Hydrographic Remote Sensing - Verfahren der Fernerkundung in der Seevermessung D-GEO 22. September 2020
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Hydrographic Remote Sensing
Verfahren der Fernerkundung in der Seevermessung
D-GEO · 22. September 2020
Organisation
Ressortforschung in der Seevermessung Kontinuierliche Neu- und Weiterentwicklung der Methoden, Verfahren und Systeme ► Steigende Anforderungen an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Anwenderfreundlichkeit der digitalen Produkte ► Alternative Messplattformen – schiffgestützt, flugzeuggestützt, satellitengestützt, crowd sourcing ► Neuartige Messverfahren – Laserbathymetrie, hydrographic remote sensing, sensor fusion, … ► Automatisierung – Datenerfassung und -verarbeitung ► Digitalisierung – Vernetzung, Interaktion; digitizing vs. digitalizing ► Open Data – Entwicklung von Strategien für eine effiziente Bereitstellung der Vermessungsdaten
Seevermessung und Wracksuche Schiffgestützte Erfassung der Meeresbodentopografie mit hydroakustischen Fächerecholotsystemen
Seevermessung und Wracksuche
Tiefenmessung durch Echolotung (1)
Entfernungsmessung mit Schall und Echo
durch elektroakustische Laufzeitmessung
eines Ultraschallimpulses © BR
© Lurton
© ELAC
Seevermessung und Wracksuche
Tiefenmessung durch Echolotung (2)
Entfernungsmessung mit Schall und Echo
durch elektroakustische Laufzeitmessung
eines Ultraschallimpulses © BR
© Lurton
© ELAC
Seevermessung und Wracksuche
Fächerecholotung
Effiziente, räumlich hochaufgelöste Erfassung der
Gewässerbodentopografie durch Aussenden einer Richtkeule hoher
Bündelung in Längsrichtung und großer Breite quer zur Fahrtrichtung.
7
Seevermessung und Wracksuche
Kartierung von Unterwasserhindernissen
8
Seevermessung 3D-Gewässerbodentopografie
Seevermessung
Qualitätsgesicherte Geobasisdaten für …
Operationelle Modellierung Geoinformation für Schifffahrt Fischerei
Meeresraumplanung Offshore-Industrie Archäologie Küstenschutz
Meeresumwelt Wasserstandsvorhersagen und SturmflutwarnungenFernerkundung
Remote sensing is the science and technology of capturing,
processing and analyzing imagery, in conjunction with other
physical data of the Earth and the planets, from sensors in
space, in the air and on the ground.
Definition der Internationalen Gesellschaft für Photogrammetrie und Fernerkundung (ISPRS)
► Indirekte, berührungslose Messung der von Objekten
emittierten oder reflektierten elektromagnetischen Strahlung und Schallwellen
► Erfassung des Raumbezugs
► Automatische, geometrische und semantische (Bild-)Datenauswertung
© RSRG, Uni BonnRessortforschung in der Seevermessung (1) Kontinuierliche Neu- und Weiterentwicklung der Methoden, Verfahren und Systeme ► Steigende Anforderungen an Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Anwenderfreundlichkeit der digitalen Produkte ► Alternative Messplattformen – schiffgestützt, flugzeuggestützt, satellitengestützt, crowd sourcing ► Neuartige Messverfahren – Laserbathymetrie, hydrographic remote sensing, sensor fusion, … ► Automatisierung – Datenerfassung und -verarbeitung ► Digitalisierung – Vernetzung, Interaktion; digitizing vs. digitalizing ► Open Data – Entwicklung von Strategien für eine effiziente Bereitstellung der Vermessungsdaten
Ressortforschung in der Seevermessung (2)
Kontinuierliche Neu- und Weiterentwicklung der
Methoden, Verfahren und Systeme
► Untersuchungen zum Einsatz der Laserbathymetrie in der Seevermessung
(2012-2015, Auftragsforschung)
► ECOMAP - Baltic Sea environmental assessments by innovative opto-acoustic remote
sensing, mapping, and monitoring (2017-2020, Stakeholder)
► UAV-gestützte Einsatzplanung für Vermessungsschiffe auf Grundlage automatisch
generierter Orthofotos (2018, interne Machbarkeitsstudie)
► Satellite-derived Bathymetry - Potential für Anwendungen in der Seevermessung
(2019-2020, interne Machbarkeitsstudie)
► Maritime services based on Space and Unmanned Maritime Systems
(2019-2020, Stakeholder)
► Verbesserte Verfahren zur Bestimmung raumzeitlich aufgelöster
Wasserschallgeschwindigkeitsprofile (2019-2021, internes FuE-Projekt)
► Laserbathymetrie in küstennahen Bereichen der Nordsee (2021-2024, Auftragsforschung)
► EMSA RPAS services for emission monitoring and hydrographic survey over tidelands in
Germany (Machbarkeitsstudie, 2021)
► Satellite Seafloor Survey Suite (pending, Stakeholder)
► Satellitengestützte operationelle Einsatzplanung in der Seevermessung (S·O·S) durch
integrierte Verarbeitung multispektraler Sentinel-2-Satellitenbildsequenzen (pending)
► Entwicklung eines Multi-Sensor-Systems zur hochgenauen 3D-Schadenskartierung unter
Wasser (pending)Laufende Entwicklungen
Laserbathymetrie
© AHAB
Evaluation des Einsatzpotentials
als komplementäres Messverfahren in Flachwassergebieten
Methodische Weiterentwicklung
Welleninduzierte Refraktionskorrektur, waveform-stacking, …
© nach TU Wien
Überführung in den Wirkbetrieb
Datenbereitstellung und -verarbeitung, Qualitätssicherung, …Laserbathymetrie
Korrektur systematischer Koordinatenfehler (1)
Lokale wellen-induzierte
Wasseroberflächenneigungen verursachen
einen Koordinatenversatz am Gewässerboden
© Rosa Brígida
15Laserbathymetrie
Korrektur systematischer Koordinatenfehler (2)
Prognose/Korrektur wellen-induzierter Koordinatenverschiebungen
für beliebige Wellenverhältnisse durch differentielle Modellierung der
Laserstrahlrefraktion an bewegten Wasseroberflächen
16Laserbathymetrie
Korrektur systematischer Koordinatenfehler (3)
Validierung der numerischen Simulation unter
kontrollierten Bedingungen
► Ergebnis: Lateraler Koordinatenversatz bis 10% der Gewässertiefe
pflanzt sich als Höhenfehler im cm/dm-Bereich fort
► Ausblick: Parametrisierung der Wasseroberfläche und/oder Extraktion
der Wasseroberflächenneigung aus Mehrbildaufnahmen
© TUDLaserbathymetrie
Ableitung zusätzlicher Gewässerbodenpunkte
► Vollständige Analyse des reflektierten Signals (full-waveform analysis)
unter Verwendung von Nachbarschaftsinformationen (waveform stacking)
► Erprobung in maritimer Anwendung
18Wasserschallgeschwindigkeit Motivation (1) Für hydrographische Vermessungsaufgaben ist die exakte Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit von fundamentaler Bedeutung – streng genommen zeitaufgelöst für jeden Punkt im vom Schall durchdrungenen Wasserkörper. Refraktionseinfluss bei MBES-Vermessung geschichteter Gewässer am kritischsten
Wasserschallgeschwindigkeit
Motivation (2)
Ist diese nicht (oder nur näherungsweise) bekannt, treten Fehler in der
Lage der berechneten 3D-Gewässerbodenkoordinaten auf, welche sich
als Tiefenfehler fortpflanzen und die Genauigkeit der Echolotmessung
signifikant beeinflussen.
20Wasserschallgeschwindigkeit
4D-SVP (1)
Verbesserte Verfahren zur Bestimmung raumzeitlich
aufgelöster Wasserschallgeschwindigkeitsprofile
► Integrierte Verarbeitung von realen und modellbasierten Daten zur Beschreibung der
Verteilung der Schallgeschwindigkeit im Wasserkörper
► Ziel: Ableitung raumzeitlich hochaufgelöster Wasserschallgeschwindigkeitswerte für
den gesamten Wasserkörper
Baroclinic hydrodynamic model represents
temperature and salinity circulation/propagation
© Canada Foundation for Innovation © CCE LTERWasserschallgeschwindigkeit 4D-SVP (2)
Survey planning
New concepts for optimized resource scheduling
Continuous but temporally rigid
resurveying of territorial waters
► Frequency depends on water depth and
terrain variability
► Growing demands vs. limited resources
UAV-based orthophoto generation
Data can provide a basis for …
Satellite imagery
► up-to-date planning of survey lines
► consecutive change detection and
Crowedsourcing subsequent schedule adjustment
23Survey planning UAV-based orthophoto generation
Survey planning
Satellite imagery on board
Use of up-to-date (2…5d), spatially high resolution (20…1m),
multispectral (RGB, NIR) satellite images directly on board.
Sentinel-2 © ESA
290km x 290km @10m GSD
Normalized Difference Water Index
−
=
+
25Survey planning
Satellite-derived bathymetry (1)
© EOMAP
26Survey planning
Satellite-derived bathymetry (2)
Is SDB suited to reliably detect changes in shallow waters?
► Commissioning of EOMAP GmbH & Co. KG (Seefeld, Germany) with a sevice for
high resolution satellite derived bathymetry
► Data basis: satellite imagery of three dynamic regions in North Sea and Baltic Sea
► Data evaluation/validation still in progress
© EOMAPSurvey planning Satellite-derived bathymetry (3)
Survey planning
Satellite-derived bathymetry (4)
Satellitengestützte operationelle
Einsatzplanung in der Seevermessung (S·O·S)
► Zuverlässigen Detektion von Änderungen der Gewässerbodentopografie durch integrierte
Verarbeitung multispektraler Sentinel-2-Daten (Bathymetrie und Intensität)
► Optimierte Einsatzplanung entsprechend tatsächlicher Notwendigkeit
29Survey planning
Crowedsourced bathymetry
… is the collection of depth measurements
from vessels, using standard navigation
instruments, while engaged in routine maritime
operations.
© Maritime Photographic © Fothema.de © Polizei HamburgUnbemannte Messplattformen
Multi-attributive 3D-Rekonstruktion von UWH (1)
► ROV/ASV-gestützte Erfassung von Unterwasserhindernissen
► Fusion hydroakustischer und opto-elektronischer Sensoren
► Online-SLAM durch integrierte Verarbeitung aller Kanäle
► Positionierungsgrundlage: schiffgestützt erhobenes
3D-MBES-Oberflächenmodell © Edgetech /
CodaOctopus
© SeaEye
© Savante
© RofallskiUnbemannte Messplattformen Multi-attributive 3D-Rekonstruktion von UWH (2)
Hydrographie – Messen mit allen Sinnen
800km Which senses could be used
in hydrographic surveying?
Hear hear the depth
Smell approaching land
Taste categorize sediment
See LiDAR, imagery
Feel investigate by a diver
© nach ECOMAPGibt es Fragen? Dr.-Ing. Patrick Westfeld Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrographie Geodätisch-hydrographische Verfahren und Systeme patrick.westfeld@bsh.de http://bsh.de/
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