Ableitung und Analyse von Erosionsrinnen-Netzwerken aus digitalen Geländemodellen mittels großmaßstäbiger Photogrammetrie und GIS

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Untersuchungsgegenstand, Zielsetzung und Fragestellung
1.2 Aufbau
1.3 Forschungsstand

2 Physisch-geographische Aspekte des Untersuchungsgebiets
2.1 Geologie der Souss-Ebene
2.2 Geomorphologie und Bodenerosion
2.3 Aktuelle Landnutzung

3 Datenaufnahme
3.1 Großmaßstäbige Luftbildaufnahme mit dem Fesseldrachensystem
3.2 Vermessung der Passpunkte
3.3 Verwendete Kamera
3.4 Einsatz von Digitalphotographie in der Luftbildaufnahme

4 Photogrammetrische Bildorientierung und Stereomodellerstellung
4.1 Grundlegende Aspekte der Photogrammetrie
4.1.1 Eigenschaften von Luftbildern
4.1.2 Stereoskopisches Sehen
4.1.3 Stereoskopische Visualisierung
4.1.4 3D Visualisierung mit Orthophotos
4.1.5 Koordinatensysteme
4.2 Theorie der Bildorientierung und Triangulation
4.2.1 Innere Orientierung
4.2.2 Äußere Orientierung
4.2.3 Relative Orientierung durch Verknüpfungspunkte
4.2.4 Absolute Orientierung durch Passpunkte
4.2.5 Aerotriangulation: Bündelblockausgleich
4.3 Bildorientierung und Triangulation in LPS
4.3.1 Auswahl der Luftbilder
4.3.2 Aufbau der Bildblockdatei
4.3.3 Absolute Orientierung
4.3.4 Relative Orientierung
4.3.5 Blocktriangulation
4.4 Ergebnisse der Triangulation
4.4.1 Berichte und Fehlerwerte
4.4.2 Gesamtblock
4.4.3 Drei finale Blöcke
4.4.4 Triangulationsbericht Block Rechts
4.4.5 Zusammenfassung: Bildorientierung und Triangulation

5 DGM-Erstellung
5.1 Datenstruktur von DGMs
5.2 Automatische DGM-Erstellung in LPS
5.2.1 Eigenschaften des DGMs
5.2.2 Definition von Regionen
5.2.3 Auswahl regionsspezifischer Suchfenstergrößen
5.3 Ergebnisse der automatischen DGM-Erstellung
5.3.1 Datensatz A
5.3.2 Datensatz E
5.3.3 Diskussion der Ergebnisse
5.3.4 Zusammenfassung: DGM-Erstellung
5.4 Manuelle DGM-Aufbereitung
5.4.1 Flächendeckende Korrektur - Datensatz A
5.4.2 Punktuelle Korrektur - Datensatz E
5.5 Raster-Interpolation in ArcGIS
5.5.1 Lokale Polynominterpolation
5.5.2 Ergebnisse der Raster-Interpolation

6 Automatische Ableitung von Erosionsrinnen-Netzwerken
6.1 Verfüllung künstlicher Senken
6.1.1 ArcHydro fill sinks
6.1.2 TauDEM fill pits
6.1.3 Ergebnisse der Auffüllung
6.2 Berechnung der Fließrichtung
6.2.1 ArcHydro D8-flow direction
6.2.2 TauDEM Dinf-flow direction
6.3 Berechnung der Abflussakkumulation
6.3.1 ArcHydro D8-flow accumulation
6.3.2 TauDEM Dinf-contributing area
6.3.3 Ergebnisse der Abflussakkumulation
6.4 Definition der Rinnen
6.5 Konvertierung der Rinnen-Raster in Vektordatei
6.6 Vergleich der Algorithmen
6.7 Zusammenfassung: Netzwerkableitung und Diskussion der Algorithmen
6.8 Ergebnisse der Netzwerkableitung
6.8.1 Methodik der 3D Netzwerkanalyse
6.8.2 Grenzwert der Rinnen-Definition
6.8.3 Manuelle DGM-Aufbereitung
6.8.4 Der Einfluss des Mikroreliefs auf die Netzwerkextraktion
6.8.5 Das Netzwerk E 50
6.8.6 Welche Rinnen werden automatisch erfasst?
6.8.7 Zusammenfassung: Netzwerkableitung

7 Analyse des Erosionsrinnen-Netzwerks
7.1 Datengrundlage und GIS-Analyse
7.1.1 Netzwerkklassifikation nach Horton/Strahler
7.1.2 Bestimmung der Richtungswinkel der Erosionsrinnen
7.1.3 Ergebnisse: Netzwerkklassifikation und Richtungswinkel-Bestimmung
7.1.4 Planierungsrichtung
7.1.5 Verschneidung der Ebenen
7.1.6 Winkelabweichung und Bearbeitung der Winkelwerte
7.2 Ergebnisse der Analyse des Erosionsrinnen-Netzwerks
7.2.1 Winkelabweichung, Strahler-Ordnung und kumulative Rinnenlänge
7.2.2 Zusammenfassung: Analyse des Erosionsrinnen-Netzwerks

8 Zusammenfassung und Ausblick
8.1 Zusammenfassende Ergebnisdiskussion und Methodenbewertung
8.2 Ausblick

9 Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Der methodische Aufbau der Arbeit (eigener Entwurf)

Abb. 2: Die Lage der Souss-Ebene innerhalb Marokkos

Abb. 3: Das Untersuchungsgebiet El Houmer

Abb. 4: Die Souss-Ebene

Abb. 5: Landnutzungskarte des Untersuchungsgebiets El Houmer

Abb. 6: Der Rokkaku-Drachen im Einsatz

Abb. 7 Die Verzeichnungskurve der Canon EOS 300D

Abb. 8: Radialer Versatz von Bildpunkten

Abb. 9: Verzerrung eines Luftbildes bei Schrägaufnahme

Abb. 10: Räumliches Sehen

Abb. 11: Stereomodell

Abb. 12: Die X-Parallaxe

Abb. 13: Abhängigkeit der Ausprägung der X-Parallaxe von Höhenunterschieden

Abb. 14: Digitale Photogrammetrische Arbeitsstation

Abb. 15: Differentialentzerrung eines Luftbildes

Abb. 16: Pixelkoordinatensystem

Abb. 17: Bild- und Geländekoordinatensystem

Abb. 18: Typischer photogrammetrischer Arbeitsablauf

Abb. 19: Die Parameter der inneren Orientierung

Abb. 20: Radiale Objektivverzeichnung

Abb. 21: Die Parameter der äußeren Orientierung

Abb. 22: Ideale Anordnung von Passpunkten

Abb. 23: Links ideale Anordnung der Bildstreifen, rechts Anordnung der Fesseldrachen-Bilder

Abb. 24: Prinzip des Bündelblockausgleichs

Abb. 25: Ein angelegter Bildblock (block file)

Abb. 26: Einfügen von Passpunkten zur äußeren Orientierung der Bilder

Abb. 27: Empfohlene Anordnung von tie points

Abb. 28: Triangulations-Zusammenfassung des Gesamtblocks

Abb. 29: Triangulationsbericht - Einstellungen

Abb. 30: Konvergenzwert

Abb. 31: Die Werte der äußeren Orientierung

Abb. 32: Genauigkeitsabschätzungen der äußeren Orientierung

Abb. 33: Parameter der inneren Orientierung

Abb. 34: Ergebnisse der zusätzlichen Parameter und deren Genauigkeiten

Abb. 35: Die Residuen der GCPs

Abb. 36: Objektkoordinaten und RMS-Fehler

Abb. 37: Datenstrukturen von DGMs

Abb. 38: Eine ideales Schema des Suchfensterszenarios

Abb. 39: Das Verfahren der space forward intersection

Abb. 40: Die Regionen des Paares 37&42

Abb. 41: Die vier digitalisierten Regionen der DGM-Genierung

Abb. 42: Die Einstellungen der Strategie-Parameter

Abb. 43 Verteilung der Höhenwerte bei verschiedenen X-Fenstergrößen

Abb. 44: Verteilung der Höhenwerte bei verschiedenen Y-Fenstergrößen

Abb. 45: Drei Regionen für die DGM-Erstellung des Bildpaares 40&49

Abb. 46: Datensatz A, 2D in ArcGIS

Abb. 47: a und b: Datensatz A - Blickrichtung und Horizontalansicht; c und d zum Vergleich: Orthophotos basierend auf Datensatz A, gleiche Ansicht

Abb. 48: Zentraler Ausschnitt aus dem Stereobereich des Paares 37&42

Abb. 49: a und b: Datensatz E - Blickrichtung und Horizontalansicht; c und d zum Vergleich: Orthophotos basierend auf Datensatz E

Abb. 50: Anaglyphenbild des Bildpaares 37&42

Abb. 51: Anaglyphenbild des Bildpaares 40&49

Abb. 52: Ausschnitt aus dem Stereobereich des Paares 40&49

Abb. 53: Datensatz A mit einem Farbverlauf visualisiert

Abb. 54: ArcGIS-Menü-Fenster select by attributes

Abb. 55: Datenvorschau sowie Direkthilfe

Abb. 56: Einstellungen des Standard-Reiters

Abb. 57: Glättungs-Einstellungen

Abb. 58: Ergebnisdarstellung der Interpolation im Geostatistical Analyst Wizard

Abb. 59: a: DGM A unverändert, b: korrigiertes DGM B und c: Differenzbildung A und B

Abb. 60: a: DGM E unverändert; b: Differenzbildung E und F

Abb. 61: Schematische Darstellung einer abflusslosen Senke

Abb. 62: Das Menüfill sinks in ArcHydro

Abb. 63: Das Dialog-Fenster Fill Pits in TauDEM

Abb. 64: a Differenzbildung DGM B verfüllt und DGM B; b Differenzbildung DGM F verfüllt und DGM F

Abb. 65: Berechnung des steilsten Gefälles nach dem D8-Algorithmus

Abb. 66: Codierung der acht möglichen Strömungsrichtungen in ArcHydro

Abb. 67: Die Fließrichtung entspricht der Richtung des steilsten Gefälles

Abb. 68: a Auszug aus dem Dinf-Fließrichtungsraster (DGM B); b Auszug aus dem D8-Fließrichtungsraster

Abb. 69: Fließakkumulationsraster des D8- und des Dinf-Algorithmus

Abb. 70: D8 (a) und Dinf (b) bei gleichem Grenzwert (100 Pixel)

Abb. 71: Ausschnitt aus Rinnen-Netzwerk auf Basis von DGM B

Abb. 72: Ausbildung paralleler Fließpfade

Abb. 73: Die Arbeitsschritte der Ableitung eines Erosionsrinnen-Netzwerks

Abb. 74: Erosionsrinnen-Ableitungen mit den Grenzwerten 100, 75 und 50

Abb. 75: Ergebnisse der 3D Netzwerk-Analyse 2D dargestellt

Abb. 76: Ausschnitt aus 3D Netzwerkanalyse

Abb. 77: Überblick über die fünf Bearbeitungsflächen

Abb. 78: Bearbeitungsfläche F: Der Rinnenverlauf (F 50) konnte im Vergleich zum alten Verlauf (E 50) verbessert werden

Abb. 79: Der Ausschnitt aus der 3D Analyse

Abb. 80: Die Hauptabflusslinien werden gut wiedergegeben

Abb. 81: Verschattete Rinnen

Abb. 82: Erfolgreiche Bildzuordnung

Abb. 83: Die vertikale Lage des Rinnenbodens entspricht nicht der absoluten Lage .

Abb. 84: piping-Brücke

Abb. 85: Lokale peaks

Abb. 86: Auszug aus der Attribute-Tabelle des Referenz-Netzwerks

Abb. 87: Das nach der Strahler-Ordnung klassifizierte Referenz-Netzwerk

Abb. 88: Farbliche Visualisierung des Attributs Richtungswinkel

Abb. 89: Bestimmung der Planierungsrichtung

Abb. 90: Schema der intersect-Funktion in ArcGIS

Abb. 91: Schematische Darstellung der Bearbeitungsschritte

Abb. 92: Kumulative Rinnenlänge einer Winkelabweichungsklasse, differenziert nach der Strahler-Ordnung

Abb. 93: Kumulativen Rinnenlänge und Strahler-Ordnungen

Abb. 94: Corona-Luftbild von 1968

Tabellenverzeichnis

Tab. 1: Sensoreigenschaften der Canon EOS 350D

Tab. 3: Aufnahmerichtung von Luftbildern

Tab. 4: Tabelle der ausgewählten Bilder

Tab. 5: Eigenschaften der verwendeten Bilder

Tab. 6: Zusammenfassung der Genauigkeiten der Triangulation

Tab. 7: Arbeitsschritte der manuellen Punktkorrektur

Tab. 8: Ergebnisse der DGM-Interpolation

Tab. 9: Breite erfasster Rinnen, DGM- sowie Bildpixelauflösung

Tab. 10: Kreuztabelle Rinnenlänge, Winkelabweichung und Strahler-Ordnung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die vorliegende Diplomarbeit entstand im Zusammenhang mit dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Projekt MoGul (Monitoring of Gully Erosion in semi-arid Landscapes), welches 2007 seinen Abschluss fand. „Das Forschungsprojekt MoGul… untersucht[e] Typen, Formenentwicklung und Abhängigkeiten von gullies sowie die Art und Bedeutung der an gully-Erosion beteiligten morphologischen Prozesse… entlang eines Transektes von Nordspanien bis Westafrika“ (MoGul 2007). Den Untersuchungsgegenstand dieser Diplomarbeit bilden lineare Formen der Bodenerosion durch Wasser, Erosionsrinnen, die sich im Zuge von Landnutzungswandel und Landdegradation im semiariden Südwesten Marokkos vermehrt ausgebildet haben.

Die Datenaufnahme der Arbeit fand in der letzten Geländephase des Forschungsprojekts MoGul im Frühjahr 2006 in der Souss-Ebene Marokkos statt. Ziel des Aufenthalts war es, neben der reinen Datenerhebung, eine Kooperation mit Wissenschaftlern der Université Ibn Zohr, Agadir einzugehen. Die Kommunikation mit Professor Ali AïtHssaine erschloss wichtige fachliche Aspekte, insbesondere bezüglich der historischen Entwicklung von Bodenerosion und Landnutzung im Untersuchungsgebiet. Geplant ist ein gemeinschaftliches Projekt zur Untersuchung der Landdegradation in der SoussEbene. Diese Diplomarbeit soll dem Projekt methodische Anstöße für ein flächenhaftes Monitoring der linearen Erosionsformen geben.

1.1 Untersuchungsgegenstand, Zielsetzung und Fragestellung

Die vorliegende Arbeit hat die flächenhafte Erfassung und Analyse von Erosionsrinnen- Netzwerken zum Inhalt. Das übergeordnete Ziel der Arbeit ist es, diese linearen Strukturen auf Basis digitaler Geländemodelle (DGMs) systematisch aufzunehmen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Entwicklung einer Methode zur automatischen Kartierung von Erosionsrinnen, vor dem Hintergrund eines flächenhaften Erosionsrinnen-Monitorings. Die dafür benötigten hochauflösenden DGMs werden über stereo-photogrammetrische Auswerteverfahren aus großmaßstäbigen Luftbildern generiert. Darüber hinaus wird der Einfluss von anthropogenen Nutzungsspuren im Untersuchungsgebiet auf die Ausbildung des Rinnen-Netzwerks analysiert.

Das erste Ziel der Arbeit besteht in der Erstellung eines genauen DGMs des Untersuchungsgebiets. Das zweite Ziel der Arbeit beinhaltet die Entwicklung der Methode zur automatischen Ableitung von Erosionsrinnen-Netzwerken auf Basis der DGMs und unter Einsatz eines Geographischen Informationssystems (GIS). Dabei werden zwei mathematische Verfahren zur Ermittlung von Fließrichtungen verwendet und verglichen. Das abschließende Ziel der Arbeit umfasst die Analyse des Erosionsrinnen-Netzwerks, insbesondere hinsichtlich der anthropogenen Einflussnahme.

Daraus ergeben sich für diese Diplomarbeit vier zentrale Fragestellungen:

- Mit welcher Methode kann ein Rinnen-Netzwerksystem automatisch erfasst werden?
- Wie genau bildet ein automatisch generiertes Rinnen-Netzwerk die Realität ab?
- Ist die Methode für ein Monitoring geeignet?
- Inwieweit wurde die Ausbildung der Erosionsrinnen von anthropogenen Faktoren (wie Planieren, Pflügen) beeinflusst?

1.2 Aufbau

Die vorliegende Arbeit ist ihrem methodischen Charakter entsprechend aufgebaut. Die klassische wissenschaftliche Struktur wird teilweise aufgebrochen und an die Ansprüche der Fragestellung angepasst (siehe Kap. 4, 5, 6).

In Kaptitel 1 wird der Rahmen der Arbeit aufgespannt sowie der Untersuchungsgegenstand und die Zielsetzung erläutert. In Kapitel 2 werden physischgeographische Aspekte des Untersuchungsgebiets thematisiert, wobei das besondere Augenmerk auf Bodenerosion und Landnutzung gelegt wird. Das Kapitel 3 widmet sich der Datenaufnahme im Gelände sowie der dafür eingesetzten Geräte. Die folgenden Kapitel 4, 5 und 6 bilden die drei methodischen Stufen dieser Arbeit:

- die photogrammetrische Bildorientierung und Stereomodellerstellung (siehe Kap. 4),
- die DGM-Erstellung (siehe Kap. 5)
- die automatische Ableitung von Erosionsrinnen-Netzwerken (siehe Kap. 6).

Letztgenannte Methoden bauen stark aufeinander auf, weswegen jedes dieser Kapitel einen eigenen Theorie-, Praxis- und Ergebnisteil enthält (siehe Abb. 1). Kapitel 7 behandelt die Analyse eines Erosionsrinnen-Netzwerks. Hier wird der Zusammenhang zwischen der Ausrichtung der Rinnen und der anthropogener Nutzungsspuren hergestellt. Das letzte Kapitel 8 fasst die Ergebnisse der Arbeit zusammen und betrachtet diese abschließend.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1: Der methodische Aufbau der Arbeit (eigener Entwurf).

1.3 Forschungsstand

Traditionell gehört die Modellierung von Abfluss-Netzwerken (engl. channel networks) in die Hydrologie. Das Aufkommen von digitalen Abbildungen der Erdoberfläche in den 1980er Jahren hat die Entwicklung von Verfahren zur automatischen Ableitung von Fließrichtungen und damit die automatische Erfassung von Abfluss-Netzwerken gefördert, welche auch im Bereich der Kartographie und der Geomorphologie Anwendung fanden (TARBOTON et al. 1992:85). Eines dieser Verfahren zur Determinierung von Fließrichtungen aus DGMs, der D8-Algorithmus, wurde von O’CALLAGHAN & MARK (1984) begründet. Obwohl seitdem weitere komplexere Algorithmen entwickelt wurden, wird der D8-Algorithmus heute noch häufig zur Ermittlung von Stoffbewegungen eingesetzt.

Die zunehmende Verfügbarkeit nationaler und globaler digitaler Höhendaten, bspw. SRTM-Daten (shuttle radar topography mission), unterstützt den Einsatz von DGM- basierten Geländeanalysen. In der Hydrologie wird dabei hauptsächlich großskalig, auf kleiner Maßstabsebene gearbeitet. Die räumliche Auflösung der verwendeten DGMs liegt häufig im zweistelligen Meterbereich (siehe PELLETIER 2008:70; QUINN et al. 1992:67; TARBOTON & AMES 2001). Von wissenschaftlichem Interesse ist die flächenhafte Ermittlung von Fließrichtungen, da sie die Grundlage für räumlich verteilte hydrologische Modellierung darstellt, z.B. für die Modellierung von Transport von Schadstoffen in einem Einzugsgebiet oder die Vorhersage von Hochwasserereignissen (PELLETIER 2008:72f.). Des Weiteren kann entsprechend dem Datum des zugrunde liegenden DGMs der aktuelle Verlauf von Gewässernetzen generiert werden (SCHULER et al. 2005:4). Dieser Ansatz ist vor allem in Regionen, in denen das amtliche Kartenmaterial veraltet oder schwer zugänglich ist, vorteilhaft.

Die automatische Herleitung von Abfluss-Netzwerken findet auch auf kleineren Skalenniveaus in der Geomorphologie ihren Einsatz. Auf einer experimentellen Ebene werden im Bereich der Bodenerosionsforschung Studien zur automatischen Bestimmung von Oberflächen und zur Entwicklung von Netzwerken aus linearen Erosionsformen durchgeführt (RIEKE-ZAPP et al. 2001;RIEKE-ZAPP &NEARING 2005:69ff.; WEGMANN et al. 2001). Digitale Oberflächenmodelle werden hierbei über Methoden der Nahbereichsphotogrammetrie generiert, die größtenteils den in dieser Arbeit verwendeten Methoden entsprechen (siehe Kap. 4 und 5). Über Niederschlagssimulationen auf Testflächen, die Größen von ca. 1 bis 20 m² aufweisen, werden Erosionsereignisse künstlich erzeugt und in einer hohen zeitlichen und räumlichen Auflösung photographisch festgehalten (RIEKE-ZAPP &NEARING 2005:69). RIEKE-ZAPP &NEARING (2005:74) arbeiten in Maßstabsbereichen von 1:100, um Erosionsraten zu bestimmen und die Entwicklung von Rillen-Netzwerken zu erfassen. WEGMANN et al. (2001) und RIEKE- ZAPP &NEARING (2005:83) leiten in diesem Zusammenhang ein Rillen-Netzwerk über den D8-Algorithmus automatisch aus den stereo-photogrammetrisch erzeugten Oberflächenmodellen ab. Die extrahierten Netzwerke dienen der Visualisierung des Rillenverlaufs. Sie werden jedoch nicht für weitere Analysen eingesetzt. BRASINGTON & SMART (2003:232f.) verfolgen einen ähnlichen methodischen Ansatz, wobei das Ziel in der Quantifizierung von sich verlagernden Sedimentvolumina liegt. Der Schritt der Netzwerkextraktion wird ausgelassen.

In dieser Arbeit geht es darum herauszufinden, ob es möglich ist, lineare Erosionsformen auf Basis hochauflösender DGMs exakt und automatisch abzuleiten, mit dem Ziel, die Entwicklung dieser Formen im Sinne eines Monitorings festhalten und beobachten zu können. Der verwendete Maßstab ist mit 1:6000 größer als der einer typischen hydrologischen Modellierung, jedoch kleiner als der experimenteller geomorphologischer Untersuchungen. Auf dieser Maßstabsebene liegen keine wissenschaftlichen Arbeiten vor, in denen Abfluss- bzw. Erosionsrinnen-Netzwerke aus DGMs mittels großmaßstäbiger Photogrammetrie unter Einsatz von GIS abgeleitet werden.

2 Physisch-geographische Aspekte des Untersuchungsgebiets

Das Untersuchungsgebiet El Houmer befindet sich in der Souss-Ebene im Südwesten Marokkos (siehe Abb. 2). Die namensgebende Gemeinde liegt südlich der untersuchten Fläche (siehe Abb. 3). Das Gebiet wird im Norden begrenzt durch das Wadi Oued el Ouaâr, im Osten durch landwirtschaftlich genutzte Flächen und im Westen durch eine Orangenplantage. Die Provinzhauptstadt Taroudant ist ca. 6 km von El Houmer entfernt.

Abb. 2: Die Lage der Souss-Ebene innerhalb Marokkos. Die territoriale Grenze ist weiß markiert (Eigene Abbildung auf Basis von Google Earth, 22.11.2008).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Das Untersuchungsgebiet El Houmer ist ca. 6 ha groß. Die folgenden Auswertungen beziehen sich auf die ca. 2 ha große Testfläche (Eigene Abbildung auf Basis von Google Earth, 22.11.2008).

2.1 Geologie der Souss-Ebene

Die Ebene ist nach dem Fluss Souss benannt, welcher das Gebiet entwässert und südlich von Agadir in den Atlantik mündet. Sie erstreckt sich keilförmig von der Küste bis ins Landesinnere über eine Strecke von ca. 160 km. Begrenzt wird die Ebene im Norden von einem alpidischen Faltengebirge, dem Hohen Atlas, der dem nordafrikanischen Atlas- Gebirgssystem zuzuordnen ist und im Süden vom Anti-Atlas, der geologisch gesehen einen Teil des afrikanischen Kontinents bildet (siehe Abb. 4) (ANDRES 1977:10f.). Die Souss-Ebene verläuft entlang einer morphostrukturellen Übergangszone (AÏT HSSAINE 2002:22). Sie bildet den westlichen Teil der panafrikanischen Senke und ist mit kretazischen und tertiären Sedimenten verfüllt (ANDRES 1977:11.). Dabei handelt es sich hauptsächlich um kontinentalen Abtragungsschutt des Hohen Atlas (SNOUSSI 1988:63). Die jüngsten fluvialen Akkumulationen sind quartäre Schotter, Lehme sowie lakustrine Kalke, die in Form von Schwemmfächern und alluvialen Terrassen die Ebene füllen (ANDRES 1977:11.). Im Pleistozän einsetzende Senkungsbewegungen der zentralen Souss-Ebene erklären die Ausbildung von Waditerrassen, die aus kalkhaltigem Substrat des Anti-Atlas sowie des Hohen Atlas bestehen (CHAKIR 1997:161). Die noch heute andauernden Absenkungsbewegungen verlaufen entlang von tektonischen Störungszonen, die die aktuelle Morphodynamik beeinflussen (ANDRES 1977:11).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4: Die Souss-Ebene (Legende übersetzt und Maßstab verändert nach AÏT HSSAINE 2002:22).

2.2 Geomorphologie und Bodenerosion

El Houmer liegt auf dem unteren Teil eines Schwemmkegels des Oued Irguitène, der sich auf etwa 17 km Länge von den Flanken des Hohen Atlas bis in die Ebene erstreckt. Die bis zu 250 m mächtigen Schwemmfächer sind charakteristische Aufschüttungsformen der Flüsse, die aus dem Hohen Atlas in die Souss-Ebene eintreten (AÏT HSSAINE 1998:125;AHNERT 1996:242; CHAKIR 1997:79). Der das Untersuchungsgebiet nördlich begrenzende Oued el Ouaâr mündet westlich von Taroudant in den Oued Souss (siehe Abb. 4). Er schneidet sich aufgrund einer tektonischen Flexur nordöstlich von Taroudant, nicht nur in seinen eigenen Schwemmkegel, sondern bei El Houmer mit einer durchschnittlichen Tiefe von sieben Metern auch in die alluvialen Sedimente des Oued Irguitène ein. Diese tektonische Besonderheit fördert durch die Absenkung der Erosionsbasis die aktuelle Morphodynamik und damit vor allem die rückschreitende Erosion im Untersuchungsgebiet (AÏT HSSAINE 1998:137).

Bodenerosion ist eine zentrale Problematik in der Souss-Ebene, vor allem in der Gegend um Taroudant. Historisch kann sie auf die Rodung der endemischen Arganienwälder in der Zeit des Zuckerrohranbaus (12. bis 17. Jahrhundert) zurückgeführt werden (AÏT HSSAINE 1998:124, 139). Doch auch nicht angepasste rezente Ladnutzungsformen, gekoppelt mit den naturräumlichen Bedingungen, fördern Landdegradation und Bodenerosion. Nach AÏT HSSAINE (2002:26) wird die Bodenerosion durch einen Komplex an Faktoren begünstigt:

- sandig-schluffiges Substrat mit inkohärentem Gefüge, Physisch-geographische Aspekte des Untersuchungsgebiets 8
- semiarides Klima mit mediterranem Charakter,
- kalte Winter mit Starkniederschlagsereignissen, wobei STAIMESSE et al. (1987:10) für Taroudant folgende Werte dokumentiert: 212 mm Niederschlag im Jahresdurchschnitt sowie durchschnittliche Wintertemperaturen von 2° C mit Nachtfrostereignissen,
- heiße Sommer mit ausgedehnten Trockenperioden, wobei STAIMESSE et al. (1987:10) für Taroudant durchschnittliche monatliche Maximalwerte von 45° C angibt,
- komplette Abholzung der endemischen Arganienwälder im unteren Bereich des Schwemmkegels.

In den heißen Sommerperioden kommt es zur Austrocknung des Substrats und dadurch zur Bildung von Trocken- und Entlastungsrissen. Während der winterlichen Starkniederschläge sammelt sich das überschüssige Wasser darin, da es aufgrund der Verschlämmung der Bodenoberfläche nicht infiltrieren kann. Dadurch sind optimale Bedingungen für eine Zerschneidung von Flächen gegeben (AÏT HSSAÏNE 1998:136). Im Arbeitsgebiet konnten folgende typische Formen der Bodenerosion durch Wasser beobachtet werden:
- Flächenhafte Erosion (engl. sheet flow), welche eine Verschlämmung der Oberfläche und Bodenkrustenbildung zur Folge hat,
- Rillenerosion (engl. rill erosion) (bis ca. 10 cm tief), im Zwischenrillenbereich wirkt weiterhin die flächenhafte Erosion,
- Rinnenerosion (engl. rill erosion oder ephemeral gully erosion), solange der Boden nicht weiter als bis zur Grenze der Bodenbearbeitung abgetragen wird (bis ca. 30 cm tief),
- Grabenerosion (engl. gully erosion) (mehrere Meter breit und tief), wenn die Rinne nicht mehr durch Bodenbearbeitung verfüllt werden kann und dauerhaft erhalten bleibt,
- Tunnelerosion (engl. piping), unterirdische Erosion, die entsteht, wenn Wasser in den Boden infiltriert, hangparallel abfließt und dispergierte Bodenteilchen ausschwemmt.

Da die fluvialen Bodenerosiosformen in der Literatur unterschiedlich angesprochen werden (siehe AHNERT 1996; MORGAN 1999; WAINWRIGHT& THORNES 2003), wurden aus Gründen der Einheitlichkeit alle Definition auf AUERSWALD (1998:37f.) bezogen. Im Folgenden wird hauptsächlich der Terminus Erosionsrinne verwendet. Zum einen, da es die dominierende Erosionsformen im Untersuchungsgebiet ist, zum anderen, da in der Analyse nicht zwischen den linearen Formen der Rillen-, Rinnen- und Grabenerosion unterschieden werden kann.

2.3 Aktuelle Landnutzung

Die lehmigen quartären Alluvionen stellen die Grundlage für eine moderne Bewässerungslandwirtschaft dar. Insbesondere seit den 1980er Jahren findet in der Souss-Ebene der Anbau von Zitrusfrüchten in modernen exportorientierten Großplantagen statt. In der näheren Umgebung El Houmers werden in diesen hauptsächlich Orangen angebaut (siehe Abb. 5) (STUMPF 2007:44). Neben den Großplantagen existieren in der Umgebung des Untersuchungsgebiets kleinförmige traditionelle Anbauformen der lokalen Bevölkerung, wobei Getreide, Obst und Gemüse zum Eigenbedarf noch im Regenfeldbau angebaut werden (STUMPF 2007:48).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 5: Die Landnutzungskarte des Untersuchungsgebiets El Houmer zeigt wie stark die

Verflechtung von kleinbäuerlicher Landnutzung, exportorientierten Anbauformen (Zitrusfrüchte in Großplantagen) und Degradationserscheinungen ist (Gully- Erosionsflächen) (Signaturen bearbeitet nach BRENDEL 2009).

Das Arbeitsgebiet, der erosiv zerschnittene Acker El Houmer, wurde in den Jahren 2000/01 maschinell eingeebnet. Hierdurch wurde eine kurzfristige ackerbauliche Nutzung in Form von Maisanbau ermöglicht. Das Land wurde mit abnehmenden Erträgen zwei bis drei Jahre lang kultiviert und währenddessen mit einem Traktor gepflügt. Aufgrund erneuter Zerschneidung fiel die Ackerfläche wieder brach (AÏT HSSAÏNE 2008; STUMPF 2007:68). Obwohl diese seit ca. drei Jahren brach liegt, sind die Spuren der Planierungsraupe sowie des Traktors aktuell noch sichtbar. Im Rahmen dieser Arbeit geht es auch darum, die Einflussnahme der anthropogenen Nutzungsspuren auf die Ausbildung und Ausrichtung der Erosionsrinnen zu analysieren.

Bezüglich des Zeitpunkts der Einebnung des Untersuchungsgebietes gibt es unterschiedliche Informationen. Nach AÏT HSSAINE (2008) fand die Einebnung der Fläche schon im Jahre 1996 statt während STUMPF (2007:68) sie in den Zeitraum 2000/01 einordnet. AÏT HSSAINE (2008) ergänzte weiterhin, dass die lineare Erosion in der regenreiche Phase des auf die Planierung folgenden Jahres (1997) stattfand. Nicht auszuschließen ist, dass eine Planierung zur Erosionsbekämpfung gefolgt von erneuter Einschneidung mehrmals stattgefunden hat, besonders vor dem Hintergrund, dass diese Methode zur Erosionsbekämpfung nach AÏT HSSAINE (2008) vermehrt in der Gegend um Taroudant eingesetzt wird. Grundsätzlich sei es jedoch eine lokale Erscheinung und keine gängige Methode innerhalb Marokkos.

3 Datenaufnahme

Die Datengrundlage dieser Arbeit besteht aus 79 Luftbildern und 22 Passpunkten, die während der letzten Geländephase des DFG-Projektes MoGul im März 2006 in Marokko aufgenommen wurden. Im Folgenden werden technische und methodische Aspekte der Datenerhebung erläutert.

3.1 Großmaßstäbige Luftbildaufnahme mit dem Fesseldrachensystem

Ein Luftbild wird per Definition von einem Flugkörper aus aufgenommen (HILDEBRANDT 1996:74). Für die Aufnahme der in dieser Arbeit untersuchten Bilder wurde ein Fesseldrachen verwendet, der wie Heißluftballone und Modellflugzeuge schon seit Mitte des 19. Jahrhunderts als unbemannter Flugkörper zu diesem Zweck eingesetzt wird (ABER et al. 2002; JENSEN 2000:58ff.). Das Fesseldrachensystem unterscheidet sich grundlegend von den zuvor genannten durch die Möglichkeit seines Einsatzes unter Windeinfluss. Generell wird zwischen zwei Drachensystemen unterschieden, einem Leichtgewichtmodell und dem soliden Rokakku-Drachen. Ersteres verfügt über Tragflächen von ca. 1,5 m² und kommt bei geringen Windgeschwindigkeiten (15- 25 km/h) zur Anwendung. Letzteres kann Größen zwischen 3- 6 m² aufweisen und erzielt in einem windreichen Umfeld (25- 40 km/ h) gute Ergebnisse (ABER et al. 2002; ABER 2003:1). Für die Aufnahme der in dieser Arbeit untersuchten Bilder wurde der solide Rokkaku-Einleiner verwendet (siehe Abb. 6c) (MARZOLFF et al. 2002:18; MARZOLFF et al. 2003).

Der Einleinerdrachen muss an einem Fahrzeug oder Bodenanker befestigt werden, da sich Zugkräfte bis 400 kg aufbauen (siehe Abb. 6b, c). Eine auf Rollen laufende Gondel wird entlang des Drachenseils aufgezogen. In der Gondel ist das Kamerasystem aufgehängt, welches durch Fernauslösung bedient wird. Die Kameragondel kann mit Hilfe eines zweiten Seils, welches durch eine unterhalb des Drachens montierte Umlaufrolle geführt wird, unabhängig vom Drachen bedient werden (siehe Abb. 6a, b). Innerhalb der Gondel kann die Kamera ferngesteuert vertikal und horizontal gedreht werden, so dass sowohl senkrechte, als auch schräge Aufnahmen gemacht werden können (siehe Abb. 6a). Senkrechte Bilder sind aufgrund der Bewegung des Drachens selten. Meist entstehen Schrägaufnahmen, die Verzerrungen aufweisen, jedoch trotzdem photogrammetrisch auswertbar sind (siehe Kap. 4.1.1). Des Weiteren ermöglichen Schrägaufnahmen die Einordnung des Untersuchungsgebiets in den

Landschaftszusammenhang (ABER 2003:2; MARZOLFF et al. 2002:19; MARZOLFF et al. 2003). Für eine Befliegung werden im Gegensatz zu ABER (2002) mindestens vier Personen benötigt, je eine zur Bedienung der Fernsteuerung sowie des Kamera- und Drachenseils (siehe Abb. 6c). Eine weitere Person wird benötigt, die der Kamera folgt und dadurch die Kameraposition bzw. das Aufnahmegebiet markiert.

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Abb. 6: Der Rokkaku-Drachen im Einsatz (a und b Beschriftung verändert nach MARZOLFF et al. 2002:19, c eigene Aufnahme).

Der Drachen kann Höhen bis ca. 200 m erreichen. Je nach Objektiv und Flughöhe ergeben sich Bildmaßstäbe zwischen 1:250 und 1:6000, sowie Bodenauflösungen von 0,3 bis 6 cm (ABER 2002; MARZOLFF et al. 2002:19). Die in dieser Arbeit ausgewerteten Bilder wurden durchschnittlich in einer Flughöhe von 160 m aufgenommen und erreichen bei Bildmaßstäben von ca. 1:6000 mit einem 28 mm Objektiv Bodenauflösungen von ca. 4 cm (siehe Kap. 4.4.3). Das Drachensystem eignet sich besonders für ein Monitoring von Bodenerosionsformen, da es den zeitlich und räumlich dynamischen Ansprüchen dieser Prozesse gerecht wird, sowie hochauflösende Bilder in stereoskoper Qualität liefert (MARZOLFF et al. 2003). Zusätzlich ist es eine bezüglich der Aufrüstungs- und Betriebskosten günstige Methode.

3.2 Vermessung der Passpunkte

Ziel der Einmessung von Passpunkten ist es, XYZ-Koordinaten des Untersuchungsgebiets zu erhalten, um die Luftbilder geometrisch entzerren und photogrammetrisch auswerten zu können. Passpunkte werden für die absolute Orientierung der Bilder benötigt, mit der die Lage der Kamera zum Zeitpunkt der Aufnahme rekonstruiert wird (siehe Kap. 4.2.4). Das Messwerkzeug, eine Totalstation, wurde für die Geländeaufnahme frei stationiert. Ein lokales kartesisches Koordinatensystem wurde angelegt (KRAUS 1994:474; MARZOLFF et al. 2003). Die zur

Georeferenzierung der Bilder verwendeten Passpunkte wurden im Gelände farbig markiert und anschließend mit einem elektronischen Tachymeter (Totalstation) eingemessen, wobei die Genauigkeit ca. 1 cm beträgt. Grundsätzlich gilt, dass die Ergebnisse der Bildorientierung stark von den Parametern der äußeren Orientierung abhängen, welche wiederum auf den Passpunktmessungen beruhen (siehe Kap. 4.2.2 und 4.3.3). Demzufolge beeinflussen letztere die Genauigkeit der Gesamtauswertung stark und sollten entsprechend präzise sein (MARZOLFF et al. 2003:8). Die Genauigkeit der Datenaufnahme vor Ort wurde teilweise durch spielende Kinder beeinflusst, die Markierungen verwischten, so dass sechs davon zum Zeitpunkt des Einmessens nicht exakt lokalisierbar waren. Trotzdem konnten alle geplanten Punkte vermessen werden. Auf den Luftbildern sind die Passpunkte noch im ursprünglichen Zustand abgebildet.

3.3 Verwendete Kamera

Für die Aufnahme der Luftbilder wurde die handelsübliche digitale Spiegelreflexkamera Canon EOS 350D mit einem CMOS-Sensor (complementary metal oxide semiconductor) eingesetzt (siehe Tab. 1). Kamera und Objektiv (28 mm) wurden nicht kalibriert, so dass primär keine Angaben zur inneren Orientierung gegeben waren (siehe Kap. 4.2.1). Kalibrierungsdaten sind jedoch u.a. wichtig, um radialsymmetrische Abbildungsfehler des Objektivs in das Bildorientierungsverfahren integrieren zu können (siehe Kap. 4.2.1) (KRAUS 2004:53). Das Vorgängermodell der verwendeten Canon-Kamera, die EOS 300D wurde mit einem 28 mm Objektiv kalibriert. Objektivspezifische Ergebnisse der Kalibrierung, die Angabe der Kammerkonstante c (27,0645 mm) und die Verzeichnungswerte (siehe Abb. 7) wurden auf die verwendete Kamera übertragen und in die Blocktriangulation miteinbezogen (siehe Kap. 4.3.5). Die Stabilität dieser Werte ist jedoch unbekannt.

Tab. 1: Sensoreigenschaften der Canon EOS 350D

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Abb. 7: Die Verzeichnungskurve der Canon EOS 300D mit dem 28 mm Weitwinkelobjektiv. Die

Radiale Objektivverzeichnung (∆r) führt zum symmetrischen Versatz von Bildpunkten entlang radialer Linien (r) auf der Bildebene ausgehend vom Hauptpunkt o (0, 0).

3.4 Einsatz von Digitalphotographie in der Luftbildaufnahme

Die Technik der Digitalphotographie wurde 1990 marktreif (BOERES 2002). Etwa zehn Jahre später beschreiben ABER et al. (2002:2) und LIGHT (2001:1299) den zunehmenden Einsatz digitaler Sensoren in der Luftbildphotographie. Nach MARZOLFF et al. (in press:6) stellen Digitalkameras, seitdem sie mit Auflösungen von mindestens 5 Megapixeln zu Preisen von 1500€ erhältlich sind, eine Alternative zu konventionellen analogen Kameras dar und werden ab dem Jahr 2004 im DFG-Projekt MoGul zur großmaßstäbigen Luftbildaufnahme eingesetzt (RIES &MARZOLFF 2007:12). CHANDLER et al. (2005:12ff.) geben einen guten Überblick über günstige aktuelle Modelle und deren Anwendbarkeit in der Photogrammetrie. Gerade zur digitalen photogrammetrischen Auswertung sind digitale Bilder, im Gegensatz zu gescannten analogen Aufnahmen, vorteilhaft. Gründe dafür liegen in der höheren Stabilität und Empfindlichkeit der Bildchips im Vergleich zum sensiblen photographischen Film, sowie in der besseren Ausbelichtung von Schatten- und Lichtbereichen. Diese Faktoren begünstigen die photogrammetrische Auswertung (RIES &MARZOLFF 2007:12f.).

4 Photogrammetrische Bildorientierung und Stereomodellerstellung

In diesem Kapitel werden zunächst grundlegende Aspekte und Konzepte der Photogrammetrie erläutert, die für die Auswertung der berücksichtigten Luftbilder von Bedeutung sind (siehe Kap. 4.1 und 4.2). Ausführliche Erklärungen der theoretischen Hintergründe und der Standardverfahren sind in den klassischen Lehrbüchern der Photogrammetrie zu finden (siehe KONECNY & LEHMANN 1984; KONECNY 2003; HILDEBRANDT 1996; KRAUS 2004). Im Weiteren werden die technische Umsetzung der photogrammetrischen Auswertung und deren Ergebnisse behandelt (siehe Kap. 4.3 und 4.4). Für die Auswertung wird das digitale Photogrammetriesystem Leica Photogrammetry Suite (LPS) und der dem Softwarepaket zugehörige Stereo-Viewer Leica Stereo Analyst (LSA) eingesetzt.

4.1 Grundlegende Aspekte der Photogrammetrie

Die Photogrammetrie oder Bildmessung ist ein Verfahren der Vermessung von Objekten der Erdoberfläche nach Lage und Form auf Grundlage von Bildern. Da es sich um indirekte Messverfahren handelt, zählt die Photogrammetrie zur Fernerkundung. Das in dieser Arbeit eingesetzte Verfahren der räumlichen Ausmessung von zwei photographischen Bildern in Lage und Höhe wird unter dem Begriff der Luftbildmessung zusammengefasst (KONECNY &LEHMANN 1984:11ff.).

In den folgenden Abschnitten werden Konzepte und Modelle, die für die photogrammetrische Auswertung Voraussetzung sind, erläutert. Dazu zählen gewisse geometrische Eigenschaften des Luftbildes (Kap. 4.1.1), sowie Prinzipien des dreidimensionalen (3D) Sehens und Visualisierens (Kap. 4.1.2, 4.1.3 und 4.1.4).

4.1.1 Eigenschaften von Luftbildern

Luftbilder sind näherungsweise zentralperspektivische Abbildungen der Erdoberfläche. Die von Geländepunkten reflektierten Lichtstrahlen werden bei der Belichtung durch ein Projektionszentrum O auf die Bildebene projiziert. So können alle Geländepunkte den zugehörigen Bildpunkten durch Geraden zugeordnet werden (siehe Abb. 8). Da Gelände- und Bildpunkt auf einer Geraden liegen, werde sie als kollinear bezeichnet. Demnach wird der Zusammenhang zwischen Bild- und Objektpunkten mathematisch durch die Kollinearitätsbeziehung definiert.

Die zentralperspektivische Darstellung des Luftbildes hat jedoch zur Folge, dass Reliefverzerrungen und damit Maßstabsunterschiede auf der Bildebene entstehen. Nur der senkrecht unterhalb des Projektionszentrums befindliche Nadirpunkt (N) weist keine Verzerrungen auf. Gelände- und Objektpunkte, die über der durch den Bildnadir definierten Bezugsebene liegen, werden vom Bildmittelpunkt aus radial nach außen versetzt und in einem größeren Maßstab dargestellt. Darunter liegende Punkte werden nach innen versetzt und in einem kleineren Maßstab abgebildet (siehe Abb. 8). Dementsprechend ist nur ebenes Gelände nicht von Maßstabsunterschieden betroffen und kann verzerrungsfrei abgebildet werden (ALBERTZ 2007:72; HILDEBRANDT 1996:147).

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Abb. 8: Der durch die Zentralperspektive bedingte radiale Versatz von Bildpunkten (A’, B’ und C’) ist abhängig von der Höhenlage der zugehörigen Geländepunkte (A, B, und C) im Verhältnis zur Bezugsebene. Die Lage der Bildpunkte Bw und Aw entspricht der Position der Geländepunkte Ap und Bp, die auf der Höhe der Bezugsebene liegen. O ist das Projektionszentrum und o der Bildhauptpunkt (Beschriftung verändert nach LÖFFLER 1994:89).

Tab. 2: Aufnahmerichtung von Luftbildern in Abhängigkeit der Nadirabweichung (υ) (verändert nach PFEIFFER &WEIMANN 1991:20)

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Man klassifiziert Luftbilder unter anderem nach ihrer Aufnahmerichtung bzw. nach ihrer Neigung (siehe Tab. 2). Der Neigungswinkel wird als Nadirdistanz bezeichnet und stellt den Winkel υ[°] zwischen der Projektionsgeraden und der Aufnahmeachse dar. Normalerweise werden Luftbildaufnahmen als Nadiraufnahmen geplant. Durch die Bewegung der Flugplattform entstehen meist Senkrechtaufnahmen, die für die photogrammetrische Auswertung vorteilhaft sind. Bei den in der vorliegenden Arbeit betrachteten Bildern handelt es sich um Schrägaufnahmen mit einer Nadirdistanz zwischen 7 und 12 υ [°], die eine gute 3D Darstellungen ermöglichen, photogrammetrisch jedoch schwieriger auszuwerten sind (HILDEBRANDT 1996:74f.). Schrägaufnahmen führen zu Verzerrungen des Luftbildes (siehe Abb. 9) (ALBERTZ 2007:73).

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Abb. 9: Die Verzerrung eines Luftbildes bei Schrägaufnahme führt zu einem nicht einheitlichen

Maßstab in der Bildebene (ALBERTZ 2007:73).

4.1.2 Stereoskopisches Sehen

Die 3D Visualisierung ist für die Auswertung und Beurteilung der Ergebnisse dieser Arbeit essentiell. Deshalb wird an dieser Stelle kurz das Grundprinzip des natürlichen und künstlichen dreidimensionalen Sehens erläutert.

Voraussetzung für das natürliche räumliche Sehen ist die Betrachtung des Raumes mit beiden Augen. Der Augenabstand (b) (auch als Aufnahme- oder Beobachtungsbasis bezeichnet) von ca. 6,5 cm bildet die Voraussetzung dafür, dass jedes Auge den betrachteten Raumausschnitt von einer anderen Position aus sieht. Dementsprechend sind die Netzhautbilder eines Augenpaares nicht identisch. Wird vom Beobachter ein Punkt P1 eines Objekts fixiert, so richten sich die Augen in der Blickebene auf P1. Die Sehachsen schneiden sich in P1 und bilden den Konvergenzwinkel (γ1) (siehe Abb. 10). Dieser bedingt, dass sich die Brennweite der Linsen verändert, bis P scharf auf der Netzhaut abgebildet wird (in P1’ und P1’’). Punkte, die mit demselben Konvergenzwinkel betrachtet werden, liegen in derselben Blickebene und wirken dadurch gleich weit entfernt. Liegt gleichzeitig ein weiterer, sich in größerer Entfernung befindender Punkt P2 in der Blickebene, so wird dieser bspw. im linken Auge auch in P1’ (P1’= P2’) abgebildet, im rechten jedoch in P2’’ (P1’’≠ P2’’). Es liegt ein anderer Konvergenzwinkel (γ2) vor. Unterschiedliche Konvergenzwinkel führen auf der Netzhaut zu unterschiedlichen Abständen und rufen Tiefenwahrnehmung bzw. stereoskopisches Sehen hervor. Die Entfernung der Punkte P1 und P2 begründet den Abstand der Punkte P1’’ und P2’’. Die Strecke p bzw. der Winkel ε werden als stereoskopische Parallaxe (auch Horizontalparallaxe) bezeichnet. Aufgrund der Parallaxe müsste der Beobachter theoretisch alle vor und hinter dem fixierten Objekt liegenden Punkte doppelt sehen, da sie an verschiedenen Stellen in der Netzhaut abgebildet werden. Eine Fusion der Doppelbilder führt zur räumlichen Abbildung und damit zum stereoskopischen Sehen (JENSEN 2000:152f.; HILDEBRANDT 1996:185f.; LÖFFLER 1994:94f.).

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Abb. 10: Räumliches Sehen und die Entstehung der stereoskopischen Parallaxe ε durch das

Betrachten von einander entfernten Punkten P1 und P2 (ALBERTZ 2007:132).

Das räumliche Sehen basiert somit auf den geometrisch bedingt unterschiedlichen Netzhautbildern der beiden Augen. Eben diese geometrischen Unterschiede, die Parallaxen, sind auch bei sich überdeckenden Luftbildern einer Szene vorhanden, die von unterschiedlichen Punkten im Raum aus aufgenommen wurden. Der Abstand dieser Punkte zueinander entspricht der Aufnahmebasis (B) bzw. Bildbasis (b). Folglich kann das stereoskopische Sehen auch künstlich erzeugt werden, indem beide Augen gleichzeitig zwei unterschiedliche zentralperspektivische Bilder einer Szene betrachten (siehe Abb. 11). Dafür wird ein geeignetes Betrachtungssystem eingesetzt (siehe Kap. 4.1.3). Wenn die Bilder richtig angeordnet sind, d.h. die Augenbasis parallel zur Aufnahmebasis ausgerichtet ist, wird die Epipolargeometrie eingehalten. Homologe Strahlen einander zugehöriger Bildpunkte im Raum schneiden sich und ein Stereomodell entsteht (ALBERTZ 2007:133).

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Abb. 11: Ein Stereomodell wird durch das gleichzeitige Betrachten zwei sich inhaltlich

überlappender Bilder einer Szene erzeugt. Die Sehstrahlen homologer Punkte schneiden sich und bilden ein räumliches Modell (ALBERTZ 2007:133).

Die Parallaxe ist nicht nur ein Winkelmaß im oben genannten Sinne, sondern kann auch als lineares Maß ausgedrückt werden. Definitionsgemäß ist es die scheinbare Lageverschiebung korrespondierender Bildpunkte, die durch unterschiedliche Aufnahmepositionen hervorgerufen wird (JENSEN 2000:151). Die Lageverschiebung wird bei Luftbildern auf die Position des Bildhauptpunkts bezogen (siehe Abb. 12) (LÖFFLER 1994:99). Die Horizontalparallaxe, auch als X-Parallaxe bezeichnet, bildet die Grundlage des künstlichen stereoskopischen Sehens. Ihre Ausprägung variiert abhängig von potographischen Unterschieden im Gelände. Sie ist für Punkte, die sich in gleicher Höhe befinden, identisch. Für tiefer liegende Punkte ist sie aufgrund der größeren Entfernung zum Aufnahmegerät kleiner und für höher liegende größer (siehe Abb. 13). Diese Abhängigkeit der Parallaxe von der Topographie wird für die Ermittlung der Höhe von Geländepunkten eingesetzt. Sie ist somit die Grundlage für die digitale photogrammetrische Höhenmessung, die bei der automatischen DGM-Erstellung zum Einsatz kommt (siehe Kap. 5.2) (JENSEN 2000:151f.; LÖFFLER 1994:100f).

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Abb. 12: Die X-Parallaxe ist die relative Lageverschiebung der Bildpunkte A und B, parallel zur

Aufnahmeachse gemessen und bezogen auf den Hauptpunkt des Bildes (Beschriftung verändert nach LEICA GEOSYSTEMS 2007:64).

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Abb. 13: Das Anaglyphenbild zeigt die Abhängigkeit der Ausprägung der X-Parallaxe von

Höhenunterschieden (Beschriftung verändert nach LEICA GEOSYSTEMS 2007:66).

4.1.3 Stereoskopische Visualisierung

Es gibt verschiedene Verfahren, die das künstliche stereoskopische Sehen, das im Folgenden als 3D Sehen bezeichnet wird, ermöglichen. An dieser Stelle werden zwei der stereoskopischen Visualisierungstechniken, die in dieser Arbeit verwendet werden, erläutert. Beide werden im Stereo-Viewer LSA der Software LPS umgesetzt. Zwei relativ orientierte Luftbilder können somit stereoskopisch betrachtet und ausgewertet werden.

Das passive Anaglyphenverfahren basiert auf der Darstellung zweier Bilder des gleichen Objekts in Komplementärfarben. Das Betrachten des Bildpaars mit einer Farbfilterbrille führt dazu, dass jedes Auge nur das komplementärfarbige Bild sehen kann (siehe Abb. 14). Ein Raummodell entsteht (ALBERTZ 2007:153; HILDEBRANDT 1996:188). Die Visualisierung kann digital am Bildschirm oder analog auf Ausdrucken umgesetzt werden (siehe Abb. 13).

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Abb. 14: Digitale Photogrammetrische Arbeitsstation. Links ist eine Farbfilterbrillezu sehen, rechts eine shutter-Brille (der Transmitter befindet sich auf dem Bildschirm) (eigene Aufnahme).

Das aktive quad-buffering-Verfahren hingegen ist nur digital möglich. Spezielle Hardware ist die Voraussetzung (siehe Abb. 14). Die Technik kennzeichnet sich dadurch, dass der Bildschirminhalt fortlaufend zwischen der rechten und der linken Abbildung des Bildpaares wechselt. Diese Wechsel vollziehen sich so schnell, dass sie mit dem bloßen Auge nicht zu erfassen sind. Das Tragen einer Hell-Dunkelbrille (shutter-Brille) ist notwendig. Die Brillengläser bestehen aus LCD-Zellen, die geschlossen oder geöffnet werden können. Dadurch ordnet die mit dem Computer über einen externen InfrarotTransmitter synchronisierte Brille dem jeweiligen Auge das richtige Bild zu und ermöglicht räumliches Sehen (KRAUS 2004:324).

4.1.4 3D Visualisierung mit Orthophotos

Orthophotos werden in dieser Arbeit zur Visualisierung von Ergebnissen verwendet. In ArcScene können Orthophotos zusammen mit einem Raster-DGM quasi 3D Modelle erzeugen (siehe Abb. 47 c, d). Einem Orthophoto wird ein Raster-DGM zugewiesen, dem es die benötigten Höheninformationen entnehmen kann. Dadurch wirken DGMs, die zweidimensional (2D) häufig über Farbverläufe visualisiert werden, authentischer.

Ein Orthophoto ist ein differentiell entzerrtes und damit geometrisch korrigiertes Luftbild. Durch die Differentialentzerrung wird ein Luftbild so umgeformt, dass es geometrisch die Eigenschaften einer Karte aufweist und auch wie eine solche verwendet werden kann. Es stellt keine zentralperspektivische Aufnahme mehr dar, sondern eine Parallelprojektion. Für die geometrische Entzerrung werden Geländehöheninformationen, bspw. aus einem DGM, sowie die Werte der inneren und der äußeren Orientierung des Luftbildes benötigt (siehe Abb. 15 und Kap. 4.2) (HILDEBRANDT 1996:278, 280; ALBERTZ 2007:152f.).

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Abb. 15: Differentialentzerrung eines Luftbildes. Für jedes Pixel des Orthophotos wird der entsprechende Grauwert aus dem Luftbild entnommen. Dafür wird die entsprechende Geländehöhe aus dem DGM abgegriffen und entlang des Abbildungsstrahles in die Matrixdes Luftbildes zurückgerechnet (ALBERTZ 2007:153).

In LPS können Orthophotos auf Basis der generierten DGMs und der Triangulationsergebnisse erstellt werden (siehe Kap. 5.2). Verzerrungen werden korrigiert, in dem für jedes DGM-Pixel die entsprechende Stelle im Luftbild bestimmt wird (LEICA GEOSYSTEMS 2008b:67f.).

4.1.5 Koordinatensysteme

Die photogrammetrische Auswertung basiert auf der räumlichen geometrischen Rekonstruktion des Aufnahmevorgangs. Es wird eine Beziehung zwischen dem Aufnahmegerät, in diesem Fall der Kamera, dem Luftbild sowie dem aufgenommenen Gelände hergestellt. Dafür müssen die Bezugssysteme dieser bestimmt werden (FINSTERWALDER&HOFMANN 1968:23).

Das zweidimensionale Pixelkoordinatensystem ist das eines digitalen Bildes. Es wird von den Achsen c (Spalte, engl. column) und r (Reihe, engl. row) aufgespannt und hat seinen Ursprung im linken oberen Bildpixel (siehe Abb. 16) (ERDAS 1999:269).