Analyse eines Rutschgebiets am Kärpf

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1 Bericht zur Masterprojektarbeit Analyse eines Rutschgebiets am Kärpf Bearbeitung Amanda Zwicky Breitschachenstrasse 34 CH-9032 Engelburg Geomatik und Planung MSc Frühlingssemester 2011 Gabriel Flury Himmelrichweg 6B CH-4123 Allschwil Geomatik und Planung MSc Frühlingssemester 2011 Leitung Prof. Dr. Konrad Schindler Institut für Photrgrammetrie und Fernerkundung ETH Zürich Betreuung David Novák Pascal Theiler

2 Vorwort Im Rahmen der Masterprojekt Arbeit an der ETH Zürich erhielten wir die Möglichkeit im Gebiet des Freiberg Kärpf Deformationsmessungen durchzuführen. Der praktische Bezug der Arbeit ermöglichte uns einen Einblick wie komplex und aufwändig die Planung und Durchführung eines Projekts ist. Verzögerungen durch Wettereinflüsse erschwerten den planmässigen Ablauf. Wir möchten uns an dieser Stelle vor allem bei David Novàk und Pascal Theiler bedanken, die unsere Arbeit mit grossem Einsatz unterstützten. Zudem gilt unser Dank den Ingenieurgeologen der ETH Zürich, insbesondere Dr. Florian Amman. Durch seine Organisation konnte der Aufbau des Monitorings und die Montage der Prismen reibungslos durchgeführt werden. Des weiteren freuen wir uns sehr über die verlängerte Durchführung des Monitorings bis in den Oktober. Dies wurde durch die Unterstützung von Prof. Dr. H. Ingensand und dem Institut für Geodäsie und Photogrammetrie ermöglicht. i 29. Mai 2011

3 Zusammenfassung In der Arbeit werden die theoretischen Grundlagen zu einer permanenten Überwachung mittels Tachymeter, zur DSM Erstellung mittels Luftbilder und der Planung eines UAV-Fluges im Projektgebiet Kärpf dargelegt. Des Weiteren wird die Planung des Monitorings ausführlich beschrieben. Von der Standortwahl über die Genauigkeitsabschätzung, bis hin zum Aufbau der Messkonfiguration sind die Annahmen und Überlegungen aufgeführt. Mit dem Aufbau und Betrieb des Monitorings wird die praktische Installation erklärt. Dabei liegt der Schwerpunkt beim Aufbau am Standpunkt des Tachymeters, wo ein stabiler Unterstand konstruiert wird, um auch bei ungeeignetem Wetter verlässlich zu funktionieren. Die Resultate des Monitorings beinhalteten die Analyse der Messdaten und die Auswertung in Matlab, inklusive Bewegungsvektoren. Die Ergebnisse der erstellten Höhenmodelle aus den Luftbildern der swisstopo werden aufgeführt und in einem DSM Vergleich evaluiert. Nach einer Messdauer von zwölf Tagen ist zu erkennen, dass die Deformation zu gering ausfiel um mittels tachymetrischem Monitoring zu detektieren. Da die Messungen fortgeführt werden sollten verlässliche Arbeiten in näherer Zukunft verfügbar sein. Die Evaluation der Höhenmodelle zeigt, dass die Auflösung der Luftbilder nicht ausreichend ist um kleine Deformationen zu erkennen. Zudem ist die Konfiguration der Luftbilder nicht optimal gewählt, somit ist der Bergkamm des Kärpf nicht verlässlich rekonstruierbar. Zum Abschluss der Arbeit werden die Herausforderungen, welche durch die Topographie, das Wetter, Hard- und Software oder durch Kommunikationsschwierigkeiten entstanden, erläutert. ii 29. Mai 2011

4 Inhalt 1. Einleitung Allgenmein Aufgabenstellung Projektgebiet Freiberg Kärpf Geologie Geschichte und Entwicklung Grundlagen Monitoring mit Tachymeter Allgemein Instrumente Software Aufnahme- und Auswertesysteme UAV AscTec Falcon Luftbildkameras ADS40 und RC Software Verwendete Luftbilder Vorbereitung Datenaufnahme Planung Monitoring Messperimeter Standortwahl Genauigkeitsabschätzung Stützpunkte Messpunkte Punktversicherung und Reflektoren Stromversorgung Flugplanung Aufnahmeperimeter Auflösung und Flugparameter Aufbau und Betrieb des Monitoring Aufbau Standpunkt Aufbau Messpunkte Inbetriebnahme Monitoring Kontrolle des Monitorings Datenaufnahme Auswertung Monitoring Extrahieren der Daten Prozessierung der Daten DSM Generierung aus Luftbildern Luftbildpaare Luftbildstreifen DSM Bearbeitung in Geomagic DSM Vergleich Resultate Monitoring iii 29. Mai 2011

5 Visualisierung der 3D-Koordinaten Betrag der Bewegungsvektoren Entwicklung der Distanzmessungen D-Bewegungsvektoren Luftbilder Generiertes DSM aus Luftbildpaaren Generiertes DSM aus Luftbildstreifen DSM Vergleiche Vorschläge für Verbesserung Herausforderungen Topographie Meteorologie Hardware Software Kommunikation Höhentest Fazit und Ausblick Quellen Anhang... 1 A. Materialliste Monitoring... 1 B. Anschluss Sensoren... 2 iv 29. Mai 2011

6 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Gebiet um den Freiberg Kärpf (Quelle Google Earth)... 2 Abb. 2: Verwerfung der Hauptverschiebung... 3 Abb. 3: Ansicht des Westgrats mit Kärpftor aus Richtung Süden... 4 Abb. 4: AscTec Falcon 8 im Landeanflug (eigene Aufnahme)... 7 Abb. 6: ADS40 Streifenkamera... 8 Abb. 7: RC30 analoge Luftbildkamera [25]... 8 Abb. 7: Footprints Luftbildpaare[14] Abb. 8: Prinzip Streifenaufnahme [15] Abb. 9: Übersicht Projektgebiet [18] Abb. 10: Tachymeterunterstand während Aufbau und im Endzustand (eigene Aufnahmen) Abb. 12: Befestigung Stativ (eigene Aufnahme) Abb. 12: Kärpftor mit Messpunkten (Foto David Novàk ) Abb. 13: Matlab Plot der Korrekturen für die Winkelmessungen Abb. 14: Plot aus Matlab mit Massstabskorrektur Abb. 15: Matlab Plot zur Überprüfung der Messkorrekturen Abb. 16: Verfügbarkeit von Luftbildern von swisstopo [14] Abb. 17: Darstellung aller Punktkoordinaten aus Matlab Abb. 18: Betrag der Bewegung mit Trendlinie aus Matlab Abb. 19: Entwicklung der Distanzmessungen aus Matlab Abb. 20: Entwicklung der x,y und z Koordinate eines Bewegungsvektors in Excel mit Trendlinie Abb. 21: Darstellung der Bewegungsvektoren aus den Trendlinien Abb. 22: Höhengenauigkeit der Objektpunkte [24]... Fehler! Textmarke nicht definiert. Abb. 23: Modell aus Luftbildpaaren Abb. 24: DSM von 2005 überlagert mit Orthophoto Abb. 25: DSM von 2008 überlagert mit Orthophoto Abb. 26: DSM von 2009 mit Orthophoto überlagert Abb. 27: DSM Vergleich 2005 und Abb. 28: DSM Vergleich 2005 und Abb. 29: Vergleich ATV-und DSM Abb. 30: Vergleich ATV und DSM Abb. 31:Vergleich ATV mit DSM Tabellenverzeichnis Tabelle 1: Spezifikationen TCRP 1201 [8]... 6 Tabelle 2: Standardabweichung für TCRP Tabelle 3: SQL Abfrage der Messungen in der Nacht für Kaerpf Tabelle 4: Orientierungsparameter der Luftbilder Tabelle 5: Verhältnis Basis und Flughöhe Formeln Formel 1: Standardabweichung ([19] S. 485ff. [20] S. 6-9/18) v 29. Mai 2011

7 1. Einleitung 1.1. Allgenmein In den Glarner Alpen am Kärpf besteht eine Instabilität am Berggrat, wodurch es vermehrt zu Felsstürzen und Steinschlag kommt. Das geologische Institut der ETH Zürich untersucht die Ursachen der Instabilität. Dazu wurden bereits mehrere geotechnische Sensoren installiert und Aufnahmen mit einem Long Range Laserscanner, sowie einem luftgestützten Laserscannersystem durchgeführt 1.2. Aufgabenstellung Im Projektgebiet am Freiberg Kärpf sollen Bewegungen detektiert werden. Dazu werden sowohl bestehendes Datenmaterial, wie auch neue Aufnahmen verwendet. Ziel ist es die Bewegungsgeschwindigkeiten der Deformation zu beziffern und zu visualisieren. Zu diesem Zweck wird ein tachymetrisches Monitoring eingerichtet, welches ausgewählte Punkte im Projektgebiet überwacht. In einem zweiten Teil wird die Verwendung von Luftbildern der swisstopo (Bundesamt für Landestopografie) zur Detektion von topografischen Veränderungen evaluiert. Dabei werden Luftbildpaare einer analogen Luftbildkamera RC30 und Luftbildstreifen einer digitalen Streifenkamera ADS40 verwendet. Zusätzlich sollen Aufnahmen mit einem UAV durchgeführt und daraus weitere Höhenmodelle erstellt werden. Die berechneten Höhenmodelle aus den Luftbilddaten werden verglichen und Veränderungen detektiert Mai 2011

8 2. Projektgebiet 2.1. Freiberg Kärpf Zwischen dem Linthtal, Sernftal und Durnachtal ist der Freiberg Kärpf das Herzstück der Glarner Alpen. Wie in Abb. 1 ersichtlich, liegt der Kärpf zwischen Linthal, Schwanden und Elm. Seit dem Jahr 1548 ist das Gebiet ein Naturreservat und somit das älteste Naturschutzgebiet der Schweiz. [1][2] Abb. 1: Gebiet um den Freiberg Kärpf (Quelle Google Earth) Der Bergkamm besteht aus vier Graten. Der Nordgrat grenzt an die Chärpfscharte, den Übergang zum Klein Kärpf. Der Westgrat (siehe Abb. 3) ist die Verbindung zum Chärpftor, wo 2007 ein grosser Felssturz stattfand. Im Plateau des Erbser Stocks endet der Südgrat und der Südostgrat stösst an das Tierbodenhorn. [3] Der Messperimeter ist begrenzt auf das Gebiet um das Chärpftor, da die Zugänglichkeit auf den Kämmen unzureichend ist Mai 2011

9 2.2. Geologie Durch die Glarner Hauptüberschiebung die Glarner Alpen entstanden. So auch der Kärpf. Diese Überschiebung ist an den Bergflanken sichtbar (siehe Abb. 2). Aufgrund der geologischen Besonderheiten des Gebiets wurde die Region zum UNESCO-Weltnaturerbe Tektonikarena Sardona ernannt. Abb. 2: Verwerfung der Hauptverschiebung Das Felsmassiv besteht aus Verrucano-Gestein und Flysch. Der Glarner Verrucano wurde vor rund 300 Millionen Jahren gebildet. Der Flysch ist nur rund Mio. Jahre alt und besteht unter anderem aus Kalksandgesteinen, Quarziten, Ton- und Mergelschiefern. In einer Tiefe von bis zu 16 km und einer Temperatur von über 300 C wirkte der Lochseitenkalk wie ein Schmiermittel zwischen den Gesteinsformationen und ermöglichte so die Überschiebung. [4][5] 2.3. Geschichte und Entwicklung In den letzten 15 Jahren sind am Bergkamm des Kärpf wiederholt Felssegmente ausgebrochen. Die Zusammenstellung findet sich in der Diplomarbeit von G. Rothardt Die Instabilität am Freiberg Kärpf [6] : Abbruch eines ganzen Felsturmes, bei dem der größte Sturzblock auf etwa 600 t geschätzt wird : Abbruch eines ganzen Felskopfes. Die Sturzmassen werden auf m³ geschätzt : Abbruch eines Felsturmes in der Ostseite des Kärpftors. Das geschätzte Volumen beläuft sich auf m³ Mai 2011

10 : Starker Steinschlag mit Ausbrüchen von grösseren Blöcken aus den Felstürmen auf beiden Seiten des Kärpftors. Die Ausbruchsvolumina betragen ca m³ am östlichen Turm und ca. 500 m³ am westlichen Turm : Ein weiterer Felsausbruch von ca m³ westlich des Kärpftors. Abb. 3: Ansicht des Westgrats mit Kärpftor aus Richtung Süden Mai 2011

11 3. Grundlagen 3.1. Monitoring mit Tachymeter Allgemein Zur Bestimmung der Bewegung und Verformung des Messobjektes in Raum und Zeit wird ein Überwachungsnetz aufgebaut. Ein Überwachungsnetz unterscheidet sich von einem allgemeinen geodätischen Netz dadurch, dass der Zweck des Netzes das Erkennen von Koordinatenänderungen ist. Für Überwachungsnetze gelten die allgemein gültigen Kriterien für geodätische Netze, wie der optimalen Genauigkeit für die Positionsbestimmung der Punkte und der Wirtschaftlichkeit. Des Weiteren ist die hohe Sensitivität, welche geeignet ist die Deformation frühzeitig und signifikant zu detektieren, ein zusätzliches Kriterium für Überwachungsnetze. [7] Überwachungsmessungen beinhalten nicht nur die rein geometrische Erfassung eines Objekts und dessen Deformation, sondern auch die Erfassung weiterer Faktoren wie Temperatur, Niederschlag oder Schneehöhe. Für die Überwachung des Messobjekt ist die Einführung eines Koordinatensystems nötig. Die Aufstellung eines geodätischen Messinstruments mit Orientierung an der Lotlinie realisiert ein dreidimensionales, kartesisches Koordinatensystem. Durch die Festlegung von Ursprung, Orientierung und Massstab ist das Koordinatensystem eindeutig festgelegt bzw. das geodätische Datum bestimmt. Das Überwachungsnetz umfasst Punkte im Objekt- und Bezugsraum. Zum Objektraum gehört der instabile Teil in welchem Deformationen gemessen werden. Im Bezugsraum werden Stützpunkte angelegt. Sie sind zeitlich stabil. Die stabilen Punkte im Bezugsraum tragen die Datumsdefinition und stellen damit den Bezugsrahmen für die Deformationsmessung. [7] Das Monitoring kann als automatische oder manuelle Messung aufgebaut werden. Nach Welsch [7] umfassen grundsätzliche Überlegungen zur Aufstellung eines Messprogramms mindestens folgende Vorstellungen: die Ursachen der erwarteten Deformationen, die Ausdehnung des durch Deformationen mutmasslich beeinflussten Bereiches, Betrag und Richtung der zu erwartenden Veränderung der Objektgeometrie, den voraussichtlichen zeitlichen Ablauf der Veränderungen, wichtige Randbedingungen (Zugänglichkeit des Objektes, äussere Einflüsse), den vertretbaren Aufwand und den Kostenrahmen. Mit Hilfe dieser Informationen können konkrete Kriterien für das Messprogramm abgeleitet werden, wie die Wahl des Bezugssystems oder die zeitliche und geometrische Diskretisierung. [7][4] Weiter definiert Welsch die im endgültigen Messkonzept enthaltenen Aussagen: Auf welche Weise sollen die gesuchten Grössen beschrieben werden? Wo sind die charakteristischen Messpunkte? Mai 2011

12 Wieviele Messstellen sind einzurichten? Wie wird gemessen (Messinstrument und Messverfahren)? Sind zuverlässige, d.h. kontrollierte Messergebnisse sichergestellt? Wie genau und wann wird gemessen (Messunsicherheit, Messzeitpunkt, Abtastintervall, zulässige Epochendauer)? Instrumente Für das Monitoring wird ein TCRP 1201 von Leica Geosystems eingesetzt. Dieses Gerät verfügt über folgende Spezifikationen: Tabelle 1: Spezifikationen TCRP 1201 [8] Genauigkeit/ Reichweite Rundprisma Miniprisma Winkelmessung: 1 (0.3 mgon) Distanzmessung: m m 1 mm ppm ATR: m 500 m Die Reichweite von bzw m der Distanzmessung auf einen Reflektor gilt nur bei guten Verhältnissen, d.h. bedeckt und kein Nebel. Bei Nebel reduziert sich die Reichweite erheblich. Für die Bestimmung von Temperatur und Druck wird ein kombinierter Temperatur und Drucksensor von STS verwendet. Der Messbereich des Sensors liegt bei -25 bis 85 C für die Temperatur und bei 500 bis mbar für den Druck. Die Messauflösung ist 0.1 C für die Temperatur bzw. 0.1 mbar für den Druck. Die Genauigkeit beträgt 2 C bzw. 0.5 mbar. [9] Software GEOMOS Für ein automatisches Monitoring steht für die Steuerung des Tachymeters eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Verfügung. Für die Messungen am Kärpf wird die Software GeoMoS von Leica Geosystems verwendet. GeoMoS ist eine flexible Monitoring-Software, welche sich für diese Deformations- und Überwachungsmessungen einsetzen lässt. Sie besteht aus den beiden Anwendungen Monitor und Analyzer. GeoMoS Monitor dient der Datenerfassung. Neben geodätischen Sensoren lassen sich auch meteorologische und geotechnische Sensoren über GeoMoS steuern. Die erfassten Daten werden in einer SQL-Datenbank gespeichert. Mit GeoMoS Analyzer können Ergebnisse graphisch und numerisch dargestellt werden. Dabei lassen sich Daten von mehreren Sensoren oder Punkten kombinieren. Koordinaten und allfällige Verschiebungen werden im lokalen Koordinatensystem berechnet. Atmosphärische Mai 2011

13 Einflüsse können durch Messungen zu Referenzpunkten oder mit meteorologischen Daten korrigiert werden. [10] MS SQL SERVER MATLAB 3.2. Aufnahme- und Auswertesysteme UAV AscTec Falcon 8 Ein UAV (Unmanned Aerial Vehicle) ist ein unbemanntes Luftfahrzeug, welches in unterschiedlichen Missionen eingesetzt wird. Dazu gehören militärische, aber vermehrt auch zivile Einsatzgebiete. Vor allem in der Erkundung und Überwachung werden UAV eingesetzt. Für die Erstellung von Luftbildern für die photogrammetrische Auswertung gewinnen UAV an Bedeutung. Der Vorteil eines UAV gegenüber einem herkömmlichen System ist der flexiblere Einsatz. Durch die einfache Bedienung ist das Manövrieren in kurzer Zeit lernbar. Dadurch entfällt die Abhängigkeit von einem Piloten. Mit einem UAV können Objekte aus kurzer Entfernung aufgenommen werden. Es ist somit möglich hochauflösende Höhenmodelle zu berechnen. Nachteile sind die Anfälligkeit auf Wind und die kurze Flugzeit beschränkt durch die Akkuleistung. Für die Arbeit steht die UAV Falcon 8 (Abb. 4) von Ascending Technologies zur Verfügung. Es ist ein acht rotoriges UAV, ein sogenannter Oktokopter. Mit einer Nutzlast von 500 Gramm ist es möglich eine Kompakt- (Lumix LX-5) oder Systemkamera (Sony Nex-5) mit einer Festbrennweite von 16mm zu transportieren. Die acht Motoren des UAV sind aufgeteilt in jeweils vier rechts- und linksdrehende Rotoren. Somit wird die stabile Lage während des Fluges gewährleistet. Falls ein Motor ausfallen würde, wird ein gegengesetzter Rotor ebenfalls gedrosselt, sodass das Gleichgewicht erhalten bleibt. [11] Abb. 4: AscTec Falcon 8 im Landeanflug (eigene Aufnahme) Mai 2011

14 Mit der gegebenen Motorenleistung können Windstärken bis 10 m/s kompensiert werden, ohne dass das Flugverhalten instabil wird. In Testflügen hat sich gezeigt, dass dies bei konstanten Windverhältnissen verlässlich funktioniert. Die Flugtrajektorien werden durch GPS, Kompass, IMU und einen barometrischen Höhenmesser stabilisiert. Drei Flugmodi regeln, welche Sensoren während der Manövrierung verwendet werden. Im manuellen Modus ist der Operator verantwortlich für die Kompensation von Winden und Wettereinflüssen, im Höhenmodus wird die Höhe durch das UAV reguliert und im GPS Modus wird zudem auch die Lage überprüft und stabilisiert. Durch die Luftbildaufnahme mit dem UAV können Höhenmodelle und Orthophotos extrahiert werden, welche für die weitere Auswertung verwendet werden Luftbildkameras ADS40 und RC30 Die ADS40 (Abb. 5) besitzt einen Zeilenscanner mit Pixeln und zeichnet Bilder mit 16 Bit in den Kanälen Pan, Infrarot, Rot, Blau und Grün auf. Die Aufnahmerichtungen sind vorwärts, nadir und rückwärts. [21] Die Streifen aus den drei Aufnahmerichtungen überlappen somit zu 100%. Aufgrund des Zeilenscanners entstehen entlang der Flugrichtung in Nadir keine projektiven Verzerrungen. In Flugrichtung entsteht eine Parallelprojektion, was die Verdeckungen durch steile Bergflanken in Flugrichtung verkleinert. Quer zur Flugrichtung sind die Projektionseigenschaften dieselben wie bei den herkömmlichen Luftbildern. [22] Abb. 5: ADS40 Streifenkamera Abb. 6: RC30 analoge Luftbildkamera [25] Die RC30 (Abb. 6) ist eine analoge Luftbildkamera aus dem Hause Leica. Für das Kamerasystem kann schwarz weiss, farb und falschfarben Film verwendet werden. Die Kamera ist Teil eines Gesamtsystems bestehend aus gyro-stabilisierten Platform, einer GPS-Referenzstation, einer GPS/IMU Positions- und Orientierungssystems. Die RC30 ist ein Flächensensor, somit erfolgt die Aufnahme über eine Zentralprojektion. Dies führt zu Verdeckungen in beiden Richtungen in Mai 2011

15 hügeligen oder steilen Gebieten. Für die RC30 ist sowohl ein Weitwinkel Objektiv (f=15 cm) wie auch ein Nomalwinkel Objektiv (f=30 cm) verfügbar. [25] Die Filme werden von der swisstopo mit einem photogrammetrischen Präzissionsscanner digitalisiert Software LEICA PHOTOGRAMMETRY SUITE 2010 Mit der Leica Photogrammtry Suite (LPS) lassen sich Luftaufnahmen in einer Blockkonfiguration bearbeiten. Dabei resultieren aus den überlappenden Luftbildern die Höhenmodelle und Orthophotos, welche für die weitere Interpretation der Daten benötigt werden. [16] Für die Erstellung der Höhenmodelle werden durch Matchingalgorithmen gemeinsame Bildpunkte gesucht und miteinander verknüpft. Um stabile Startwerte für das Matching zu haben, werden in einem ersten Schritt Verknüpfungspunkte manuell eingemessen. ARCGIS 10 ArcGIS enthält unter anderem die Programme ArcMap und ArcScene. Die Transformation der in LPS erstellten Höhenmodelle in ASCII Koordinatendateien wird mit ArcMap durchgeführt. Zudem können die Differenzen zwischen zwei Höhenmodellen mit dem RasterCalculator berechnet werden. Für die Visualisierung von 3D Höhenmodellen und Orthophotos wird ArcScene verwendet. GEOMAGIC 12 Mit der Software Geomagic können dreidimensionale Punktwolken visualisiert, bearbeitet und analysiert werden. Durch gute Beleuchtungsmodelle können die Punktwolken je nach Ansichtswinkel ausgeleuchtet werden. Die Punktwolken können aufeinander registriert werden. So können Offsets zwischen den Modellen eliminiert werden. Geomagic Qualify enthält 3D-Vergleichsfunktionen. Somit können Differenzen zwischen Punktwolken bestimmt werden. PHOTOMODELER 6 Sobald keine klassische Luftbildkonfiguration, sondern eine Bildanordnung um das Objekt besteht, ist die Auswertung mit LPS nicht mehr möglich. Sobald die Luftbildaufnahme von der klassischen Luftbildkonfiguration abweicht, wird für die Bearbeitung Photomodeler 6 verwendet. Mit der Software ist die Erstellung von texturierten 3D Modellen möglich. [17] Bei der Arbeit liegt der Schwerpunkt auf der Generierung eines hochaufgelösten Höhen-, bzw. 3D-Modell Verwendete Luftbilder Aus den vergangenen Jahren existieren Luftbilder des Projektgebietes, mit deren Hilfe Höhenmodelle berechnet werden können. Diese Bilder sollen mit den aktuellen UAV Daten verglichen werden um Veränderungen zu visualisieren. Die Bearbeitung der Luftbilder beschränkt sich auf digital vorhandene Daten Mai 2011

16 LUFTBILDPAARE UND STREIFEN VON SWISSTOPO Bestehende Luftbildpaare aus den Jahren 2000, 2003 und 2007 bilden das Gebiet des Kärpf ab. Die Aufnahmen stammen aus Überfliegungen über den Richetlipass südlich des Kärpf Gipfelgrats. Abb. 7 zeigt die unterschiedlichen Footprints der Luftbildpaare. Zwischen den beiden Aufnahmepunkten existieren Basislinien von rund 2 km. Die Orientierungselemente wurden von swisstopo mit den Daten mitgeliefert. Abb. 7: Footprints Luftbildpaare[14] Die Luftbildstreifen beinhalten drei Flugbahnen, welche die komplette Fläche des Kärpf abdecken. Durch die Aufnahme von Vorwärts-, Rückwärts und Nadirrichtung ist der Einfluss der Verdeckung kleiner als bei den Luftbildpaaren (Abb. 8). Die Orientierungen der Aufnahmen der ADS40 wurden mit den Luftbildstreifen mitgeliefert. Somit konnten die vorhandenen Streifen direkt prozessiert werden. Abb. 8: Prinzip Streifenaufnahme [15] Mai 2011

17 4. Vorbereitung Datenaufnahme 4.1. Planung Monitoring Aufgrund der erwarteten Bewegung von 0.4 bis 0.5 m pro Jahr, lokal bis zu 3 m pro Jahr im Messgebiet am Kärpf wird eine automatische Messung eingerichtet Messperimeter Das Messgebiet erstreckt sich vom Grat des Grossen Kärpfs in Richtung West. Die Messpunkte liegen am Grat. In diesem Bereich ist mit Bewegungen von rund 0.4 bis 0.5 m pro Jahr zu rechnen. Dies entspricht rund 1 bis 1.4 mm pro Tag. In den besonders instabilen Teilen sind Bewegungen bis zu 3 m pro Jahr denkbar, also bis zu 8.3 mm pro Tag. Es muss jedoch abgeklärt werden, ob es möglich ist, in diesem Gebiet Prismen zu montieren. Von Seiten der Geologen wird vermutet, dass die Geschwindigkeiten der Bewegungen während der Schneeschmelze zunehmen und sich anschliessend wieder verlangsamen. Um diese Vermutung zu bestätigen, muss das Monitoring bis in den Herbst aufrechterhalten werden. In Folgender Abbildung ist der Messraum rot markiert. Abb. 9: Übersicht Projektgebiet [18] Mai 2011

18 Standortwahl Der Standort von welchem aus das Monitoring ausgeführt wird, muss folgende Bedingungen erfüllen: stabiler Ort ausserhalb des beeinflussten Gebiets Stromversorgung von Vorteil freie und keine bodennahen Visuren in den Objektraum Distanz zum Messraum unter 1 km freie Visuren auf unabhängige stabile Punkte Der nächste Ort mit einer Stromversorgung ist die Leglerhütte. Sie liegt ca m vom Messraum entfernt und ist ausserhalb des beeinflussten Gebiets. Die Leglerhütte ist in Abb. 9 mit einem Haussymbol markiert. Als Alternative kann für das Monitoring ein Standpunkt auf dem stabilen Plateau zwischen der Leglerhütte und dem Kärpf verwendet werden. An diesem Standpunkt ist keine Stromversorgung vorhanden. Das Felsplateau ist in Abb. 9 mit einem Kreuz markiert. Aufgrund der grossen Distanz von der Leglerhütte zum Kärpf ist der Standpunkt an der Leglerhütte nicht geeignet. Der Standort muss näher an den Kärpf gelegt werden. Dies ist vor allem aufgrund der Resultate aus der Genauigkeitsabschätzung (4.1.3) und der Testmessung (4.1.6) nötig. Der Standpunkt wird zusätzlich mit GNSS-Messungen bestimmt, damit der Bezug zwischen lokalem und globalem System hergestellt werden kann Genauigkeitsabschätzung Durch eine grobe Genauigkeitsabschätzung wird geklärt, welche Messdauer nötig ist, um Bewegungen mit einem Tachymeter-Monitoring zu detektieren. Die Genauigkeitsabschätzung wird für die beiden Varianten der Standpunkte durchgeführt. Von diesen Standpunkten beträgt die Distanz zum Messgebiet 1.5 km bzw. 800 m. Die Distanz zu den Fixpunkten ist kleiner. Um die Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu steigern, werden die Messpunkte mit mehrfachen Satzmessungen bestimmt. Formel 1: Standardabweichung ([19] S. 485ff. [20] S. 6-9/18) Mai 2011

19 Tabelle 2: Standardabweichung für TCRP 1201 Standardabweichung [mm] Messdistanz σ längs σ quer σ Lage2D σ Lage3D σ Lage3D,doppelt 1.5 km m m m Bei einer Bewegung von 1 bis 1.5 mm pro Tag müssten also nach 7 bis 10 Tagen die Bewegungen grösser sein als die erwartete Messgenauigkeit. Somit könnte ein Trend erkannt werden Stützpunkte Im stabilen Bezugsraum werden vorteilshalber drei Stützpunkte definiert. Zu den Stützpunkten zählt in diesem Fall auch der Standpunkt, da dieser auch im stabilen Bezugsraum liegt. Diese dienen der Rückversicherung und der Überwachung der Stabilität. Mit Hilfe dieser stabilen Punkte können des Weiteren atmosphärische Einflüsse beobachtet und korrigiert werden. Die Koordinaten der Stützpunkte werden mittels GNSS-Messungen im Schweizerischen Landeskoordinatensystem bestimmt. Dadurch können die Messpunkte ins gleiche Koordinatensystem gebracht werden wie die DSM aus den Luftbildern. Die Stützpunkte und der Standpunkt (Stützpunktfeld) tragen die Datumsinformation und stellen damit den Bezugsrahmen für die Messungen dar. Um den Bezugsrahmen auch für weitere Messepochen zu sichern sind diese dauerhaft durch stabile Vermarkung zu sichern. Die Versicherung erfolgt durch SBB-Bolzen Messpunkte Die Messpunkte werden im instabilen Teil des Kärpf platziert. Die Messpunkte müssen so platziert sein, dass es keine Verwechslungen gibt, d.h. aus der Richtung des Standpunkts müssen die Messpunkte gut differenzierbar sein. Das Messobjekt besteht aus festem Fels, welcher sich zum einen auf dem instabilen Untergrund bewegt und andererseits zerfällt der Fels durch die auf ihn wirkenden Kräfte. Dadurch ist der Felskamm in einzelne, grosse Felsstücke zerfallen. Um die Bewegung der einzelnen Felsblöcke zu bestimmen, sollen an ausgewählten Felsblöcken mehrere Reflektoren angebracht werden. Die Punkte müssen ebenfalls für eine allfällige spätere Messepoche dauerhaft und stabil vermarkt werden. Zudem ist es wichtig, dass der Block während der Messdauer nicht abstürzen sollte Mai 2011

20 Punktversicherung und Reflektoren Für die Punktmarkierung können Leica Rundprismen oder gegebenenfalls Miniprismen verwendet werden. Auf Miniprismen kann mit dem TCRP 1201 nur bis max m gemessen werden. Ein weiteres Hindernis ist, dass das ATR (automatische Zielerfassung) für Miniprismen nur bis 500 m und für Rundprismen bis auf m einsetzbar ist [8]. Für die Wahl der Reflektoren wird auf dem Hönggerberg eine Testmessung auf m durchgeführt. Bei der Testmessung ist klar ersichtlich, dass die Messdistanz von mehr als 1'500 m für das Monitoring nicht optimal ist. Die Miniprismen sind mit ATR nicht auffindbar und somit ist die Messanordnung nicht zuverlässig. Auch auf die Rundprismen ist die Messung nur bei optimalen Bedingungen möglich. Dies ist ein weiterer Grund, weshalb der Standpunkt auf dem nähergelegenen Felsplateau gewählt wird. Da die Messdistanz weiterhin bis zu 800 m beträgt werden Rundprismen verwendet. Die Stütz- und Messpunkte werden mittels SBB Bolzen und Dübeln im Gestein verankert. Die Rundprismen können am Ende des Monitorings wieder problemlos entfernt werden. Zudem wird die Weiterführung der Messungen in einer weiteren Epoche vereinfacht Stromversorgung Trotz der Entfernung des Tachymeterstandpunkts von der SAC Hütte muss die Stromversorgung für das Monitoringsystem gewährleistet sein. Mittels Solarstrom, welcher in einem Bleiakku für den Nachtbetrieb gespeichert wird, können die Geräte über einen längeren Messzeitraum versorgt werden. Bei einer Testanordnung auf dem Dach des HIL-Gebäudes der ETH Zürich auf dem Hönggerberg stellt sich heraus, dass die Solarzellen bis zu 3 Ampère Strom generieren. Der Verbrauch des Tachymeters, des Laptops und des kombinierten Druck- und Temperatursensors liegt bei etwa 1.6 Ampère. Der Verbrauch ist während der Messung höher. Um genügend Energie zu speichern, muss das Messintervall sorgfältig gewählt werden, damit auch Energie für den Betrieb durch die Nacht gespeichert wird. Falls bei schlechtem Wetter zu wenig Energie produziert werden kann, wird die Energie vom Bleiakku verwendet. Ohne Zuladung über die Solarzellen ist der Betrieb für 6.5 Tage sichergestellt Flugplanung Aufnahmeperimeter Das Aufnahmegebiet erstreckt sich entlang der instabilen Zone am Gross Kärpf. Die Länge dieses Gebiets ist rund 150 Meter. Mit der eingeschränkten Akkuleistung in höher gelegenen Gebieten ist die Flugplanung umso wichtiger Auflösung und Flugparameter Durch die flexible Planung des Fluges können die Bilder in einer gewünschten Konfiguration aufgenommen werden. Die steile Felsflanke des Kärpf kann somit mit einer geneigten Kamera flächendeckend aufgenommen werden. Dabei ist zu beachten, dass die Basislinie nicht zu gross gewählt wird und die Aufnahmewinkel nur in kleinen Abständen geändert wird, da durch den Mai 2011

21 unterschiedlichen Betrachtungswinkel das Matching erschwert wird. Andernfalls ist es möglich, dass die Überdeckung im Aufnahmegebiet klein ist und die Rekonstruktion des Höhenmodells nicht mehr möglich ist. Die Luftbilder am Kärpf werden in zwei Konfigurationen aufgenommen. In einem ersten Flug gilt es eine Blockkonfiguration aus Nadirsicht aufzunehmen. Bei dem zweiten wird die Kamera senkrecht in den Hang gerichtet. So entsteht eine Aufnahmegeometrie wie bei einem Nahbereichsphotogrammetrie Projekt. Das resultierende Höhenmodell aus der Befliegung soll möglichst hochauflösend sein. Deshalb wird die Flughöhe dementsprechend angepasst. Durch die tiefe Flughöhe sind mehr Bilder nötig. Um verlässliche Daten zu erhalten ist es wichtig, dass die Bilder möglichst grosse Überlagerungen aufweisen. Das Ziel ist eine Überlagerung von 80%. Zudem wird durch die steile Felsflanke die Aufnahme in einer Blockkonfiguration erschwert. Die Auswertung wird somit deutlich aufwändiger, da neben der Leica Photogrammetry Suite auch Photomodeler für die seitliche Aufnahme eingesetzt werden muss Mai 2011

22 5. Aufbau und Betrieb des Monitoring Für den Aufbau des Monitorings sind zwei Tage eingeplant worden. Das umfangreiche Material, sowie die Personen werden mit einem Helikopter zum Standpunkt des Tachymeters transportiert. Da der erste Flug wegen schlechten Wetters abgesagt wurde, muss auf ein alternatives Datum ausgewichen werden. Aufgrund des starken Nebels wird der Helikopterflug ebenfalls von 8.30 Uhr auf 15 Uhr verlegt. Die Materialliste ist im Anhang A aufgeführt. Der Rückweg wird zu Fuss zurückgelegt. Bis zum Abschluss der Arbeit ist eine Kontrolle des Monitorings geplant Aufbau Standpunkt Auf dem Felsplateau, wo der Tachymeter aufgebaut wird, liegt beim Aufbau am 4. und 5. Mai noch bis zu 1 m Schnee. Dieser muss zuerst weggeräumt werden. Abb. 10: Tachymeterunterstand während Aufbau und im Endzustand (eigene Aufnahmen) Der Unterstand besteht aus einem Gerüst aus Holz und wird mit einer Plane abgedeckt (siehe Abb. 10). Die Plane deckt das Dach sowie drei Seiten. Auf der Vorderseite bedeckt die Plane die untere Hälfte ab, damit kein Schnee oder Tier in den Unterstand gelangen kann. Das Holzgerüst besteht aus vier Eckpfeilern sowie einem Rahmen unten und oben. Zusätzlich werden drei Verstrebungen angebracht. Die hinteren Stützen sind kürzer, damit sich kein Wasser auf dem Dach ansammeln kann. Das Holzgerüst wird mit mehreren Schrauben und Dübeln im Fels festgeschraubt. Auf drei Seiten werden im Abstand von ca. 2 m Haken im Fels verankert. An diese werden die Ecken des Unterstands mit Nylonschnur herabgespannt. So soll auch bei starken Winden der Tachymeter geschützt sein. Abb. 11: Befestigung Stativ (eigene Aufnahme) Um auch bei schlechtem Wetter und Wind einen stabilen Aufbau zu garantieren wird auch das Stativ fest mit dem Fels verbunden. An den Auflagepunkten der Stativfüsse werden kleine Löcher gebohrt, damit diese nicht rutschen. Neben jedem Stativfuss wird ein Haken gesetzt, an welchem das Stativ mit Nylonseilen festgebunden wird Mai 2011

23 Im Unterstand findet auch der Rest der Ausrüstung Platz. Dazu gehört der Bleiakku, sowie eine Kiste, in welcher alle Kabel und der Tablet PC geschützt verpackt werden. Der Anschluss der Sensoren an den Laptop und an den Strom ist sehr komplex. Es werden für jeden Sensor mehrere Adapter benötigt. Eine detailliertere Anleitung zur Verbindung der Sensoren ist im Anhang B zu finden. Um bei einem Kontrollbesuch kleine Reparaturarbeiten vornehmen zu können, wird auch ein Teil des Werkzeugs im Unterstand deponiert Aufbau Messpunkte Die Verteilung und Montage der Prismen am Kärpftor ist durch die topographischen Bedingungen sehr eingeschränkt. Die steilen Abhänge und instabilen Gesteinsformationen lassen nur auf einem schmalen Grat die Installation von Prismen zu. Dies ist für die Konfiguration der Messanordnung nicht optimal, aber nicht anders durchführbar. Mit Dübeln und SBB Bolzen werden die Prismen montiert. Durch den Schnee auf dem Grat gilt zu beachten, dass die Prismen nicht zu hoch befestigt sind. Ansonsten können die Prismen nach der Schneeschmelze kaum wieder abgebaut werden. Die Prismen dürfen auch nicht zu tief platziert werden, da sie sonst bei erneutem Schneefall verdeckt werden. Über die ganze Fläche verteilt befinden sich acht Rundprismen und ein Miniprisma. Die Platzierung der Prismen ist aus Abb. 12 ersichtlich. Abb. 12: Kärpftor mit Messpunkten (Foto David Novàk, ) Zusätzlich werden in der näheren Umgebung des Tachymeterstandpunkts zwei Fixpunkte mittels SBB-Bolzen und Dübeln angebracht. Die Koordianten der Fixpunkte und des Standpunkts werden mit GNSS-Messungen bestimmt. Tabelle 3: Koordinaten der Stützpunkte in LV 95 X Y Z Fixpunkt Fixpunkt Standpunkt Mai 2011

24 5.3. Inbetriebnahme Monitoring Der Aufbau des Unterstandes, die Montage der Prismen, das Anschliessen der Stromversorgung und der Sensoren konnte am ersten Tag abgeschlossen werden. Das GeoMoS wird am zweiten Tag programmiert. Es werden vier Punktegruppen definiert, diese sind: Standpunkt, Fixpunkte, Messpunkte und Messpunkt Miniprisma. Das Miniprisma ist jedoch vom Tachymeterstandort mit ATR nicht anzielbar und wird somit nicht in den Messablauf integriert. Dem Standpunkt wird der Meteosensor und der Tachymeter zugeordnet. Die Messungen erfolgen in einem lokalen System. Die lokalen Standpunktkoordinaten sind auf 1 000/1 000/1 149,7 gesetzt. Die Instrumentenhöhe beträgt cm, somit erhält der Bodenpunkt die Höhe Die Nullrichtung wird auf den Fixpunkt 1 gesetzt. Die Punktegruppe Messpunkte umfasst die Punkte Kaerpf1 bis Kaerpf8, welche mit einem Rundprisma ausgestattet sind. Diese können problemlos im GeoMoS angelehrt werden. Das Messintervall wird auf drei Stunden gesetzt und startet um 16 Uhr. Somit werden alle drei Stunden die Fixpunkte und Messpunkte gemessen, sowie die Daten aus dem kombinierten Temperaturund Drucksensor ausgelesen. Die Messungen werden mit den Werten aus dem Temperaturund Drucksensor korrigiert. Der Messbeginn wird auf 16 Uhr gesetzt, weil dadurch von 19 Uhr bis um 7 Uhr morgens fünf Messungen durchgeführt werden. Wir gehen davon aus, dass im diesem Zeitraum bessere Meteobedingungen für die Messungen vorliegen. Das Initialisieren der beiden Sensoren (Tachymeter und kombinierter Druck- und Temperatursensor) hat einige Probleme bereitet, da der Tablet PC diese nicht auf den richtigen COM- Anschlüssen erkannt beziehungsweise gar nicht angezeigt hat. Der kombinierte Temperaturund Drucksensor wird von GeoMoS erkannt und erfolgreich initialisiert, es können aber keine Messwerte ausgelesen werden. Um die Kommunikation funktionsfähig herzustellen muss im Gerätetreiber der COM-Anschluss auf die richtige Baudrate (4 800) gesetzt werden. Nach erfolgreicher Initialisierung und Programmierung der Geräte wird eine Testmessung durchgeführt. Eine Kopie der Daten der Testmessung wird für die Planung der Auswertung mitgenommen. Die Programmierung von GeoMoS und Abschlussarbeiten am Unterstand dauern bis am Mittag, danach wird der Rückweg angetreten Kontrolle des Monitorings Beim ersten Kontrollgang am 16. Mai 2011 ist das Monitoring ausser Betrieb. Die Anlage ist nach 13 Messtagen aufgrund fehlender Energie abgeschaltet worden. Das Monitoring konnte nach dem Unterbruch der Messung reaktiviert werden. Es ist allerdings nicht möglich den kombinierten Temperatur- und Drucksensor neu zu initialisieren. Die Kommunikation kann nicht hergestellt werden. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass der kombinierte Temperaturund Drucksensor bereits zuvor nicht mit GeoMoS kommunizierte und dadurch keine Daten für die Meteokorrekturen speicherte. Die Meteokorrekturen können jedoch manuell durch die Fixpunkte angebracht werden. Seit dem Ausfall der Anlage wurde der Bleiakku wieder mit Strom gespiesen ohne Strom zu brauchen, da das System sich nicht selber neu starten kann. Wir gehen davon aus, dass in den sechs Tagen in welchen die Anlage ausser Betrieb war, der Akku etwa zu 30 % geladen wurde. Bei guter Witterung können die Solarpanelen genügend Strom produzieren um die Anlage Mai 2011

25 weiterhin zu betreiben. Zudem wurden die Messungen auf die Nacht beschränkt. Der Energieverbrauch wird dadurch weiter minimiert Mai 2011

26 6. Datenaufnahme Anfangs Mai wurde das Monitoring gestartet. In einem Intervall von drei Stunden werden die Daten aufgenommen. Obwohl die Aufnahmen zur Tageszeit durch die starken Temperaturschwankungen nicht für die Auswertung verwendet werden können, wird die Aufnahme den Tag durch nicht unterbrochen. Diese Daten werden zum Vergleich mit den meteorologisch korrigierten Daten während der Nacht aufgenommen. Bereits nach den ersten Tagen der Aufnahme wurde das Wetter zunehmend schlechter und die Solarzellen lieferten nicht genügend Strom, um den Verbrauch zu decken. Durch den Bleiakku konnte die Messung jedoch aufrechterhalten werden. Nach zehn Tagen fielen rund 50 cm Neuschnee, welcher die Prismen beider Fixpunkte und einiger Messpunkte bedeckten und somit die Messung verhinderten. Zudem wurde die Stromversorgung durch die Solarzellen unterbrochen bis der Schnee wieder geschmolzen war. Der Bleiakku hatte zu diesem Zeitpunkt schon einen Teil der Kapazität aufgebraucht und so wurde durch den Entladungsschutz des Stromverwaltungsmoduls die Stromversorgung nach zwölf Messtagen unterbrochen Mai 2011

27 7. Auswertung 7.1. Monitoring Extrahieren der Daten Die Tachymetermessungen werden in einer serverbasierten relationalen Datenbank abgespeichert. Um die Daten auswerten zu können müssen sie mittels SQL-Abfrage aus der Datenbank ausgelesen werden. Dabei werden sie in Textdateien abgespeichert. Die Trennung der Spalten erfolgt über Leerzeichen. Tabelle 4: SQL Abfrage der Messungen in der Nacht für Kaerpf1 SET dateformat mdy Select Points.Name, TPSMeasurements.VAngle, TPSMeasurements.HzAngle, TPSMeasurements.SlopeDistance, TPSMeasurements.Epoch From Points Inner Join TPSMeasurements On Points.ID = TPSMeasurements.Point_ID Where Points.Name = 'kaerpf1' and (TPSMeasurements.epoch > (SELECT CAST(' :00:00' AS datetime)) and TPSMeasurements.epoch < (SELECT CAST(' :00:00' AS datetime))) or Points.Name = 'kaerpf1' and (TPSMeasurements.epoch > (SELECT CAST(' :00:00' AS datetime)) and TPSMeasurements.epoch < (SELECT CAST(' :00:00' AS datetime))) or Für jeden Messpunkt wird eine Textdatei mit den Messdaten generiert. Somit können die Punkte in Matlab einfacher prozessiert werden. Mit dem Matlab-Skript können die Punkte in einem lokalen Bezugsrahmen dargestellt werden. Die Differenzen zwischen der Nullmessung und den Folgemessungen können als Bewegungsvektoren über die Beobachtungsdauer dargestellt werden Prozessierung der Daten Durch die fehlenden meteorologischen Daten müssen die Messungen manuell korrigiert werden. Dabei gilt es den Orientierungsdrift, die Zenitwinkelabweichung und den Massstabsfehler zu korrigieren. Die Orientierung der Nullmessung wird dafür am ersten Messtag als fix angenommen und die weiteren Messungen werden daran angeglichen. Die Anpassungen werden an alle Messungen angebracht und der Drift wird eliminiert. Das Selbe wird für die Vertikalwinkel berechnet. Der Massstab wird aus dem Verhältnis der Länge der Nullmessung zur Folgemessung bestimmt. Eine Massstabszahl multipliziert mit der Distanzmessung reduziert den Massstabsfehler. Die Korrektur der meteorologischen Einflüsse und des Orientierungsdrifts werden für beide Fixpunkte berechnet und miteinander verglichen. Die Korrekturen für Orientierung fällt für beide Fixpunkte ähnlich aus. Die Orientierung driftet bis zu gon ab. Da sich die Orientierungskorrekturen gleich verhalten, wird für die Reduktion der Richtungen deren Mai 2011

28 Mittelwert verwendet. Die maximale Differenz der Korrekturen aus Fixpunkt 1 und 2 beträgt 0.5 mgon, was ca. 6.5 mm auf die Messdistanz von 800 m entspricht. Die Korrektur für den Vertikalwinkel bewegt sich um Null und ist maximal 1 mgon. Die Differenz zwischen den berechneten Korrekturen für die beiden Fixpunkte beträgt allerdings bis zu 1.15 mgon. Dies entspricht rund 15 mm auf die Messdistanz von 800 m. Die Korrektur des Zenitwinkels ist deshalb nicht sinnvoll. Für die Berechnung der Koordinaten werden die gemessenen Vertikalwinkel verwendet. Abb. 13: Matlab Plot der Korrekturen für die Winkelmessungen Die berechneten Massstäbe weichen voneinander ab. Die Differenz zwischen den Massstäben nimmt über die Messdauer zu und beträgt zum Schluss 4 ppm. Umgerechnet auf die Messpunkte ergibt dies 3.6 mm. Für die Distanzreduktion wird ebenfalls das Mittel aus beiden Massstäben verwendet Mai 2011

29 Abb. 14: Plot aus Matlab mit Massstabskorrektur Die berechneten Korrekturen können auch an den beiden Fixpunkten angebracht werden und dadurch überprüft werden. Folgende Abbildung zeigt die Differenz der korrigierten Fixpunktkoordinaten zu den Koordinaten der Nullmessung. Bei vollständiger Korrektur aller Einflüsse müssten die Differenzen Null betragen. Da der Einfluss des Vertikalwinkels aber nicht korrigiert werden kann, entstehen Differenzen bis zu 7 mm. Abb. 15: Matlab Plot zur Überprüfung der Messkorrekturen Mai 2011

30 7.2. DSM Generierung aus Luftbildern Luftbildpaare Von swisstopo stehen Bildpaare aus den Jahren 2000, 2003 und 2007 zur Verfügung. Alle Paare wurden mit einer RC30 Luftbildkamera aufgenommen. Abb. 16: Verfügbarkeit von Luftbildern von swisstopo [14] Durch die roten Punkte wird die Verfügbarkeit von Luftbildern symbolisiert. Südlich und nördlich des Kärpf verlaufen Flugpfade, welche für die Erstellung der Luftbilder verwendet werden. Mehrere Aufnahmeepochen überlagern sich in den einzelnen Streifen. Die Luftbildpaare können durch die mitgelieferten Orientierungsparameter direkt verwendet werden. Mit dem mitgelieferten Kalibrierungsprotokoll der RC30 Luftbildkamera können die Rahmenmarken eingemessen werden. Tabelle 5: Orientierungsparameter der Luftbilder Image X Y Z Omega Phi Kappa c [m] [gon] [mm] Mai 2011

31 Durch das Einmessen von Verknüpfungspunkten wird das Modell stabilisiert. Die Triangulierung muss unter einem Pixel Root Mean Square Error (RMSE) vorweisen. Mit der Methode Classic ATE kann das Höhenmodell extrahiert werden. Versuche mit der aufwändigeren Methode eate konnten keine besseren Resultate liefern Luftbildstreifen Aus den Jahren 2005, 2008 und 2009 existieren Luftbilddaten aus Streifen, welche mit der ADS40 Streifenkamera aufgenommen wurden. Im Gegensatz zu den Luftbildpaaren, können die Streifen direkt als SUP-Dateien importiert werden. Für jeden Aufnahmemodus und jede Blickrichtung des Luftbildstreifens existiert eine eigene Datei. Die Orientierung der Streifen ist darin direkt gespeichert. Bei den Luftbildstreifen entsteht der Aufwand hauptsächlich durch die lange Rechenzeit. Ein Streifenmodell benötigt für die Extraktion eines Höhenmodells über die gesamte Ausdehnung ein bis zwei Tage. Es ist deshalb sehr wichtig, das zu untersuchende Gebiet einzuschränken. In LPS kann mit dem AOI-Tool eine Bezugsfläche definiert werden. Diese lässt sich bei der Erstellung des Höhenmodells mit Classic ATE, wie auch mit eate als Grenze definieren. Verknüpfungspunkte sind aufwändig einzumessen. In erster Linie ist die Übersichtlichkeit schlechter als bei den Luftbildpaaren. Die Streifen erstrecken sich über grosse Gebiete. Zudem existieren nicht nur zwei Bilder, in welchen die Punkte gemessen werden, sondern eine grosse Anzahl Streifen. Um das Modell zu stabilisieren werden ebenfalls Verknüpfungspunkte um den Gipfelgrat eingemessen. Um das ganze Modell zu stützen werden zudem automatisch Verknüpfungspunkte in einem vorgegebenen Raster generiert DSM Bearbeitung in Geomagic Die digitalen Geländemodelle müssen in einem ersten Schritt von einem ESRI Höhenmodell in eine ASCII-Datei im Format XYZ konvertiert werden. In ArcMap können die Punkte mittels Sample Funktion extrahiert werden und im Anschluss als Punktwolke im ASCII-Format exportiert werden. In Geomagic Studio kann die Punktwolke importiert und zu einem geschlossenem Höhenmodell trianguliert werden. Vor der Triangulation wird das Rauschen verringert. Nach der Triangulation werden die Spitzen reduziert. Da die Spitzen durch die Interpolation in LPS (Leica Photogrammetry Suite) aber nicht nur aus einem Punkt bestehen und sehr gross sind, können diese in Geomagic nicht automatisch entfernt werden. Kleinere Löcher werden gefüllt, grössere kompliziertere Löcher werden belassen, da ansonsten Differenzen entstehen, welche nicht nachvollziehbar sind DSM Vergleich Der Vergleich der DSM geschieht in Geomagic. Alle Punkte sind als XYZ-Koordinaten in einer ASCII-Datei abgespeichert. Somit können sie problemlos in Geomagic importiert werden. Jedes Höhenmodell beinhaltet rund 20 Mio. Punkte. Es ist deshalb empfehlenswert die Daten zu reduzieren auf 10-20% der Daten. Optimalerweise sollte das Ausdünnen nicht über einen regelmässigen Algorithmus geschehen, sondern Krümmungen in die Reduzierung einbeziehen Mai 2011

32 Da es sehr zeitintensiv ist wurde die Ausdünnung direkt beim Import gleichmässig durchgeführt. Die verbleibenden zwei bis vier Millionen Punkte sind ausreichend um das Höhenmodell zu rekonstruieren. Mit einem direkten Vergleich zwischen den Höhenmodellen können die Höhenunterschiede zwischen den einzelnen Punkten berechnet werden Mai 2011

33 8. Resultate 8.1. Monitoring Visualisierung der 3D-Koordinaten Aus den bereinigten Messwerten wurden für jeden Punkt für jeden Messzeitpunkt die Koordinaten berechnet und dargestellt. Die folgende Abbildung zeigt zum einen die Lage aller Messpunkte, der Fixpunkte sowie des Standpunkts. Die Verteilung einer einzelnen Punktwolke ist am Beispiel des Messpunkts Kaerpf1 dargestellt. Abb. 17: Darstellung aller Punktkoordinaten aus Matlab Betrag der Bewegungsvektoren Um die Bewegung der Messpunkte zu ermitteln, wird für jeden Messpunkt ein Differenzvektor aus der aktuellen Messung und der ersten Messung erstellt. Deren Beträge sind in Abb. 18 dargestellt. Aus den Beträgen ist kein klarer Trend ersichtlich, der Betrag wird nicht wie erwartet zunehmend grösser, sondern seine Länge schwankt stark Mai 2011

34 Abb. 18: Betrag der Bewegung mit Trendlinie aus Matlab Entwicklung der Distanzmessungen Da die Auswertung des Betrags der Bewegungsvektoren zu keinem klaren Ergebnis führt, werden auch die Distanzmessungen genauer untersucht. In Abb. 19 ist die Entwicklung der Differenz der Distanzmessung zur ersten Messung dargestellt. Die Distanzen zu den Messpunkten Kaerpf1 bis Kaerpf7 nehmen über den Messzeitraum zu. Allerdings sind die Differenzen am Ende des Messzeitraums nicht markant grösser als die Messgenauigkeit von 2.2mm auf 800 m. Für den Punkt Kaerpf8 erhalten wir ein anderes Resultat. Die Distanz nimmt über die gesamte Messdauer um rund 6 mm ab. Das heisst, dass sich dieser Punkt auf den Standpunkt zu bewegt. Die Bewegung von 6 mm ist grösser als die Messgenauigkeit. Abb. 19: Entwicklung der Distanzmessungen aus Matlab Mai 2011

35 D-Bewegungsvektoren Die 3D-Bewegungsvektoren werden weiter in Excel analysiert. Die Entwicklung der x,y und z Koordinaten über die Messdauer werden einzeln in einem Diagramm dargestellt und eine lineare Trendlinie, welche durch den Nullpunkt läuft, eingepasst. Für jeden Messpunkt wird ein Bewegungsvektor erstellt, welcher von Nullpunkt startet und zum Endpunkt der Trendlinie geht y x z Linear (y) Linear (x) Linear (z) Abb. 20: Entwicklung der x,y und z Koordinate eines Bewegungsvektors in Excel mit Trendlinie Abb. 21: Darstellung der Bewegungsvektoren aus den Trendlinien Die Bewegungen liegen für jede Koordinate im Bereich von ca. 2 mm. Dies liegt im Bereich der Standardabweichung. Somit kann aus den Bewegungsvektoren keine Aussage zu den Bewegungen abgeleitet werden. Um Bewegungen zu detektieren ist die vorhandene Messdauer zu klein. Die auswerte Algorithmen wurden so konzipiert, dass diese auch mit grösseren Messintervallen funktionieren. Dadurch wird der Aufwand für die Auswertung der Daten, welche bis im Oktober aufgenommen werden minimiert Mai 2011

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