Visualisierung von Secchi-Tiefen in der Ostsee zum Zwecke der Laserbathymetrie. Bachelorarbeit

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1 Visualisierung von Secchi-Tiefen in der Ostsee zum Zwecke der Laserbathymetrie Bachelorarbeit Tony Hübner Studiengang Geoinformatik Betreuer: Erstprüfer Prof. Dr. Lutz Vetter Hochschule Neubrandenburg Zweitprüfer Dr.-Ing. Wilfried Ellmer Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie URN: nbn:de:gbv:519-thesis Eingereicht am

2 Eidesstattliche Erklärung Eidesstattliche Erklärung Hiermit versichere ich, die vorliegende Bachelorarbeit ohne Hilfe Dritter und nur mit den angegebenen Quellen und Hilfsmitteln angefertigt zu haben. Alle Stellen, die aus den Quellen entnommen wurden, sind als solche kenntlich gemacht worden. Diese Arbeit hat in gleicher oder ähnlicher Form noch keiner Prüfungsbehörde vorgelegen. Neubrandenburg, Unterschrift 2

3 Danksagung Danksagung Ich möchte mich in aller Form bei allen Personen, die mich bei der Erarbeitung meiner Bachelorarbeit, mit Hinweisen und Korrekturlesen unterstützt haben. Ich danke sehr herzlich meinen Betreuern Prof. Dr. Lutz Vetter von der Hochschule Neubrandenburg, sowie Dr.-Ing. Wilfried Ellmer, und Annett Büttner vom Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie, Rostock. Ein besonderer Dank gilt Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Kresse für die Vermittlung meines Praktikumsplatzes an M.Sc. Kian Fadaie und dem Canadian Hydrographic Service, bei dem ich einen Einstieg in die Hydrografie gefunden habe. Ebenso möchte ich Dr.-Ing. Frank Sellerhoff von der Firma smileconsult in Hannover danken, für die GISMO-Lizenz und die Zusammenarbeit. 3

4 Kurzfassung Kurzfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden Secchi-Tiefen aus den Jahren analysiert, um ein optimales Zeitfenster zum Zwecke der Airbone Laserbathymetrie (ALB) zu finden. Secchi- Tiefen sind Parameter für die Lichtdurchlässigkeit im Wasser. Diese Parameter sind sehr bedeutend für die ALB. Je kleiner Secchi-Tiefen sind, desto leistungsstärker muss das System für die ALB sein, um den Meeresboden mit dem Laser erfassen zu können. Secchi-Tiefen variieren im Laufe eines Jahres aus verschiedenen Gründen. Die Phytoplankton- Konzentration ist der bedeutendste Faktor von allen. Obwohl in den Wintermonaten am wenigsten Licht ins Wasser einfällt, sind es vor allem die Frühjahrsmonaten, in denen sehr hohe Secchi-Tiefen auftreten und somit Laserbathymetrie möglich ist. Für Phytoplankton sind in dieser Zeit keine optimalen Bedingungen für das Wachstum und die Ausbreitung geschaffen, da vor allem Nährstoffe für die Vermehrung fehlen. Sofern sich die Nährstoffe regeneriert haben, wächst das Phytoplankton sehr schnell. Optimale Messungen sind also nur zwischen beiden Ereignissen möglich. Durch einen erstellten Trend, basierend auf den Jahren , ist das Zeitfenster nach der Frühjahrsblüte, Ende März bis Anfang April vorhersehbar. Durch natürliche Schwankungen im Ökosystem, muss dieses Fenster aber nicht unbedingt in den Folgejahren eintreffen. Indikatoren für ein solches Zeitfenster können in dieser Arbeit nicht aufgeführt werden, da mehrere Jahre mit erheblich mehr Faktoren beobachtet und berücksichtigt werden müssten. 4

5 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ALB BSH Airbone Laserbathymetrie Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie ETRS 89 Europäisches Terrestrisches Referenzsystem 1989 GISMO LLUR LUNG Geografisches Informationssystem für die Modellerstellung Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume, Schleswig-Holstein Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie, Mecklenburg-Vorpommern UTM 32 Universal Transverse Mercator, Zone 32 5

6 Einleitung Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Hintergrund Ziel der Bachelorarbeit Secchi-Tiefen Optische Gewässerfernerkundung als Alternative Secchi-Tiefen für die Laserbathymetrie Faktoren für die Veränderungen von Secchi-Tiefen Die Gebiete und Daten Gebietseingrenzung Tiefendaten Secchi-Messungen Analyse Modellierung Optimale Secchi-Tiefen Einfluss von Licht und Phytoplankton Einteilung nach Zeiträumen Visualisierungen der Monate Dezember / Januar / Februar März /April Mai / Juni / Juli / August / September Oktober / November Gebietsvergleich Fazit Zusammenfassung und Ausblick Anhang Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 3 Monaten

7 Einleitung 6.2 Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 2 Monaten Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis

8 Einleitung 1 Einleitung Die Vermessung der Unterwassertopografie (Bathymetrie) sind unter anderem die wichtigsten Aufgaben aller Ämter und Firmen im Bereich der Hydrografie weltweit. Stetiges überwachen und pflegen der Bathymetriedaten leisten einen großen Beitrag für die Sicherheit, bezüglich der Navigation, auf See. Die Vermessung der Meeres- und Gewässerböden ist zudem erheblich teurer als die Vermessung an Land. Im Zuge des technischen Fortschritts ist man stets an der Forschung nach neuen und vor allen effizienten Alternativen interessiert, um den Bedarf des Wissens über die Bathymetrie zu sättigen. [JN14] Die Airbone Laserbathymetrie bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber den etablierten Messverfahren, wie zum Beispiel Vertikal- oder Fächerecholotung: Zeit-, Kosten- und Personalersparnis, sowie eine detaillierte und präzise Vermessung der Gewässer sind die wichtigsten von ihnen. Systeme der ALB bestehen unter anderem aus Lasern, die durch die Wasseroberfläche, bis zum Meeresboden durchbrechen sollen. Die Hersteller solcher Systeme, wie Chiroptera oder Hawkeye 2 und 3 geben als Parameter einen Secchi-Tiefen- (oder auch Sichttiefen-) Faktor an. Dieser Parameter beschreibt, wie tief ein Laser ins Wasser eindringen kann. Die ALB kann nur ab einer bestimmten Secchi-Tiefe durchgeführt werden. 8

9 Einleitung 1.1 Hintergrund Im Jahre 2011 beschloss das BSH in einem Dreijahresprojekt, das Potential der Laserbathymetrie an der deutschen Ostseeküste einzuschätzen. Zum einen lag das Augenmerk auf die Qualität der Daten, zum anderen auf dem wirtschaftlichen Aspekt, im Vergleich zur Fächer- und Vertikalecholotung. Um die Frage, ob ALB eine geeignete Alternative und ebenso noch wirtschaftlicher sei, beantworten zu können, wurden im Projektgebiet Poel an der Wismarer Bucht (siehe Abbildung 1) 3 Flugkampagnen gestartet. [JN14] Abbildung 1 - Projektgebiet Wismarbucht Das Gebiet ist ca. 345 km² groß, mit Tiefen zwischen 1,50 m und 20 m. Das Gebiet wurde in 4 Flächen eingeteilt und die Befliegungen wurden bei einer Höhe von 300 m, 500 m und 700 m durchgeführt. Parallel zur Befliegungen mit ALB wurden Messungen mit dem Fächerecholot durchgeführt, um die Vertikalecholotdaten aus der Zeitspanne beurteilen zu können. Das Projekt startete zu Beginn des Jahres 2012 und endet voraussichtlich Ende Die erste Flugkampagne wurde im Zeitraum vom bis zum durchgeführt. Das Unternehmen Milan Geoservice GmbH nutzte den Laserscanner VQ-820-G der Firma Riegl. Die Besonderheit des Scanners ist der grüne, anstatt wie vorher üblich, ein roter Laser mit einem Messbereich von bis zu einer Secchi-Tiefe. [PW13] 9

10 Einleitung Die zweite Flugkampagne folgte am 28. und 29. Oktober 2013 mit einem Doppelsystem. Chiroptera, das laut Hersteller bis zu einer Secchi-Tiefe ins Wasser messen kann, sowie Hawkeye II, (bis zu dreifacher Secchi-Tiefe) 1 sind von der Firma Airbone Hydrography AHAB, Schweden. Eine dritte Flugkampagne steht noch aus. In dieser wird ebenfalls das System Chiroptera zum Einsatz kommen. In der Nachbefliegung einzelner Linien wird das Hawkeye III eingesetzt, ebenso von der Firma Airbone Hydrography, Schweden. Im Hawkeye III sind zwei, anstatt nur ein grüner Laser integriert, um mehr Daten zu gewinnen. Das Hawkeye III kann ebenfalls in dreifacher Secchi-Tiefe Daten aufnehmen. [AHAB14] 1.2 Ziel der Bachelorarbeit Das Ziel der Bachelorarbeit ist das Erkennen eines Zeitraumes eines Jahres, indem Laserbathymetrie durchführbar ist. Die Laserbathymetrie kann, bei bis zu zweifachen Secchi- Tiefen in den Gewässern, durchgeführt werden. In dieser Arbeit soll ein Trend für die künftigen Jahre entstehen, um ökonomischer Bathymetrie betrieben zu können, indem von der Fächerecholotung auf Airbone Laserbathymetrie umgestiegen wird. 1 Obwohl einige Hersteller Systeme von mehr als 2 Secchi-Tiefen angeben, wird in dieser Arbeit eine Grenze von 2 Secchi-Tiefen als Maßstab angelegt. 10

11 Secchi-Tiefen 2 Secchi-Tiefen Eine Form für die Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit des Wassers ist das Messen mit einer Secchi-Scheibe. Secchi und Chialdi machten im Mittelmeer die ersten Versuche im 19. Jahrhundert. Noch heute werden Sichttiefen nach diesem Verfahren bestimmt. Secchi-Tiefen werden ermittelt, indem eine weiße Scheibe an ein Seil gebunden wird und diese Scheibe soweit hinab gelassen wird, bis sie nicht mehr sichtbar ist. In diesem Moment wird der Tiefenwert abgelesen. Die Secchi-Messungen beinhalten Informationen über den optisch aktiven Bestandteilen des Seewassers. Die Formel zur Ermittlung der Secchi-Tiefe, welche eine Beziehung der Secchi-Tiefen zu den optischen Bestandteilen des Wassers beschreibt, tritt aus der Theorie der Bild-Kontrastübertragung im Meer heraus. In dieser Formel beziehen sich die Koeffizienten der Lichtstrahlabschwächung c und der Abschwächung der stufenweise sinkenden Strahlungsdichte k d, auf die maximale Durchsichtigkeit des sichtbaren Lichtspektrums im Meerwasser, welches in der Ostsee nm beträgt. Dieser Wert hängt von den Eigenschaften der Trübung und der Absorption ab und variiert in seiner Zusammensetzung. Demzufolge hat unter anderem Chlorophyll A einen erheblichen Einfluss auf die Sichttiefe [MM97]. 2.1 Optische Gewässerfernerkundung als Alternative Eine Alternative zum analogen Messverfahren bietet die optische Gewässerfernerkundung. Die Eigenschaften des Lichtes sorgen dafür, dass aus optischen Fernerkundungsdaten Aussagen über die Eigenschaften des Wasserkörpers abgeleitet werden können. Je nach Einfluss des Wassers ändert sich die Farbe im Wasserkörper oder am Gewässerboden. Die verschiedenen Farbdetails können ermittelt werden, indem die Strahlung in genügend schmalen Spektralkanälen, mit Hilfe von abbildenden Spektrometern, gemessen wird. Das bedeutet, dass jeder Spektralkanal ein Bild über eine räumliche Abbildung liefern kann. Die Fernerkundung kann, im Gegensatz zur Beobachtung mit Bojen und Schiffen, eine flächendeckende Beobachtung mit einer hohen räumlichen und zeitlichen Dynamik liefern. Für die Umsetzung wird das Inversionsverfahren angewandt. Das Signal, welches vom Satellitensensor aufgenommen wurde, wird durch die optischen Eigenschaften der 11

12 Secchi-Tiefen Wasserinhaltsstoffe, sowie den atmosphärischen Parametern bestimmt. Primär werden Parameter wie z.b. die Chlorophyllkonzentration, oder Absorptions- und Streukoeffizienten abgeleitet, aber auch sekundäre Parameter, wie die Sichttiefe, können aus den Fernerkundungsdaten gewonnen werden. [DLR14] 2.2 Secchi-Tiefen für die Laserbathymetrie Die Bathymetrie (griechisch Báthos = Tiefe und metrò = Messen) ist die Erfassung, Repräsentation und Visualisierung der Topografie des Meeresbodens. Bei der Laserbathymetrie (auch Airbone Laserbathymetrie ALB) wird der Gewässerboden mit einem flugzeuggetragenen Laserscanner vermessen. Ein grüner Laser ermittelt die Distanz zwischen Wasseroberfläche und Gewässerboden, indem die Laufzeit der Echos dieser Distanz gemessen wird. [PW14] Der Laser kann, je nach System, unterschiedlich tief in ein Gewässer eintauchen. Die Hersteller solcher Systeme - wie Chiroptera oder Hawkeye verwenden in ihren Herstellerangaben Secchi-Tiefen beziehungsweise Sichttiefen. Je nach Sichtverhältnissen in den Gewässern, sollte der Anwender ein geeignetes System zur Laserbathymetrie auswählen. 2.3 Faktoren für die Veränderungen von Secchi-Tiefen Secchi-Tiefen variieren auf 2 Arten: Kurzfristig, bei schwankenden Lichtverhältnissen und langfristig, bei einer veränderten Nitrat- und Phosphatkonzentration im Wasser. Steigt die Konzentration, so steigt die Phytoplankton-Konzentration nach einiger Zeit und die Secchi- Tiefe nimmt ab. Die Secchi-Tiefe verringert sich anschließend beträchtlich durch eine Verbreitung heterotropher Planktonorganismen, da eine höhere Nahrungsgrundlage gegeben ist. In dieser Arbeit wird vorausgesetzt, dass Messungen nur bei optimalen Lichtverhältnissen durchgeführt werden. Deshalb hängen die Sichttiefen in der Regel von 3 wesentlichen Faktoren ab: 1. Phytoplankton (Algen) ist der wichtigste Umweltfaktor, der die Secchi-Tiefe betrifft. Eine hohe Algenkonzentration reduziert den Lichteinfall ins Wasser und führt daher zu einer geringeren Secchi-Tiefe. Die Secchi-Tiefe wird aber auch von weiteren biotischen Einflüssen gesteuert, welche allerdings stark von der Phytoplankton- Konzentration abhängen, unter anderem. die tote Biomasse. (Sie sinkt durch Flotation, die durch Gasbläschen an der Wasseroberfläche auftritt, nicht direkt auf den Grund des Gewässers.) Diese Biomasse bildet mittels Flotation einen Schaum an der 12

13 Secchi-Tiefen Wasseroberfläche, welcher verhindert, dass die Biomasse erst zeitlich verzögert auf den Gewässerboden absinkt. [GF95] 2. Anorgane Erosionsmaterialien streuen und absorbieren ebenfalls Licht, dies hat zur Folge, dass sich die Wasserdurchsichtigkeit verringert. Diese anorganen Materialien können durch Erosion, den Transport von Nebenflüssen oder das Wirbeln von Sedimenten entstehen. [AB01] 3. Die Menge an farbigen Ionen im Wasser beziehungsweise farbenbezogene Materialien, die typischerweise von der Anzahl der eisenhaltigen Materialien kontrolliert wird, verringert ebenfalls die Secchi-Tiefe. [GF95] 13

14 Die Gebiete und Daten 3 Die Gebiete und Daten 3.1 Gebietseingrenzung Die analysierten Gebiete sind in der unten aufgeführten Tabelle 1 aufgelistet. Alle Binnengewässer nahezu komplett, alle Gewässer nördlich der Ostseeküste, bis zu einer Tiefe von 10 Metern, integriert. Die folgende Abbildung 2 zeigt das gesamte Gewässergebiet an der deutschen Ostseeküste. Alle analysierten Gewässer - der küstennahe Bereich - sind in der folgenden Abbildung pink dargestellt, alle anderen, mit einer Tiefe von mehr als 10 Metern, grau. Abbildung 2 - Analysierte Gebiete (GISMO) Die vorliegenden Daten entstammen Aufzeichnungen, die vom LLUR, LUNG oder dem BSH durchgeführt und letzterem gegebenenfalls übermittelt wurden. Damit Secchi-Messungen authentisch wirken, werden sie in tiefen Gewässern durchgeführt, damit die Secchi-Scheibe nicht mit dem Gewässerboden in Berührung kommt. Obwohl Secchi-Tiefen in einem Gebiet nie an jedem Standort identisch sind, wird angenommen, dass sich ein Wert über das gesamte Gebiet erstreckt. 14

15 Die Gebiete und Daten Vom LLUR stammen alle Messungen vor der Küste Schleswig-Holsteins oder aus deren Innengewässern, einschließlich des westlichsten Stationsortes der Mecklenburger Bucht. Tabelle 1 - Vom LLUR vermessene Gewässer, aufgelistet mit Stationen und Tiefe LLUR Gewässer Gewässertiefe am Standort der Messungen [m] Flensburger Außenförde zwischen 26,03 Geltinger und Sonderburger Bucht Flensburger Außenförde, SO Kalkgrund 25,80 Kieler Bucht 18,00 Eckernförder Bucht, Bookniseck 28,12 Flensburger Innenförde, Kupfermühlenbucht 11,25 Flensburger Innenförde, SW Ochseninseln 17,50 Schlei, Große Breite 3,41 Schlei, Lindholm 3,50 Schlei, Kappeln 1,00 Trave bei Schlutup 10,23 Schwedeneck 14,92 Neustädter Bucht 22,79 NO Hohwachter Bucht 5,22 Neustädter Bucht, Tn. Neustadt 8,50 Lübecker Bucht 23,14 Mecklenburger Bucht 24,40 Kieler Außenförde, Tn. Kleverberg Ost 20,19 Kieler Bucht, Süderfahrt Süd 21,14 Eckernförder Bucht, nördl. Tn. 2a 22,02 Travemünde 12,51 Trave, Pötenitzer Wik 7,15 Fehmarn-Ost 8,50 Lübecker Bucht, vor Grömitz 9,35 Kolberger Heide 11,11 Kieler Förde, zw. Mönkebg. und Wik 13,55 Orther Bucht, bei Tonne Orth 1 4,32 15

16 Die Gebiete und Daten Vom LUNG stammen alle Messungen vor der Küste Mecklenburg-Vorpommerns oder aus deren Innengewässern, einschließlich des westlichsten Stationsortes der Mecklenburger Bucht. Tabelle 2 - Vom LUNG vermessene Gewässer, aufgelistet mit Stationen und Tiefe LUNG Gewässer Zusätzliche Anmerkung Gewässertiefe am Standort der Messungen [m] Achterwasser AW1 Trockenort 3,24 Barther Fahrwasser DB1 Pramort 0,98 Bodstedter Bodden DB10 Bodstedt n. 3,18 Saaler Bodden DB16 Saal nw. 3,40 Grabow DB2 Sundische Wiese 3,57 Barther Bodden DB6 Barth oe. 2,47 Greifswalder Bodden GB10 12,19 Greifswalder Bodden GB19 8,50 Greifswalder Bodden GB2 8,28 Daenische Wiek GB3 6,25 Greifswalder Bodden GB5 6,06 Greifswalder Bodden GB6 4,72 Greifswalder Bodden GB7 6,98 Spandowerhagener Wiek GB9 7,31 Prerowbucht GS Gellenstrom Hiddensee 4,51 Kubitzer Bodden KB90 Fahrwasser I.Libit 4,35 Kleines Haff KHJ Staatsgrenze 4,60 Kleines Haff KHM Zentrum 4,84 Kleines Haff KHO Ueckermünde 3,59 Pommersche Bucht OB1 6,70 Pommersche Bucht OB2 10,29 Pommersche Bucht OB4 10,82 Prorer Wiek OMU Mukran soe. 13,19 Arkonasee O9 Hiddensee nw. 41,91 Pommersche Bucht O11 Sassnitz 20,38 Pommersche Bucht O133 südl. Greifswald 12,96 Pommersche Bucht O14 Zinnowitz 14,40 Mecklenburger Bucht O22 Boltenhagen 23,14 Mecklenburger Bucht O3 Poel 21,74 Mecklenburger Bucht O4 Buk 23,52 16

17 Die Gebiete und Daten Mecklenburger Bucht O5 Warnemünde 13,30 Mecklenburger Bucht O6 Fischland 12,56 Darßer Schwelle O7 10,59 Arkonasee O9 13,58 Peenestrom P20 Peenemünde 8,05 Peenestrom P42 Wolgast 6,40 Peenestrom P48 Lassan 2,25 Peenestrom P74 Peenemündung 4,15 Schaproder Bodden RB1 Schaprode w. 3,74 Gr. Jasmunder Bodden RB10 Lietzow n. 8,24 Gr. Jasmunder Bodden RB9 Glowe 6,48 Vitter Bodden RB2 Vitte oe. 1,95 Rassower Strom RB3 Bugspitze s. 4,95 Breetzer Bodden RB6 Wittower Faehre oe. 4,15 Salzhaff SH1 Rerik 2,30 Salzhaff SH2 Tessmannsdorf 3,35 Andershofer Bucht S66 Stralsund 10,72 Unterwarnow UW2 Kabutzenhof 6,33 Unterwarnow UW3 Marienehe 9,52 Unterwarnow UW4 Warnowwerft 12,12 Unterwarnow UW5 Mole Warnemünde 8,20 Breitling UW6 Peez 14,80 Wismarbucht WB0 Wismar Hafen 9,93 Wismarbucht WB1 Wendorf 9,49 Wismarbucht WB3 Walfisch 9,00 Wismarbucht WB5 Innenreede 10,43 Wismarbucht WB6 Krakentief 11, Tiefendaten Die Tiefendaten liegen in einem 50 m Raster vor. Das BSH versucht die Informationen zu den Daten, stets auf einem aktuellen Stand zu halten. Das vorliegende Raster stammt aus In diesem Raster sind auch Daten, die bis ins Jahr 1993 zurückliegen, enthalten. Die veralteten Daten wurden zu einem 50 m Raster ergänzt, da das aktuelle Modell nicht vollständig vorlag. 17

18 Die Gebiete und Daten 3.3 Secchi-Messungen Die Secchi-Messungen wurden vom LLUR, LUNG und dem BSH durchgeführt. Die Daten vom LLUR und LUNG liegen in Excel-Tabellen, die vom BSH liegen im txt-format vor. Zum Vergleich der Messdaten, wurden Satellitendaten vom Satellit Envisat herangezogen. Ein stichprobenartiger Vergleich erbrachte, dass die Satellitendaten nur sehr selten drastisch von den Messungen mit Secchi-Scheibe abweichen. Ihr Vorteil ist, dass sie flächendeckender sind als Messungen mit Secchi-Scheibe und somit weder räumliche, noch zeitliche Interpolationen notwendig sind. Alle Daten liegen als geografische Koordinaten in ETRS89 vor und wurden in GISMO in UTM32 konvertiert. 18

19 Analyse 4 Analyse 4.1 Modellierung Zunächst wurden alle Daten vom LLUR und LUNG in GISMO importiert. Die Koordinaten wurden anschließend in ETRS 89/UTM Zone 32 konvertiert. Um die Messstationen wurde eine Polylinie erstellt, welche (die Küstenlinie oder einen nicht festgelegten Abstand zu den Messstationen) als Grenze dient. Abbildung 3 - Modellierung von Secchi-Tiefen eines Monats (GISMO) Durch räumliche und zeitliche Interpolation konnten fehlende Werte ergänzt werden. Aus den Messwerten konnte ein Raster gebildet werden, welches aufzeigt, wie sich die Secchi-Tiefen 19

20 Analyse im Verlauf eines Jahres ändern. In Abbildung 4 sind die Secchi-Tiefen eines Monats abgebildet. Abbildung 4 - Secchi-Tiefen Februar 2008 LUNG (GISMO) 4.2 Optimale Secchi-Tiefen Wie bereits genannt, ist der entscheidende Faktor für die Secchi-Tiefen, die Phytoplanktonkonzentration im Wasser. Damit sich Phytoplankton ausbilden kann, werden Licht und Nährstoffe benötigt. In den Wintermonaten ist die Lichteinstrahlung geringer als in den übrigen, was bedeuten müsste, dass in diesen Monaten besonders hohe Secchi-Werte erreicht werden. In den Jahren 2008 bis 2012 ist jedoch ein optimales Zeitfenster in den Frühjahrsmonaten, vor allem im März und April erkennbar. Das folgende Diagramm zeigt Monate, in denen die Secchi-Tiefen innerhalb eines Jahres am höchsten waren. Jedes Gebiet 20

21 Analyse wurde nach den Jahren aufgelistet und die Top-4-Monate wurden herausgefiltert. In diesen Monaten herrschten die besten Bedingungen eines Jahres, für das jeweilige Gebiet. Die Anzahl der Monate, für die bestmöglichen Secchi-Tiefen, sind in dem folgenden Diagramm aufgezeigt. In diesem Diagramm sind alle Messungen des LUNG und LLUR vom Jahre enthalten Anzahl optimaler Secchi-Tiefen Monate Abbildung 5 - Anzahl optimaler Secchi-Tiefen (Excel) Die Phytoplankton-Frühjahrsblüte findet in der westlichen Ostsee im März, in der östlichen Ostsee etwas verzögert statt. Sie braucht die Nährstoffe auf und somit ist nach der Blüte kaum Algenwachstum möglich. Die Nährstoffe müssen zum Sommer regeneriert werden, um Algenwachstum zu ermöglichen. [ ] Dieser Mechanismus sollte in allen Gewässern ähnlich verlaufen. In Küstengewässern erfolgt die Nährstoffnachlieferung im Allgemeinen sehr schnell, sodass dort solch ein Biomasseminimum weniger deutlich anzutreffen ist. [ ] Für die flachen Küstengewässer treffen meine Aussagen nur bedingt zu, denn dort gibt es, neben dem erwähnten autochthonen Algenwachstum, auch zusätzliche Einflussgrößen, wie 1.) windbedingte Sedimentaufwirbelung, dabei auch Nährstoffeinträge, die unvorhergesehene Algenblüten auslösen können 2.) landseitige Einträge über Flüsse, die Biomasse und Nährstoffe eintragen und durch Strömungen verteilt werden 3.) diffuse Nährstoffeinträge, gerade in die Bodden und Haffe, die auch von Schneeschmelze und Niederschlägen abhängen. 21

22 Analyse Das alles ist schwer zu kalkulieren, insbesondere wetterbedingte Einflüsse. [ ] Am einfachsten ist es wohl, aus den vorhandenen, langjährigen Daten, ein Jahresschema zu erstellen und falls sich eine Regelmäßigkeit zeigt, diese einfach auch in die Zukunft zu projizieren. Ich denke, die Algenentwicklung fängt mehr oder weniger ab einem bestimmten Datum an. Für Abweichungen oder Ausnahmen sollte man Gründe finden, die man dann berücksichtigen kann. [NW14] Einfluss von Licht und Phytoplankton Für Phytoplankton sind die Nährstoffe (Nitrate und Phosphate) und Licht die wichtigsten Faktoren für das Wachstum und die Vermehrung (siehe Abbildung 6). Temperaturen haben auf die meisten Arten keinen Einfluss. In den Wintermonaten ist der Lichteinfall am geringsten. Phytoplankton wächst sehr langsam und immer mehr Nährstoffe gelangen in die Gewässer. Anfang März tritt in der westlichen Ostsee die Frühjahrsblüte ein. Die Frühjahrsblüte verbraucht den größten Teil, der vorhandenen Nährstoffe. Obwohl nun mehr Lichteinfall zu beobachten ist, geht das Phytoplanktonwachstum stark zurück. Ein kurzes Zeitfenster öffnet sich für optimale Secchi-Tiefen, bis die Gewässer die Nährstoffe, nach ca. 2 bis 3 Wochen, ausreichend generiert haben, damit weiteres Wachstum des Phytoplanktons möglich ist. Chlorophyll μg/l 30 Nitrat μg/l Sonnenstd. h Chlorophyll μg/l Sonnenstunden Nitrat μg/l Monate 0 Abbildung 6 - Einfluss von Nährstoffen und Licht (Excel) In der Herbstblüte bewirken Lichteinfall und Nährstoffe erneut einen Anstieg der Secchi- Tiefen. Die Nährstoffe wurden aufgebraucht und der Lichteinfall geht zurück. Nach der 22

23 Analyse Herbstblüte im Oktober verringert sich die Chlorophyllkonzentration, sodass die Secchi- Tiefen in einigen Gebieten stark ansteigen. In der folgenden Abbildung steigt die Chlorophyllkonzentration im Dezember rapide an. Grund dafür sind kaum bemessene Haffe und Bodden, in denen die Secchi-Tiefen deutlich geringer sind, als in der offenen Ostsee. 4.3 Einteilung nach Zeiträumen Eine Einteilung der Gebiete wurde nach Zeiträumen vorgenommen. Das BSH ist bestrebt, einen optimalen Zeitraum zu kennen, um Flugfirmen einen präziseren Zeitraum übermitteln zu können. Dadurch können Kosten gespart werden, denn die Firmen müssen für einen geringeren Zeitraum abrufbereit sein. Die Einteilung der Zeiträume bezieht sich auf das Auftreten optimaler Secchi-Tiefen in den Gebieten. Aus allen Daten vom LUNG und LLUR wurden alle Mittelwerte der jeweiligen Monate aus den Jahren für jedes Gebiet gebildet. Die Top 4 Werte wurden aufgelistet und mit den in der Tabelle stehenden Zeiträumen abgeglichen. Die Zeiträume sind in 2 Tabellen aufgeteilt: In der ersten Tabelle stehen Gebiete, in denen 3 aufeinanderfolgende Monate optimale Secchi-Tiefen in den eingeteilten Zeitraum beobachtet wurden. In der zweiten Tabelle stehen Gebiete, in denen mindestens 2 Top-4 Secchi-Tiefen in den eingeteilten Zeitraum beobachtet wurden. Diese Einteilung wurde im Ausblick auf leistungsstärkere Systeme erstellt. Können die Systeme in Zukunft vier- oder fünffache Secchi-Tiefen erreichen, so können alle im Anhang aufgelisteten Messstationen in dem vorgesehenen Zeiträumen vollständig vermessen werden. 4.4 Visualisierungen der Monate Es ist nun bekannt in welchen Gebieten die Secchi-Tiefen in optimalen Zeiträumen auftauchen. Allerdings sagt diese Information nichts darüber aus, mit welchem System oder ob überhaupt in diesen Zeiträumen ALB durchgeführt werden kann. Um jede einzelne Messstation herum wurde ein separates Polygon erstellt (siehe Abbildung 7). An jeder Station ist ein Skalar. Es ist der Mittelwert aus allen Messungen die in den jeweiligen Monaten durchgeführt wurden. Somit ist ein Trend für künftige Befliegungen erkennbar. 23

24 Analyse Abbildung 7- Gebietseinteilung (GISMO) In jedes Polygon wurden die Tiefenwerte mit einer Rasterweite von 50m integriert und eine Triangulation mit Randpolygon und Strukturkanten durchgeführt. Anschließend wurde als Vergleich der Secchi-Tiefenwert herangezogen. In jedem Gebiet wurde nun die Secchi- Messung mit den Tiefenwerten verglichen. Die Gebiete wurden farblich wie folgt eingeteilt: T...Gewässertiefe S...Secchi-Tiefe GRÜN: T <= S (Der Tiefenwert des Gewässers ist kleiner oder gleich der Secchi-Tiefe. Laser, mit der Herstellerangabe von bis zu einer Secchi-Tiefe, können eingesetzt werden.) GELB: T > S >= 2T (Der Tiefenwert ist größer als die Secchi-Tiefe, aber nicht mehr als doppelt so groß. Laser, mit der Herstellerangabe von bis zu 2 Secchi-Tiefen, können eingesetzt werden.) ROT: 2T > S (Der Tiefenwert ist mehr als doppelt so groß wie die Secchi-Tiefe. Laser, mit der Herstellerangabe von mehr als 2 Secchi-Tiefen, müssten eingesetzt werden.) 24

25 Analyse Dezember / Januar / Februar Die Lichtintensität ist in den Wintermonaten am geringsten, aber es befindet sich ein Überschuss an Nährstoffen in den Gewässern, weshalb die Sichttiefen von Dezember bis Januar stagnieren. Der zentrale Küstenbereich der Ostsee um Fehmarn, um Poel und um Zingst, bietet im Februar die besten Bedingungen im Winter, wie die Abbildung 8 zeigt. Im Januar sind es die östlichsten (Grenzbereich zu Polen) beziehungsweise westlichsten Gebiete (Kieler Förde und Eckernförder Bucht). Abbildung 8 - Zentraler Küstenbereich, Februar (GISMO) 25

26 Analyse März /April Nach der eintretenden Frühjahrsblüte im März nehmen die Secchi-Tiefen in den Küstengewässern, für einen sehr kurzen Zeitraum, enorm zu. Während um Poel und in den übrigen Binnengewässern Stagnation oder sogar ein Rückgang der Secchi-Werte auftritt, so steigen die Werte in allen übrigen Gebieten an. Zum Vergleich Abbildung 9 und Abbildung 10: Abbildung 9 - Westlicher Küstenbereich, April (GISMO) 26

27 Analyse Abbildung 10 - östlicher Küstenbereich, April (GISMO) Mai / Juni / Juli / August / September Im Monat Mai nehmen die Secchi-Werte wieder drastisch ab. Von Juni bis September nehmen die Secchi-Tiefen kontinuierlich ab, beziehungsweise sie stagnieren, da ausreichend Nährstoffe und Sonnenlicht für das Phytoplankton vorhanden ist. Die folgende Abbildung 11 zeigt die Entwicklung der Secchi-Tiefen von April bis September. Abbildung 11 - Veränderungen der Secchi-Tiefen von April bis September (GISMO) Oktober / November Im Oktober folgt die Herbstblüte. Sie hat den gleichen Effekt, wie die Frühjahrsblüte: Die Secchi-Tiefen steigen, erreichen aber nicht die Höchstwerte, wie noch im Frühjahr. 27

28 Analyse 4.5 Gebietsvergleich Im Vergleich zur gesamten Ostseeküste, ist das Projektgebiet Poel großräumig relativ flach. Dadurch ist Poel nahezu bestens geeignet während des gesamten Jahres Laserbathymetrie durchzuführen. Ein weiterer Aspekt ist, dass sie Secchi-Tiefen um Poel vergleichsweise nicht sehr stark schwanken. Ähnlich wie Poel sind die Gebiete östlich von Zingst und um Fehmarn herum. Die größten Unterschiede liegen im Vergleich Poel und Prorer Wiek. Der Vergleich in Abbildung 12 beinhaltet eine 10 m Tiefenlinien. Vom Festland wurde bis zur 10 Meter Isobathe der Abstand in GISMO gemessen, um den Unterschied zu verdeutlichen und die Ergebnisse zu erklären. Abbildung 12 Gebietsvergleich (Längenangaben in Metern - GISMO) Die Haffe, Bodden oder Nebenflüsse sind nicht tiefer als 10 m. Dennoch herrschen über das gesamte Jahr schlechte Bedingungen für die ALB. Geringe Secchi-Tiefen durch Sedimentaufwirbelung (unter anderem eine Folge von starkem Schiffsverkehr) oder ausgebaggerte Fahrtrinnen, sind der Grund dafür. Ein Beispiel ist die Schlei in Abbildung 13. Die dünnen roten Linien deuten auf eine künstliche Fahrtrinne hin. Außerhalb des befahrenen Bereichs, wäre eine ALB mit einem Laser mit zweifacher Secchi-Tiefe möglich. 28

29 Analyse 4.6 Fazit Für einen sehr großen Teil der Ostseeküste ist der April der mit Abstand am besten geeignete Monat für die Laserbathymetrie. Das betrifft den sehr kurzen Zeitraum von ungefähr zwei Wochen. zu Beginn des Monats. Für die Binnengewässer öffnet sich ein solches Zeitfenster nie im Jahr. Der Grund sind teilweise stark befahrene Wasserwege, die zu stark ausgegraben worden sind und der Verkehr den Sediment aufwirbelt, sowie und die Zufuhr von Nitraten und Phosphaten durch den Menschen. In den Haffe und Bodden ist ALB lediglich für die sehr flachen Stellen geeignet. Abbildung 13 - Beispiel Schlei (GISMO) 29

30 Zusammenfassung und Ausblick 5 Zusammenfassung und Ausblick Die ALB ist eine gute Alternative, um Erkenntnisse über die Topografie des küstennahen Bereiches zu gewinnen. Dennoch müssen nahezu optimale Bedingungen abgepasst werden, um flächendeckende Informationen zu gewinnen. Der Trend, dass Ende März bis Anfang April sich ein Zeitfenster öffnet für Vermessungen, kann sich in den nächsten Jahren fortsetzen, es gibt aber keine 100%ige Sicherheit für langfristige Projekte, da die Secchi- Tiefen von vielen Faktoren abhängen. Um eine Zeitspanne für hohe Secchi-Tiefen optimal ausnutzen zu können, gilt es Indikatoren für dieses Fenster zu erkennen. Ein Gebiet um die Ostseeküste herum zu finden, in dem Systeme mit maximal zweifacher Secchi-Tiefe zum Einsatz kommen, ist sehr schwer. Anfangs wurde die 10m Tiefenlinie ausgegeben. Nach der Analyse der gesamten Ostsee ist diese Tiefengrenze in tiefen Gewässern nicht nützlich (Vergleich Abbildung 12). Eine Begrenzung der Gebiete in dieser Form ist notwendig, damit Vermessungsfirmen eine Vorgabe gegeben werden kann, in welchen Gebieten Daten erwartet werden beziehungsweise zu welchem Prozentsatz die Daten vorliegen müssen. 30

31 Literaturverzeichnis 6 Literaturverzeichnis [GF95] G. Fred Lee, PhD, PE, DEE, Anne Jones Lee, PhD, Walter Rast, PhD, Secchi Detph as a Walter Quality Parameter, 1995, (abgerufen am 15.Mai 2014) [MM97] M. Matciak, H. Renk, The Relationship between Secchi Depth and Chlorophyll A Concentration in the Waters of the southern Baltic, Institute of Oceanography, University of Gdansk, 1997 [AB01] Asbjörn Burow, Eutrophierung des Bodensees, (abgerufen 15. Mai 2014) [PW13] Philippe Wischow, Vergleich von flugzeuggestützten Laserbathymetriedaten mit Vertikal- und Fächerecholotdaten, Bachelorarbeit an der HafenCity Universität Hamburg, 2013 [AHAB14] Airbone Hydrography AB, Schweden, Flyer: 04_140527_AHAB_Bathymetric_LiDAR.pdf [DLR14] Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt: optische Gewässerfernerkundung, (abgerufen ) [JN14] J. Niemeyer, T. Kogut & C. Heipke, Airbone Laser Bathymetrie for Monitoring the German Baltic Sea Coast [NW14] Dr. Norbert Wasmund, vom und , Leibniz-Institut für Ostseeforschung Warnemünde 31

32 Abbildungsverzeichnis 7 Abbildungsverzeichnis Abbildung 1 - Projektgebiet Wismarbucht... 9 Abbildung 2 - Analysierte Gebiete (GISMO) Abbildung 3 - Modellierung von Secchi-Tiefen eines Monats (GISMO) Abbildung 4 - Secchi-Tiefen Februar 2008 LUNG (GISMO) Abbildung 5 - Anzahl optimaler Secchi-Tiefen (Excel) Abbildung 6 - Einfluss von Nährstoffen und Licht (Excel) Abbildung 7- Gebietseinteilung (GISMO) Abbildung 8 - Zentraler Küstenbereich, Februar (GISMO) Abbildung 9 - Westlicher Küstenbereich, April (GISMO) Abbildung 10 - östlicher Küstenbereich, April (GISMO) Abbildung 11 - Veränderungen der Secchi-Tiefen von April bis September (GISMO) Abbildung 12 Gebietsvergleich (Längenangaben in Metern - GISMO) Abbildung 13 - Beispiel Schlei (GISMO)

33 Tabellenverzeichnis 8 Tabellenverzeichnis Tabelle 1 - Vom LLUR vermessene Gewässer, aufgelistet mit Stationen und Tiefe Tabelle 2 - Vom LUNG vermessene Gewässer, aufgelistet mit Stationen und Tiefe Tabelle 3 - Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 3 Monaten Tabelle 4 - Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 2 Monaten

34 Anhang 9 Anhang 9.1 Tabellen In den folgenden Zeiträumen wurden jeweils drei (Tabelle 3), beziehungsweise zwei (Tabelle 4) optimale Secchi-Werte beobachtet. Diese Tabellen sollen verdeutlichen, in welchen Gebieten gleiche Bedingungen, also gleiche Veränderungen der Secchi-Tiefen, vorliegen Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 3 Monaten Tabelle 3 - Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 3 Monaten Januar, Februar, März Februar, März, April März, April, Mai AW1 Trockenort GS Gellenstrom Hiddensee w. O7 Darsser Ort n. DB6 Barth oe. KHM Zentralbereich KHO Ueckermuende n. P20 Peenemuende s. P42 Wolgast s. P74 Peenemuendung WB6 Krakentief oe. Juli, August, September August, September, Oktober September, Oktober, Nov. RB3 Bugspitze s. RB6 Wittower Faehre oe. Oktober, November, Dez. November, Dezember, Jan. Dezember, Januar, Februar GB9 Freest n. GB3 Daenische Wiek n. AW1 Trockenort GB6 Struck w. GB9 Freest n. O14 Zinnowitz noe. P48 Lassan RB15 Buschvitz oe. P48 Lassan 34

35 Anhang Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 2 Monaten Tabelle 4 - Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 2 Monaten Januar, Februar, März Februar, März, April März, April, Mai AW1 Trockenort AW1 Trockenort GB19 Zentralbereich DB1 Pramort DB10 Bodstedt n. GB2 I.Vilm s. DB10 Bodstedt n. DB16 Saal nw. GB5 Lubmin DB16 Saal nw. DB6 Barth oe. GS Gellenstrom Hiddensee w. DB2 Sundische Wiese GB19 Zentralbereich KB90 Fahrwasser I.Libitz w. DB6 Barth oe. GB5 Lubmin O10 Kap Arkona noe. GB10 Ruden s. GS Gellenstrom Hiddensee w. O3 Poel n. GB19 Zentralbereich KB90 Fahrwasser I.Libitz w. O5 Warnemuende n. GB2 I.Vilm s. KHM Zentralbereich O7 Darsser Ort n. GB3 Daenische Wiek n. KHO Ueckermuende n. RB1 Schaprode w. GB5 Lubmin O10 Kap Arkona noe. S66 Stralsund GB6 Struck w. O7 Darsser Ort n. SH1 Rerik sw. GB7 Struck O9 Hiddensee nw. SH2 Tessmannsdorf nw. GS Gellenstrom Hiddensee w. P20 Peenemuende s. UW5 Mole Warnemuende KB90 Fahrwasser I.Libitz w. P42 Wolgast s. WB0 Wismar Hafen KHJ Staatsgrenze Mitte P74 Peenemuendung KHM Zentralbereich RB1 Schaprode w. KHO Ueckermuende n. S66 Stralsund O10 Kap Arkona noe. SH2 Tessmannsdorf nw. O133 suedl. Greifsw. Oie UW3 Marienehe O4 Buk n. UW4 Warnowwerft OB1 Ahlbeck n. UW6 Peez OB2 Ahlbeck n. WB0 Wismar Hafen OB4 Ahlbeck n. WB1 Wendorf P20 Peenemuende s. WB6 Krakentief oe. P42 Wolgast s. P48 Lassan P74 Peenemuendung RB10 Lietzow n. RB15 Buschvitz oe. RB9 Glowe sw. 35

36 Anhang UW2 Kabutzenhof UW3 Marienehe UW6 Peez WB5 Innenreede w. WB6 Krakentief oe. April, Mai, Juni Mai, Juni, Juli Juni, Juli, August GB19 Zentralbereich O22 Boltenhagen n.(iow) O22 Boltenhagen n.(iow) GB2 I.Vilm s. O3 Poel n. O3 Poel n. GB5 Lubmin O5 Warnemuende n. O5 Warnemuende n. GS Gellenstrom Hiddensee w. O6 Fischland nw. O6 Fischland nw. KB90 Fahrwasser I.Libitz w. SH1 Rerik sw. SH1 Rerik sw. O10 Kap Arkona noe. SH2 Tessmannsdorf nw. SH2 Tessmannsdorf nw. O3 Poel n. UW5 Mole Warnemuende UW5 Mole Warnemuende O5 Warnemuende n. O7 Darsser Ort n. RB1 Schaprode w. S66 Stralsund SH1 Rerik sw. SH2 Tessmannsdorf nw. UW5 Mole Warnemuende WB0 Wismar Hafen 36

37 Anhang Juli, August, September August, September, Oktober September, Oktober, Nov. DB16 Saal nw. OB1 Ahlbeck n. DB1 Pramort O5 Warnemuende n. RB1 Schaprode w. DB2 Sundische Wiese RB2 Vitte oe. GB9 Freest n. RB3 Bugspitze s. O11 Sassnitz oe. RB6 Wittower Faehre oe. OB1 Ahlbeck n. RB1 Schaprode w. RB10 Lietzow n. RB2 Vitte oe. RB3 Bugspitze s. RB6 Wittower Faehre oe. RB9 Glowe sw. UW2 Kabutzenhof UW3 Marienehe UW4 Warnowwerft WB0 Wismar Hafen WB1 Wendorf WB3 Walfisch n. WB5 Innenreede w. 37

38 Anhang Oktober, November, Dez. November, Dezember, Januar Dezember, Januar, Februar DB1 Pramort AW1 Trockenort AW1 Trockenort DB2 Sundische Wiese DB1 Pramort DB6 Barth oe. GB3 Daenische Wiek n. DB2 Sundische Wiese GB10 Ruden s. GB6 Struck w. GB10 Ruden s. GB3 Daenische Wiek n. GB9 Freest n. GB19 Zentralbereich GB6 Struck w. O133 suedl. Greifsw. Oie GB2 I.Vilm s. GB9 Freest n. O14 Zinnowitz noe. GB3 Daenische Wiek n. KHJ Staatsgrenze Mitte P48 Lassan GB5 Lubmin KHM Zentralbereich RB10 Lietzow n. GB6 Struck w. KHO Ueckermuende n. RB15 Buschvitz oe. GB7 Struck O133 suedl. Greifsw. Oie RB2 Vitte oe. GB9 Freest n. O14 Zinnowitz noe. RB3 Bugspitze s. KB90 Fahrwasser I.Libitz w. O4 Buk n. RB6 Wittower Faehre oe. O11 Sassnitz oe. OB2 Ahlbeck n. RB9 Glowe sw. O133 suedl. Greifsw. Oie OB4 Ahlbeck n. S66 Stralsund O14 Zinnowitz noe. P20 Peenemuende s. UW2 Kabutzenhof O4 Buk n. P42 Wolgast s. UW3 Marienehe OB2 Ahlbeck n. P48 Lassan UW4 Warnowwerft OB4 Ahlbeck n. P74 Peenemuendung WB0 Wismar Hafen OMU Mukran soe. RB15 Buschvitz oe. WB1 Wendorf P20 Peenemuende s. UW2 Kabutzenhof WB3 Walfisch n. P42 Wolgast s. UW6 Peez WB5 Innenreede w. P48 Lassan WB5 Innenreede w. P74 Peenemuendung WB6 Krakentief oe. RB10 Lietzow n. RB15 Buschvitz oe. RB3 Bugspitze s. RB6 Wittower Faehre oe. RB9 Glowe sw. S66 Stralsund UW2 Kabutzenhof UW6 Peez WB3 Walfisch n. WB5 Innenreede w. WB6 Krakentief oe. 38

39 Anhang 9.2 Daten 1. CD: Kopie der Bachelorarbeit im pdf-format 2. USB-Stick: GISMO Projektdaten, Visualisierungen 39