Die Arbeit entstand im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Sonderforschungsbereichs 268 „Kulturentwicklung und Sprachgeschichte im Naturraum Westafrikanische Savanne“ – Teilprojekt D5. Sie knüpft eng an die bisher behandelten Fragestellungen bezüglich der aktuellen Landschaftsentwicklung (siehe ALBERT 2002; MÜLLER 2003) in dem stark anthropo-zoogen überprägten sahelischen Raum an.
Aktuell ist im sahelischen Arbeitsgebiet, dem nördlichen Oudalan Burkina Fasos (siehe Abb. 30), eine Zerschneidung der weiträumig dominierenden Glacis-Rumpfflächen, der spätpleistozänen pedogenetisch verfestigten Altdünenzüge, sowie der Sandrampen an Inselberghängen durch Gully-Systeme zu beobachten. Diese Landschaftseinheiten unterliegen einem starken Nutzungsdruck, vor allem durch den Hirseanbau im Bereich der Altdünenzüge und die Weidenutzung in der gesamten Region. Die sich dadurch verringernde Vegetationsbedeckung erhöht die Erosionsanfälligkeit des Bodens. HUDSON (1995: 285) definiert Gullies als “...a steep-sided eroding watercourse which is subject to intermittend flash floods”.
Wie schnell der Prozess der Gully-Erosion voranschreitet und welche Austragsmengen sich ergeben, soll beispielhaft an zwei Gully-Systemen, im Glacis und in einer Sandrampe ausgebildet, untersucht werden. Die Analyse bedient sich der Methode des großmaßstäbigen Luftbild-Monitorings mit einem Fesseldrachen (siehe Kap. 3.1). Während drei Geländephasen (Juli & Dezember 2000, Dezember 2001) wurden im Nordosten von Burkina Faso über 2500 Luftbilder von vier Gully-Systemen aus etwa 130 m Höhe erstellt, die deren jeweilige Ausdehnung dokumentieren. In dieser Arbeit soll geklärt werden, in wie fern die moderne photogrammetrische Software (Leica Geosystems „Leica Photogrammetry Suite“ und „Stereo Analyst“) die manuelle und automatische Erstellung von dreidimensionalen Geländemodellen sowie eine anschließende Austragsvolumenberechnung auf Basis dieser Bilder ermöglicht. Die detaillierte Kenntnis der Austragsmenge zunächst einzelner Systeme könnte einen wichtigen Beitrag zur offenen Fragestellung: „Welchen Anteil hat die Gully- Erosion am Gesamterosionsgeschehen?“ leisten.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Ziel der Arbeit
1.3 Aktueller Forschungsstand
1.3.1 Gully-Bildung und -Entwicklung
1.3.2 Einflussfaktoren der Gully-Entwicklung
1.3.3 Gully-Typen und -Entwicklungsgeschwindigkeiten
1.3.4 Gully-Erosionskontrolle und -Vermeidung
1.3.5 Folgen und Bedeutung der Gully-Erosion für das Gesamterosionsgeschehen
1.3.6 Untersuchungsmethoden
2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes
2.1 Geologischer Bau
2.2 Präquartäre Klima- und Reliefentwicklung
2.3 Quartäre Klima- und Reliefentwicklung
2.3.1 Pleistozän
2.3.2 Holozän
2.4 Rezente Klimabedingungen
2.4.1 Großräumiges Klima
2.4.2 Klimavariabilität im Sahel
2.4.3 Das Klima im Arbeitsgebiet
2.5 Hydrographie
2.6 Böden
2.6.1 Bodenbildung in den Tropen
2.6.2 Quartäre Böden und Sedimente
2.6.3 Die Böden im Arbeitsgebiet
2.7 Vegetation
2.7.1 Die Vegetation im Arbeitsgebiet
2.7.2 Vegetationsveränderungen
2.8 Aktuelle Geomorphodynamik
2.9 Untersuchungsstandorte
3 Methoden
3.1 Großmaßstäbiges Luftbild-Monitoring mit dem Fesseldrachen
3.1.1 Maßstabsfrage und Anwendungsbereiche
3.1.2 Historische Entwicklung der unbemannten Luftbildphotographie
3.1.3 Prinzip der Fesseldrachenbefliegung
3.1.4 Primärdatenerhebung – Passpunktvermessung
3.2 Photogrammetrische Grundlagen zur Bildorientierung und Auswertung
3.2.1 Das Modell der Zentralperspektive
3.2.2 Analog/Digital-Wandlung
3.2.2.1 Geometrisches und radiometrisches Auflösungsvermögen
3.2.2.2 Scannertypen und geometrische Genauigkeit
3.2.3 Prinzipien des stereoskopischen Sehens
3.2.4 Stereoskopische Visualisierungstechniken
3.2.5 Koordinatensysteme
3.2.6 Orientierungsparameter
3.2.6.1 Innere Orientierung
3.2.6.2 Äußere Orientierung
3.2.6.3 Relative Orientierung durch Verknüpfungspunkte
3.2.6.4 Absolute Orientierung durch Passpunkte
3.2.7 Aerotriangulation
3.3 Darstellung und Speicherung von Höheninformationen
3.3.1 Höhenmatrizen
3.3.2 Triangular Irregular Networks (TINs)
3.4 Manuelle Stereomessung und -kartierung
3.5 Automatischen DGM-Erstellung
3.6 Besonderheiten der verwendeten großmaßstäbigen Luftbilder und ihre photogrammetrischen Auswirkungen
4 Zweidimensionale Veränderungskartierung des Gully-Wachstums
4.1.1 Gully Gorom
4.1.2 Gully Inselberg-Gorom
5 Scanner-Tests
6 Vom Dia zum orientierten Bilderblock in LPS
6.1 Auswahl und Digitalisierung der Bilddaten
6.2 Anlegen einer Blockdatei in LPS
6.3 Parameter der inneren Orientierung
6.3.1 Kamera und Kamerakalibrierung
6.3.2 Zuordnung der Rahmenmarken im Bild
6.4 Parameter der äußeren Orientierung
6.4.1 Einfügen von Passpunkten
6.4.2 Generierung von Passpunkten für die Monitoring-Zeitpunkte Juli und Dezember 2000
6.4.3 Einfügen von Verknüpfungspunkten
6.5 Bündelblockausgleich
6.5.1 Allgemeine Einstellungen
6.5.2 Punktgenauigkeiten
6.5.3 Innere Orientierungsgenauigkeiten
6.5.4 Äußere Orientierungsgenauigkeiten
6.5.5 Erweiterte Einstellungen
6.6 Interpretation der Triangulationsergebnisse
6.6.1 Triangulation Summary
6.6.2 Der Triangulationsreport
6.6.3 Gully Gorom
6.6.3.1 Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001
6.6.3.2 Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000
6.6.3.3 Monitoring-Zeitpunkt Juli 2000
6.6.4 Gully Inselberg-Gorom
6.6.4.1 Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2001
6.6.4.2 Monitoring-Zeitpunkt Dezember 2000
7 DGM-Erstellung
7.1 Manuelle DGM-Erstellung mit Stereo Analyst am Beispiel Gully Inselberg-Gorom
7.1.1 Erstellen eines neuen Feature-Projektes
7.1.2 3D-Kartierung im quad buffered-Stereomodus mit Shutterbrille
7.1.3 Analyse der Kartierungsergebnisse: Programmschwächen und Kartierungsgenauigkeiten
7.2 Automatische DGM-Erstellung mit LPS
7.2.1 Allgemeine Einstellungen
7.2.2 Erweiterte Einstellungen
7.2.3 Mosaikierung, Genauigkeiten und Fehler der 3D-Modelle des Monitoring-Zeitpunktes Dezember 2001
7.2.3.1 Gully Gorom
7.2.3.2 Gully Inselberg-Gorom
7.2.4 Dreidimensionale Darstellung der Luftbildmosaike des Monitoring-Zeitpunktes Dezember 2001
7.2.5 3D-Modellerstellung für die Monitoring-Zeitpunkte Dezember und Juli 2000
7.3 Vergleich der automatisch generierten Geländemodelle mit der manuellen 3D-Kartierung
8 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht die Dynamik und das Ausmaß der Gully-Erosion in semiariden Gebieten, spezifisch im nördlichen Oudalan in Burkina Faso. Das primäre Ziel ist die Entwicklung und Evaluierung methodischer Ansätze zur großmaßstäbigen Luftbild-Auswertung, um durch moderne photogrammetrische Software und digitale 3D-Modellierung eine präzisere Quantifizierung des Austragsvolumens und der Erosionsraten zu ermöglichen, welche bisher durch Standardmethoden nur unzureichend erfassbar waren.
- Gully-Erosion und landschaftsgenetische Prozesse im semiariden Sahel
- Methoden der großmaßstäbigen Luftbildaufnahme mittels Fesseldrachen
- Photogrammetrische Auswertung und 3D-Modellerstellung (DGM) mit spezialisierter Software
- Vergleich zwischen manueller Stereokartierung und automatischer DGM-Generierung
- Einflussfaktoren der Gully-Entwicklung (Klima, Landnutzung, Substrat)
Auszug aus dem Buch
1.3.1 Gully-Bildung und -Entwicklung
Die Gully-Bildung steht immer in Verbindung mit einer Änderung der Oberflächenabflussverhältnisse, speziell einer Verkürzung der Verzögerungsspanne bis zum Einsetzen des Oberflächenabflusses (z.B. durch Abnahme der Vegetationsdichte) und/oder einer Erhöhung der Oberflächenabflussmenge (BILLI & DRAMIS 2003: 354). Sobald die Niederschlagsmenge die Infiltrationskapazität übersteigt, was durch Verschlämmung an der Bodenoberfläche sehr schnell der Fall sein kann, setzt oberflächlicher Abfluss ein (siehe Abb. 2a). An kleinen Hindernissen kommt es zur Ausbildung von Turbulenzen mit kleinräumig sehr hohen Geschwindigkeitsschwankungen, die punktuell die Erosion verstärken (siehe Abb. 2b). Die Bodenoberfläche wird aufgerissen und es entsteht eine kleine Stufe, der sogenannte Rillenkopf (engl. headcut) (siehe Abb. 2c). Über derartige Stufen fließt das Wasser konzentriert ab und bildet am unteren Ende ein Strudelloch (engl. plunge pool) (siehe Abb. 2d und Foto 3). Die unterschiedlichen geomorphologischen und hydrologischen Ursachen werden von OOSTWOUD WIJDENES & GERITS (1994) näher beleuchtet.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung führt in die Forschungsfrage zum Gully-Monitoring im Sahel ein und diskutiert die Relevanz der Untersuchung für die geomorphologische Forschung sowie die Problemstellung der großräumigen Erfassung von Erosionsschäden.
2 Geographische Grundzüge des Untersuchungsraumes: Das Kapitel beschreibt die naturräumliche Ausstattung von Nordost-Burkina Faso, einschließlich Geologie, Klima, Böden und Vegetation, die als Rahmenbedingungen für die Bodenerosionsprozesse fungieren.
3 Methoden: Hier werden die eingesetzten Techniken erläutert, insbesondere das großmaßstäbige Luftbild-Monitoring mit dem Fesseldrachen und die photogrammetrischen Grundlagen zur Auswertung der Luftbilder mittels Software wie LPS.
4 Zweidimensionale Veränderungskartierung des Gully-Wachstums: In diesem Kapitel erfolgt die detaillierte Beschreibung der untersuchten Gully-Systeme (Gully Gorom und Gully Inselberg-Gorom) und die Auswertung der zweidimensionalen Kartierung der Erosionsdynamik über verschiedene Monitoring-Zeitpunkte.
5 Scanner-Tests: Dieses Kapitel analysiert verschiedene Scannertypen und Digitalisierungsparameter, um die optimale Ausgangsqualität für die photogrammetrische Triangulation der Luftbilder zu bestimmen.
6 Vom Dia zum orientierten Bilderblock in LPS: Der Arbeitsprozess der Bildorientierung in LPS wird hier schrittweise dargestellt, von der Digitalisierung bis zum Bündelblockausgleich und der Interpretation der Triangulationsergebnisse.
7 DGM-Erstellung: Das Kapitel befasst sich mit der manuellen und automatischen Erstellung dreidimensionaler Geländemodelle sowie der Mosaikierung und Fehleranalyse der Ergebnisse am Beispiel der beiden untersuchten Gully-Standorte.
8 Zusammenfassung: Hier werden die Ergebnisse reflektiert, die Vor- und Nachteile der gewählten Methoden bewertet und ein Ausblick für zukünftige Forschungsansätze gegeben.
Schlüsselwörter
Gully-Erosion, Sahel, Burkina Faso, Luftbild-Monitoring, Fesseldrachen, Photogrammetrie, DGM, digitale Geländemodelle, Landschaftsentwicklung, Bodendegradation, Aerotriangulation, Sedimentationsraten, Reliefentwicklung, 3D-Kartierung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der vorliegenden Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die Erosionsdynamik von Gully-Systemen im sahelischen Raum von Burkina Faso durch ein regelmäßig durchgeführtes Luftbild-Monitoring mit einem Fesseldrachen-Kamerasystem.
Welche zentralen Themenfelder behandelt die Arbeit?
Zu den zentralen Themen gehören die geomorphologische Landschaftsentwicklung im Sahel, die methodischen Aspekte des großmaßstäbigen Luftbild-Monitorings und die photogrammetrische 3D-Auswertung von nicht-metrischen Luftbildern.
Was ist das primäre Forschungsziel?
Ziel ist die Erweiterung der bisher rein flächenhaften Kartierung um die dritte Dimension, um das Austragsvolumen von Gully-Systemen quantifizieren zu können und die Genauigkeit der photogrammetrischen Methoden zu prüfen.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden angewendet?
Es wird eine Kombination aus Geländemonitoring mittels Fesseldrachenbefliegung, digitaler Bildverarbeitung, Aerotriangulation und photogrammetrischer Geländemodellerstellung (DGM) mittels Software-Suiten wie LPS verwendet.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die detaillierte Beschreibung der Untersuchungsstandorte, eine methodische Ausarbeitung zur digitalen Bildorientierung sowie die Ergebnisse der zweidimensionalen Kartierung und der anschließenden 3D-DGM-Erstellung für ausgewählte Gully-Systeme.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Die zentralen Schlagworte sind Gully-Erosion, Photogrammetrie, Fesseldrachen-Monitoring, DGM-Erstellung, Sahel-Geomorphodynamik und Sedimentaustrag.
Wie beeinflussen unterschiedliche Scannertypen das Ergebnis der Triangulation?
Die Qualität der Ergebnisse hängt maßgeblich von der Planlage des Films beim Scannen ab; daher liefern Trommelscanner mit Filmansaugung präzisere Ergebnisse als einfache Desktop-Scanner oder Diascanner mit unzureichender Rahmenfixierung.
Welche Herausforderungen bestehen bei der automatischen DGM-Erstellung aus den Drachen-Luftbildern?
Problematisch sind vor allem die unregelmäßigen Überlappungsbereiche, die variierenden Flughöhen, starke Bildverkippungen sowie die homogene, kontrastarme Oberfläche, die die Autokorrelations-Algorithmen der Software vor erhebliche Korrelationsprobleme stellt.
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- Annika Wachsmuth (Author), 2005, Gully-Monitoring im Sahel Burkina Fasos: Methodische Aspekte der großmaßstäbigen Luftbildauswertung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/72886
