Bathymetrie
bathymetrische Vermessung, bathymetrisches LiDAR, hydrographische Vermessung, Meeresbodenkartierung
Die Bathymetrie bezeichnet die Vermessung und Darstellung der Unterwassertopographie von Ozeanen, Seen und Flüssen. Sie ist das Unterwasser-Pendant zur topographischen Vermessung an Land und liefert Informationen über die Wassertiefe sowie die Form und Struktur des Meeres-, See- oder Flussbodens.
Bathymetrische Daten dienen der Erstellung von Seekarten, der Identifizierung von Navigationshindernissen, der Überwachung von Küsten- und Flusslandschaften, der Untersuchung von Erosion und Sedimenttransport, der Hochwassermodellierung, der Kartierung aquatischer Lebensräume sowie der Planung maritimer Infrastruktur.
Verfahren der bathymetrischen Vermessung
Moderne bathymetrische Vermessungen nutzen verschiedene Messverfahren. Ein- und Mehrstrahl-Echolote bestimmen die Wassertiefe anhand der Laufzeit akustischer Signale, die vom Gewässerboden reflektiert werden. Mehrstrahlsonare eignen sich insbesondere zur großflächigen Kartierung und werden auch für die Vermessung tiefer Ozeane eingesetzt.
Eine optische Alternative ist das bathymetrische LiDAR, das vor allem in flachen Küstengewässern, Flüssen und Seen eingesetzt wird. Es ermöglicht die Vermessung von Bereichen, die mit Vermessungsschiffen nur schwer oder gar nicht erreichbar sind, und kann ein durchgängiges Höhenmodell erzeugen, das sowohl das Gelände oberhalb der Wasseroberfläche als auch den Gewässerboden umfasst.
Funktionsweise des bathymetrischen LiDAR
Ein bathymetrisches LiDAR-System sendet kurze Laserpulse auf die Wasseroberfläche und misst die Zeit bis zum Eintreffen der reflektierten Signale. Häufig wird grünes Laserlicht mit einer Wellenlänge von etwa 532 nm verwendet, da es klares Wasser deutlich besser durchdringt als die im topographischen LiDAR üblichen nahinfraroten Wellenlängen.
Ein Messsignal kann mehrere Reflexionsanteile enthalten. Die erste Reflexion entsteht an der Wasseroberfläche, während ein späteres Signal vom Gewässerboden zurückkehrt. Aus der Zeitdifferenz zwischen beiden Reflexionen wird die optische Weglänge im Wasser bestimmt und nach Berücksichtigung des Brechungsindex sowie der Messgeometrie die Wassertiefe berechnet.
Zusätzlich können Rückstreusignale von Schwebstoffen, Wasserpflanzen oder anderen Objekten innerhalb der Wassersäule erfasst werden.
Grenzen der LiDAR-Bathymetrie
Die maximal erreichbare Messtiefe hängt maßgeblich von der Wasserqualität ab. Wassertrübung, Absorption, Streuung, die Reflektivität des Gewässerbodens, Oberflächenwellen, Umgebungslicht sowie die Empfindlichkeit des Empfängers beeinflussen die Qualität des Rücksignals. Daher eignet sich bathymetrisches LiDAR vor allem für klare, flache bis mäßig tiefe Gewässer und ersetzt die Sonarvermessung tiefer Ozeane nicht.
Für präzise Ergebnisse müssen außerdem die Brechung des Laserstrahls an der Wasseroberfläche, Bewegungen der Trägerplattform (Flugzeug oder Drohne), die wechselnde Orientierung der Wasseroberfläche sowie die genaue Position und Ausrichtung des Sensors berücksichtigt werden.
Zeitaufgelöste Signalerfassung
Bathymetrisches LiDAR basiert auf hochpräzisen Time-of-Flight-Messungen. In photonenzählenden Systemen erzeugen Detektoren wie SPADs oder Photomultiplier elektrische Impulse für jedes detektierte Photon. Ein Time-to-Digital Converter (TDC) bestimmt die Ankunftszeit dieser Impulse relativ zum ausgesendeten Laserpuls. Durch die Kombination vieler Einzelmessungen entstehen Laufzeithistogramme, in denen sich die Reflexionen an der Wasseroberfläche, innerhalb der Wassersäule und am Gewässerboden voneinander unterscheiden lassen.
Vollwellenform-LiDAR-Systeme erfassen dagegen den vollständigen analogen Verlauf des Empfangssignals mit einem schnellen Analog-Digital-Wandler (ADC). Dadurch bleiben Informationen über Form, Amplitude und zeitliche Ausdehnung des Rücksignals erhalten, sodass sich auch überlappende Reflexionen und Streusignale innerhalb der Wassersäule detailliert auswerten lassen.
Die TDCs und TimeTagger von cronologic ermöglichen eine präzise Mehrkanal-Zeitmessung für photonenzählende LiDAR-Systeme. Die Hochgeschwindigkeits-ADCs von cronologic unterstützen die kontinuierliche Erfassung vollständiger Signalverläufe. Dank der integrierten Zero Suppression können dabei nur die relevanten Signalbereiche übertragen werden, wodurch sich das zu übertragende Datenvolumen erheblich reduzieren lässt.
Bathymetrische Vermessungen erfassen die Topographie von Meeres-, See- und Flussböden. Während große Wassertiefen überwiegend mit Mehrstrahlsonar kartiert werden, eignet sich bathymetrisches LiDAR besonders für klare, flache Küstengewässer, Flüsse und Seen. Präzise Time-of-Flight-Messungen mit TDCs oder Hochgeschwindigkeits-ADCs ermöglichen die genaue Bestimmung der Wassertiefe.
Das Bild wurde von der NOAA Ocean Exploration & Research erstellt, lizenziert unter der Creative Commons Attribution-Share Alike 2.0 Generic-Lizenz über Wikimedia Commons.
