Erstellung eines grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells im Nationalpark Neusiedler See- Seewinkel/Fertö-Hanság aus Laserscanner-Daten

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1 Erstellung eines grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells im Nationalpark Neusiedler See- Seewinkel/Fertö-Hanság aus Laserscanner-Daten Maria ATTWENGER und Andreas CHLAUPEK Zusammenfassung Im transnationalen Projekt SISTEMaPARC steht im grenzüberschreitenden Nationalpark Neusiedler See/Fertö Hanság sowohl auf österreichischem als auch auf ungarischem Territorium jeweils eine Laserscanner-Befliegung zur Verfügung. Auf österreichischer Seite führte der Rückgang der Lacken im Laufe des 20. Jahrhunderts zu Renaturierungsbemühungen. Durch die große Dichte und hohe Genauigkeit von Laserscanner-Aufnahmen können anhand digitaler Geländemodelle die erforderlichen hydrologischen Analysen durchgeführt werden. Aus beiden Datensätzen konnte ein grenzüberschreitendes digitales Geländemodell erstellt werden. 1 Einleitung Im Rahmen des transnationalen europäischen Programmes INTERREG IIIB CADSES 1 startete am das Projekt SISTEMaPARC (Spatial Information Systems for Transnational Environmental Management of Protected Areas and Regions in CADSES) mit einer Laufzeit von drei Jahren. An der Umsetzung des Projektes SISTEMaPARC nehmen insgesamt 20 Institutionen aus sieben Ländern teil. Die wichtigste Zielsetzung von SISTEMa- PARC stellt die Unterstützung regionaler Nationalparkverwaltungen bei der Entwicklung grenzüberschreitender Informationssysteme als Grundlage zur Erfassung, Verwaltung, Analyse und Präsentation raumbezogener Daten dar. Der Projektkoordinator ist Prof. Dr. E. Csaplovics von der Technischen Universität Dresden. In und um das Gebiet des heutigen Nationalparks Neusiedler See-Seewinkel/Fertö-Hanság kam es im Laufe des 20. Jahrhunderts zu einem starken Rückgang der Lacken. Um die Suche nach Gebieten mit natürlichen Senken, welche potenzielle Renaturierungsgebiete darstellen, in dieser Region zu unterstützen, und hochgenaue hydrologische Analysen zu ermöglichen, wurde vom Amt der Burgenländischen Landesregierung und der EU im Rahmen von SISTEMaPARC eine flugzeuggetragene Laserscanner(LS)-Befliegung finanziert. Im November 2004 wurde diese LS-Aufnahme inklusive digitaler Bilddatenerfassung von der Firma TopScan (TOPSCAN 2005) durchgeführt. Es wurden insgesamt 57 Flugstreifen (davon 6 Querstreifen) zur Abdeckung des gesamten Projektgebietes, das eine Fläche von etwa 250 km 2 aufweist, aufgenommen (siehe Abb. 1). Die Datendichte betrug 1,5 Punkte 1 CADSES: Central, Adriatic, Danubian and South-East European Space.

2 Erstellung eines grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells aus Laserscanner-Daten 17 pro m 2. Die LS-Punkte wurden mittels der während der Befliegung aufgezeichneten Daten von GPS und INS roh-georeferenziert, ihre Bereitstellung erfolgte in der Abbildung UTM bezogen auf ETRS89. Anhand dieser Daten konnte nach einer eingehenden Qualitätskontrolle und einer Fein-Georeferenzierung am Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (I.P.F.) der TU Wien ein digitales Geländemodell (DGM) erzeugt werden, das die Grundlage für Depressionsanalysen (RIEGER 1992) und hydrologische Analysen darstellt. Ein kleineres LS-Projekt wurde im Jahr 1999 durchgeführt (HERZIGet al. 2002). Abb. 1: Darstellung des österreichischen (nördliches Polygon) und ungarischen Projektgebiets (südliches Polygon) (BEV 2005) Bereits im August 2004 wurde im Auftrag der Universität von West-Ungarn in Sopron und der ungarischen Regierung im Rahmen des Phare CBC Programms Production of Digital Geodatasets by means of Laserscanning (HU ) von der Firma TopoSys (TOPO- SYS 2004) ein Projektgebiet mit einer Größe von ca. 19 km 2 beflogen (siehe Abb. 1). Neben der Originalpunktwolke wurden von TopoSys ein digitales Oberflächenmodell (DOM) und ein DGM geliefert. Aus den Daten beider Missionen konnte ein grenzüberschreitendes DGM erstellt werden. In diesem Beitrag sind der Ablauf vom Erhalt der LS-Daten im österreichischen Projektgebiet bis zur Fertigstellung des DGMs und die anschließende Zusammenführung des österreichischen und ungarischen DGMs dargestellt. 2 Qualitätskontrolle und Fein-Georeferenzierung Nach Erhalt der Daten von der Firma TopScan wurde eine Qualitätskontrolle durchgeführt. Dazu wurden Differenzmodelle der Oberflächenmodelle sämtlicher überlappender LS- Streifen gebildet. Es wurden Lageversetzungen in der Größenordnung von 30 cm festgestellt. Diese Differenzen entsprechen den Anforderungen von hydrologischen Projekten nicht. Zur Steigerung der absoluten und relativen Genauigkeit der LS-Daten wurde daher eine Fein-Georeferenzierung (KAGER 2004) durchgeführt. Als Grundlage dazu dienen terrestrische Vermessungen jeweils drei geneigter (Dach-)Flächen, so genannter Patches,

3 18 M. Attwenger und A. Chlaupek unterschiedlicher Exposition in den Ecken des Projektgebiets und an den Enden der Querstreifen. Anhand der Patches wird die absolute Einpassung des gesamten Blocks verbessert. Die einzelnen LS-Streifen werden anhand von automatisch bestimmten Saatflächen in den Überlappungsbereichen verknüpft. Im Projektgebiet wurden zwölf Bereiche festgelegt, in denen Patches vermessen werden sollten (Abb. 2). Problematisch war die Suche nach geeigneten Patches im süd-östlichen Bereich des Projektgebiets, weil hier keinerlei Bebauung vorhanden ist. In diesem Bereich wurde die terrestrische Vermessung von horizontalen Flächen vorgenommen, um zumindest die Höhe zu stabilisieren. Nach der Fein- Georeferenzierung wurde abermals eine Qualitätskontrolle durchgeführt. In Abbildung 3 ist der Vergleich der Qualitätskontrolle angewendet auf roh- und fein-georeferenzierte Daten dargestellt. Während im Differenzmodell in Abbildung 3 Mitte deutliche Lagedifferenzen der beiden verglichenen Streifen zu sehen sind (Böschung im Westen, Häuser im Osten), ist dies in der Visualisierung des Ergebnisses (Abb. 3 unten) nicht mehr der Fall. Abb. 2: Flugstreifenübersicht (TOPSCAN, 2005) der Befliegung Neusiedler See überlagert mit den vom I.P.F. vorgegebenen Passpunkträumen (schwarze Punkte). Im süd-östlichen Projektgebiet konnten keine geneigten Passflächen gefunden werden. Anschließend erfolgte der Vergleich der österreichischen fein-georeferenzierten LS-Daten mit den ungarischen LS-Daten im Überlappungsgebiet. Die Differenz der beiden LS- Datensätze beträgt in der Lage ca. 15 cm, in der Höhe ca. 10 cm. Dies kann als ausreichen-

4 Erstellung eines grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells aus Laserscanner-Daten 19 de Übereinstimmung angesehen werden, weil auf ungarischer Seite keine Fein-Georeferenzierung durchgeführt wurde. Abb. 3: Oben: Ausschnitt aus der Schummerung des DOMs des Flugstreifen 5, Mitte: Höhenkodierung des Differenzmodells Streifen 6 Streifen 5 berechnet aus den roh-georeferenzierten LS-Daten, unten: Höhenkodierung des Differenzmodells Streifen 6 Streifen 5 berechnet aus den fein-georeferenzierten LS-Daten (farbige Darstellung siehe Online-Veröffentlichung). 3 Berücksichtigung der Geoidundulation Bevor die einzelnen fein-georeferenzierten LS-Streifen zur Generierung von digitalen Oberflächen- und Geländemodellen herangezogen wurden, erfolgte eine Anpassung der Daten an das orthometrische Höhensystem. Die mittels LS aufgenommenen Höheninformationen beziehen sich auf das Rotationsellipsoid ETRS89. Dieses eignet sich zwar gut als Bezugsfläche für Lagekoordinaten, ist jedoch für Höhenangaben wenig geeignet. Um die Abweichung zwischen den ellipsoidischen und orthometrischen Höhen zu berücksichtigen, ist die Kenntnis der lokalen Geoidundulation notwendig. Anhand vom Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen bereitgestellter Daten über den Verlauf der Geoidundulation (Raster mit Einheiten von 5 geographischer Länge und 3 geographischer Breite) konnte diese an die vorhandenen LS-Streifen angebracht werden. Stichprobenartig wurde die orthometrische Höhe durch ein Präzisionsnivellement zu zwei Katastertriangulierungspunkten kontrolliert. 4 Ableitung digitaler Gelände- und Oberflächenmodelle Aufgrund der Größe des Projektgebiets wurden die ursprünglich streifenweise vorhandenen LS-Daten in 4 km 2 großen Kacheln weiterverarbeitet. Zur Datenverwaltung wurde das am I.P.F. entwickelte Programm TopDM (Topographic Data Management), das auch die Verwaltung abgeleiteter Produkte, wie DGMe, DOMe oder Isolinien, ermöglicht, eingesetzt.

5 20 M. Attwenger und A. Chlaupek Um eine grenzüberschreitende Nutzung der Daten zu ermöglichen, erfolgte die Einteilung der Berechnungseinheiten in UTM. Die Berechnung des DOMs und DGMs wurde mit dem ebenfalls am I.P.F. entwickelten Programm SCOP++ durchgeführt. Ein grober Ablauf der Bearbeitungsschritte ist in Abbildung 4 dargestellt. Abb. 4: Verarbeitungsschema der fein-georeferenzierten Daten zum fertigen Geländeund Oberflächenmodell 4.1 Digitales Oberflächenmodell Zur Berechnung des DOMs werden als Eingangsdaten fein-georeferenzierte First-Echo- Daten verwendet. Die Interpolation erfolgt mittels gleitender Schrägebenen ( Moving Planes ). Bei dieser Interpolationsmethode kommt die Rauhigkeit der Vegetation gut zum Ausdruck. In Abbildung 5 links wird ein Ausschnitt aus dem DOM dargestellt. 4.2 Digitales Geländemodell Das DGM wurde aus Last-Echo-Daten mittels hierarchischer robuster Interpolation berechnet. Diese Methode baut auf der robusten Interpolation auf, die aus einer gegebenen Punktwolke zunächst eine vermittelnde Oberfläche interpoliert. Bezüglich dieser Oberfläche werden die LS-Daten unter der Annahme gewichtet, dass Punkte, die unterhalb eines gewis-

6 Erstellung eines grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells aus Laserscanner-Daten 21 sen Schwellenwerts liegen, Bodenpunkte sind. Anschließend wird unter der Berücksichtigung der Gewichte wieder eine Oberfläche berechnet. Nach mehreren Iterationsschritten werden Boden- und Nicht-Bodenpunkte ausgewiesen. Die hierarchische robuste Interpolation ist durch die Verwendung verschiedener Datenpyramidenniveaus (Ansatz vom Groben ins Feine ) definiert, die durch Ausdünnen, robuste Interpolation und Hinzunahme von Originaldaten innerhalb eines Toleranzbands erzeugt wird (KRAUS et al. 1998, BRIESE et al. 2001). In Abbildung 5 rechts wird ein Ausschnitt aus dem DGM dargestellt. Abb. 5: Links: DOM aus First-Echo-Daten, rechts: DGM aus Last-Echo-Daten 4.3 Erstellung des grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells Eine Zielsetzung von SISTEMaPARC ist die Schaffung grenzüberschreitender Datensätze. Aus diesem Grund wurden die DGMe der österreichischen und ungarischen LS- Projektgebiete zusammengeführt. Da beide DGMe in der gleichen Projektion (UTM bezogen auf ETRS89) und Auflösung vorlagen, konnten sie mittels TopDM zusammengeführt werden. Einzig die Geoidundulation musste zuvor an die ungarischen Daten angebracht werden. Grenzüberschreitende Analysen, die für Nationalparkverwaltungen sowie andere öffentliche Stellen von Interesse sind, können somit durchgeführt werden. Ein Ausschnitt aus dem grenzüberschreitenden DGM ist in Abbildung 6 dargestellt. Künftige, von ungarischer Seite generierte DGMe können mit den bestehenden Datensätzen verbunden werden. Aufgrund der verschiedenen Befliegungszeiten (August bzw. November 2004) war es nicht möglich, ein homogenes DOM zu bilden.

7 22 M. Attwenger und A. Chlaupek Abb. 6: Ausschnitt aus der Schummerung (links) und Höhenkodierung (rechts) des grenzüberschreitenden DGMs. Der Zusammenstoß der beiden DGMe ist in der Bildmitte. Danksagung Die Autoren danken der Abteilung V1 Grundlagen des Bundesamts für Eich- und Vermessungswesens für die fachliche Hilfe, dem Amt der Burgenländischen Landesregierung für die finanzielle Unterstützung von Andreas Chlaupek und der Universität von West- Ungarn für die Bereitstellung des ungarischen DGMs. Literatur BEV (2005): ÖK200 des Bundesamts für Eich- und Vermessungswesen (BEV), Ausschnitt aus der Austrian Map fly, Version 4.0. BRIESE, C., P. BELADA & N. PFEIFER (2001): Digitale Geländemodelle im Stadtgebiet aus Laser-Sanner-Daten. In: Österreichische Zeitschrift für Vermessung und Geoinformation (VGI), 89. Jahrgang, Heft 2, S HERZIG, A., D. HORVATH, K. KRAUS & K. NAUMANN (2002): Ein Beitrag zur Renaturierung des Nationalparks Neusiedler See-Seewinkel/Fertö-Hanság mit Hilfe von Laserscanning. In: Österreichische Zeitschrift für Vermessung und Geoinformation (VGI), 90. Jahrgang, Heft 2, S KAGER, H. (2004): Discrepancies Between Overlapping Laser Scanning Strips Simultaneous Fitting of Aerial Laser Scanner Strips. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing XXth Congress, Istanbul, 12. bis 23. Juli 2004, Proceedings. ALTAN, O. (Ed.), Vol. XXXV, Part B/1 (2004), ISSN , S KRAUS, K. & N. PFEIFER (1998): Determination of terrain models in wooded areas with airborne laser scanner data. In: ISPRS Journal, Vol. 53, S

8 Erstellung eines grenzüberschreitenden digitalen Geländemodells aus Laserscanner-Daten 23 RIEGER, W. (1992): Hydrologische Anwendungen des digitalen Geländemodelles. Dissertation an der TU Wien. Geowissenschaftliche Mitteilungen der Studienrichtung Vermessungswesen, Heft 39b. TOPOSYS (2004): Project Documentation: Sarrod, Hungary, September TOPSCAN (2005): Projektbericht Laserscannermessung mit zeitgleicher digitaler Bilddatenerfassung Neusiedler See, März 2005.