Vermessungstechnologien im Dienste der Naturgefahren-Prävention

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1 Vermessungstechnologien im Dienste der Naturgefahren-Prävention Zertifikatslehrgang Remote Sensing and New Monitoring Techniques in Applied Geology ETH Zürich, Stephan Landtwing Inhaltübersicht Vermessung im Naturgefahrenbereich Beispiele Staumauermonitoring Piota Negra Findelgletscher DTM Naturgefahren St.Gallen Felssturz Gurtnellen Felssturz Preonzo Verwendete Technologien Diskussion

2 Vermessung und Naturgefahren Infrastruktur- Ueberwachung Vermessung und Naturgefahren: Anwendungen Infrastruktur- Ueberwachung Überwachung künstlicher Objekte, welche Naturrisiken ausgesetzt sind, z.b: Gebäude Strassen, Bahnlinien Staudäe/-mauern Kleine n,, hohe

3 Vermessung und Naturgefahren: Anwendungen Infrastruktur- Ueberwachung Umwelt- Monitoring 3D-Erfassung von Gebieten, welche umweltbedingte Veränderungen erfahren: Klimaerwärmung Gletscher Erosion/Erdrutsche Hänge, Felswände Ueberschweungen Flüsse, Seen Grosse n, mittel -, - Vermessung und Naturgefahren: Anwendungen Dokumentation Schadensereignis Infrastruktur- Ueberwachung Umwelt- Monitoring 3D-Erfassung von Gebieten/Infrastruktur welche unmittelbar von einem Schadensereignis betroffen sind: Überschweungen Erdrutschungen Felsabbrüche Kleine n,, mittlere

4 Vermessung und Naturgefahren: Beispiele (I) Dokumentation Schadensereignis Infrastruktur- Ueberwachung Umwelt- Monitoring Los 349: Staumauer-Monitoring am Gotthard-Basistunnel Piota Negra: Ueberwachung von Felsskopf überhalb der A2 in der Leventina Los 349 Staumauer-Monitoring, Alptransit Gotthard AG, Motivation: Bau am Gotthard-Basistunnel führt zu Oberflächensetzungen Potentielle Gefährdung der drei Staumauern Nalps, Cunera und Sta. Maria Anforderung: Permanente Überwachung der Staumauern Realisierung: Kontinuierliches Monitoring-System zur ganzjährigen Überwachung Vollautomatische 3D-Talquerschnittsüberwachung mit Tachymetrie Höhenüberwachung an zehn exponierten Stellen im Hochgebirge mittels GPS Felsmechanische Messungen mit Extensometer und jährliche Nivellementmessungen

5 Ergebnisse: Zyklische Talöffnungen und - schliessungen im Zusaenhang mit Jahreszeit/Grundwasserspiegel Detektion irreversibler Bewegungen bei Tunnelvortrieb: Setzungen sowie gleichzeitige Schliessungen im - bis -Bereich Auch GPS-Punkte sind beeinflusst: Bewegung in der Lage Richtung Tunnelachse; Setzungen im -Bereich Piota Negra SBB Infrastruktur, 2010 Motivation: Instabiler Felsvorsprung Piota Negra (Schwarze Platte) in der Leventina Gefahr für die Verkehrsinfrastruktur (Bahn, Kantonsstrasse, Autobahn, Hochspannungsleitung) Anforderung: Regelmässige flächendeckende Überwachung des Felsvorsprungs und Bestiung von Deformationen Realisierung: Einsatz von terrestrischem Laserscanning 3D- Erfassung der Felswand mit ca. 30 Punkten/m 2 Nullmessungen Frühling und Herbst 2010, danach jährliche Folgemessung im Frühling

6 Ergebnisse: 3D-Modell und Profile für Sturzsimulationen Differenzbilder zur Erkennung von Massenbewegungen Entscheidungsgrundlagen für Präventions- und Schutzmassnahmen Technologie Terrestrisches Laserscanning : Erfassung von Punktwolken mit Laserscanner (im Gegensatz zu Tachymeter/GPS = Einzelpunkte) Hohe Punktdichten vom aufgenoenen Objekt Implementierte Digitalkamera für bildliche Erfassung Ableitung von 3D-Koordinaten, Erzeugung vektorieller 3D- Modelle, Volumen- und Massenberechnungen Anwendungen: Infrastrukturaufnahmen, Architektur/Denkmalschutz, Naturgefahren, Inventarisierungen

7 Vermessung und Naturgefahren: Technologie (I) Tachymetrie Infrastruktur- Ueberwachung GPS Tachymetrie/GPS/Nivellement Hochpräzise Punktmessung Wiederholbar Automatisierbar aufwendig Geringe Messrate Objektzugänglichkeit Vermessung und Naturgefahren: Technologie (I) Tachymetrie GPS TLS Tachymetrie/GPS/Nivellement Hochpräzise Punktmessung Wiederholbar Automatisierbar aufwendig Geringe Messrate Objektzugänglichkeit Terrestrisches Laserscanning Präzise nmessung Hohe Messrate 3D-Modell aufwendige Stationierung Nur kleinere n

8 Vermessung und Naturgefahren: Beispiele (II) Findelgletscher: Dokumentation des Gletscherrückgangs Kanton St. Gallen: Erstellung einer Naturgefahren-Karte Umwelt- Monitoring Findelgletscher, Universität Zürich, Motivation: Forschungsprojekt der Universität Zürich Dokumentation und Erforschung der Folgen des Klimawandels am Findelgletscher bei Zermatt Anforderung: Erfassung saisonaler und lokaler Schwankungen in der Mächtigkeit des Gletschers Realisierung: Einsatz eines Airborne Laserscanners Mehrfach-Befliegung des Gletschers Erzeugung eines Digitalen Oberflächenmodells (DOM) mit 1 m Rasterweite Ableitung der Gletscherverformungen zwischen sowie zwischen Herbst und Frühling

9 Digitales Oberflächenmodell Herbst 2009 Frühling 2010 Herbst 2010 Differenzbilder Fj10 - He09 He10 Fj10 He10 He09

10 Herbst 2009 Frühling 2010 Herbst 2010 Herbst 2009 Fj10 He09 He10 He09

11 Naturgefahrenkarte St. Gallen, Kanton St. Gallen, Motivation: Verpflichtung der Kantone zur Erstellung einer Naturgefahrenkarte Verbindlich bei raumwirksamen Planungsmassnahmen Anforderungen: Dokumentation und Risikoanalyse für folgende Naturgefahren: Hochwasser, Murgänge, Rutschungen, Felsstürze und Lawinen Realisierung: Separate Laser- und Luftbildbefliegungen von > 550 km 2 in mehreren Etappen Laserpunktdichte: 1.5 Punkte/m 2 Luftbilder mit Bodenpixelgrösse von 12 Berechnung hochauflösender Geländemodelle anhand von Laserdaten und Luftbilder Ergebnisse: Digitales Höhenmodell aus Bruchkanten und Massenpunkten

12 Ergebnisse: Digitales Höhenmodell aus Bruchkanten und Massenpunkten Grundlage für Simulationen: Überflutungen, Sturzprozesse Ergebnisse: Digitales Höhenmodell aus Bruchkanten und Massenpunkten Grundlage für Simulationen: Überflutungen, Sturzprozesse Endprodukt: Grundeigentümerverbindliche Naturgefahrenkarte

13 Technologie Airborne Laserscanning D-GPS: Positionsbestiung des Systems INS (Inertialsystem): Orientierung im Raum LIDAR: Laser-Laufzeitmessung Bei Bedarf weitere Sensoren D-GPS Höhe Yaw Beite Länge Pitch Roll INS Vermessung und Naturgefahren: Technologie (II) Tachymetrie GPS TLS Umwelt- Airborne Monitoring Mapping Tachymetrie/GPS/Nivellement Terrestrisches Laserscanning Airborne Mapping (LiDAR / Photograetrie) Hohe Messfrequenz grosse n Hochauflösend Direkte Georeferenzierung Mittlere Genauigkeit Hohe Initialisierungskosten

14 Vermessung und Naturgefahren: Beispiele (III) Dokumentation Schadensereignis Gurtnellen: 3D-Modell nach Felssturz auf Autobahn A2 Preonzo: 3D-Modell von Felssturz Felssturz Gurtnellen, Kanton Uri, 2006 Motivation: 31. Mai 2006: Felssturz in Gurtnellen an der A2 mit zwei Todesopfern Sprengung eines absturzgefährdeten Felskopfes Anforderungen: 3D-Erfassung der aktuellen Geländesituation Erstellung eines "Steinschlag-Modells" Berechnung der Felsstabilität Berechnung von Höhenkurven an überhängenden Geländestellen Realisierung: Durchführung einer Airborne Laserscanning- Befliegung mit Helikopter Sehr steiles Gebiet mit grossen Höhenunterschieden

15 Ergebnisse: Digitales Höhen- und Oberflächenmodell und Höhenkurvenpläne Ergebnisse: Digitales Höhen- und Oberflächenmodell und Höhenkurvenpläne Steinschlagsimulationen zur Dimensionierung von Schutzbauten

16 Preonzo, Kanton Tessin, 2010 Motivation: Gefährdung eines Industriegebiets durch Anriss oberhalb des Dorfes Preonzo Felsabbruch im Frühjahr 2010: Evakuierung der Industriezone Anforderungen: Geologische Modellierung zur besseren Einschätzung der Kubaturen weiterer Abbrüche Begehung des Gebiets aufgrund der Lage und Steilheit zu gefährlich Realisierung: luftgestützte Laserdaten- und Bilderfassung mit dem Scan2map-System Schrägaufnahmen garantieren hohe Datenqualität der tlw. senkrechten Felswände Grosse Dringlichkeit: Auftragserteilung, Flug und Datenlieferung < 1 Woche Ergebnisse: Schrägbilder und Höhenmodell von Abbruchstelle und Auslauf Kombination mit terrestrischen Messverfahren (Radar, Extensometer) Identifizieren von Spaltensystemen und absturzgefährtdeten Kubaturen

17 Handgestütztes Laserscanning: Vorteile Schnelle Installation Missionen können sehr durchgeführt werden, z.b Notfallpläne nach Schadensereignissen Direkte Georeferenzierung Bodenmessungen nicht zwingend notwendig Einige Stunden nach Ereignis! Handgestütztes Laserscanning: Vorteile Schnelle Installation Missionen können sehr durchgeführt werden, z.b Notfallpläne nach Schadensereignissen Direkte Georeferenzierung Bodenmessungen nicht zwingend notwendig Hohe Genauigkeit auch in anspruchsvollem Gelände System kann zur Nadir- und Schrägaufnahme verwendet werden Kartographie von vertikalen Felswänden möglich Schräg h = m Nadir Kombination von Laser- und Bilessungen in einem Flug

18 Vermessung und Naturgefahren: Technologie (III) Tachymetrie GPS TLS Dokumentation Handheld Schadensereignis airborne mapping Airborne mapping Tachymetrie/GPS/Nivellement Terrestrisches Laserscanning LiDAR / Photograetrie Handheld Airborne Scanning Flexibel Hochauflösend Direkte Georeferenzierung Mittlere Genauigkeit Kleinere n Vermessung und Naturgefahren: Technologie (III) Dokumentation Schadensereignis Tachymetrie GPS TLS Handheld airborne mapping Airborne mapping Infrastruktur- Ueberwachung Umwelt-Monitoring 1ha 100km 2 Frequenz tief mittel hoch 1ha 100km 2

19 Messverfahren bei BSF Swissphoto im Überblick Technologie Prodktionskosten/ha [Ohne Einheit] Terrestrische Messverfahren Photograetrie Luftgestütztes Laserscanning Handheld Laser Scanning [ha] tief hoch Messgeschwindigkeit Tachymetrie, GPS, terrestr. Laserscanning Photograetrie (Vexcel UltraCam) Airborne Laser Scanning Handheld Laser Scanning (Optech ALTM) (scan2map) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! BSF Swissphoto AG Dorfstrasse Regensdorf-Watt Tel Fax