volumen des losen Gesteins berechnen.

Die Punktwolken wurden mit zwei verschiedenen Methoden verglichen: Erst haben wir einen schnellen Abgleich der beiden Datensätze durchgeführt, um uns ein Bild zu machen, welche Bereiche einer detaillierteren Analyse unterzogen werden sollten. Dann haben wir einige „Slices“ der interessanten Stellen extrahiert und zur vollständigen Digitalisierung exportiert, um eine bessere Schätzung des abgelösten Gesteinsvolumens – ca. 61 m³ – vornehmen zu können.”

LAUFENDE FORSCHUNGSARBEITEN: EINSATZ VON 3D-MODELLEN ZUM VERSTÄNDNIS GEOLOGISCHER PROZESSE

Die Studien haben gezeigt, dass 3D-Laserscanning ein nützliches Messverfahren für die Veränderung natürlicher Strukturen ist. Die erfassten Daten können bei der Auslegung anderer geologischer Informationen helfen. „Zum Beispiel“, so Santagata, „haben die beim Vergleich der Lechuza-Höhle identifizierten Abweichungen interessante Daten geliefert, die mit den Niederschlägen korrelieren, die in der Gegend zwischen den beiden Vermessungskampagnen gefallen sind.

So sind die Einstürze des Abisso del Cenote wahrscheinlich auf Schwankungen zwischen der Oberflächen- und der Höhlentemperatur zurückzuführen, die über in der Höhle angebrachte Temperatur- und Luftdrucksensoren dokumentiert werden. Der entsprechende Höhlenbereich wird einer detaillierten Umgebungsüberwachung unterzogen und weitere 3D-Modelle werden Aufschluss darüber geben, ob diese Prozesse für die Entstehung und Entwicklung von Eishöhlen in den Alpen relevant sind.“

Entdecken Sie die Projekte in 3D:
Atacama Salzhöhlen
Atacama 3D Modelle
Cenote 2018 Expedition
Cenote 3D Modelle

Maßgebliche Expeditionsbeteiligte: Tommaso Santagata (Vigea und La Venta Esplorazioni Geografiche), Umberto Del Vecchio (Vigea - Virtual Geographic Agency und La Venta Esplorazioni Geografiche), Jo De Waele (Universität Bologna und La Venta), Francesco Sauro (Universität Bologna und La Venta), Stefano Fabbri (Universität Bologna und La Venta).

Die Expeditionen zur Lechuza-Höhle 2015 wurden von der Association La Venta Esplorazioni Geografiche mit wissenschaftlicher Unterstützung der Abteilung BIGEA der Universität Bologna und in Zusammenarbeit mit der Commissione Grotte E. Boegan organisiert. Die wissenschaftliche Expedition 2018 wurde von der National Geographic Society gefördert und mit Unterstützung der chilenischen Forstbehörde CONAF realisiert. Die Überwachung des Abisso del Cenote ist ein multidisziplinäres Vorhaben im Rahmen des Projekts „Inside the Glaciers“ unter Beteiligung von La Venta, BIGEA und dem Naturpark Fanes-Sennes-Prags in Zusammenarbeit mit Studio GST und Eli Friulia, dem Speleo Club Proteo Vicenza, der Gruppo Grotte Treviso und der Gruppo Speleologico Padovano.