Visualisierung Von Secchi-Tiefen in Der Ostsee Zum Zwecke Der Laserbathymetrie Bachelorarbeit
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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 2014-0148-7 Eingereicht am 28.08.2014 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, 28.08.2014 Unterschrift 2 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 Kurzfassung Kurzfassung Im Rahmen dieser Arbeit wurden Secchi-Tiefen aus den Jahren 2008-2012 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 2008-2012, 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 Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis ALB Airbone Laserbathymetrie BSH Bundesamt für Seeschifffahrt und Hydrografie ETRS 89 Europäisches Terrestrisches Referenzsystem 1989 GISMO Geografisches Informationssystem für die Modellerstellung LLUR Landesamt für Landwirtschaft, Umwelt und ländliche Räume, Schleswig-Holstein LUNG Landesamt für Umwelt, Naturschutz und Geologie, Mecklenburg-Vorpommern UTM 32 Universal Transverse Mercator, Zone 32 5 Einleitung Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung ........................................................................................................................... 8 1.1 Hintergrund .............................................................................................................. 9 1.2 Ziel der Bachelorarbeit........................................................................................... 10 2 Secchi-Tiefen ................................................................................................................... 11 2.1 Optische Gewässerfernerkundung als Alternative ................................................. 11 2.2 Secchi-Tiefen für die Laserbathymetrie ................................................................. 12 2.3 Faktoren für die Veränderungen von Secchi-Tiefen .............................................. 12 3 Die Gebiete und Daten ..................................................................................................... 14 3.1 Gebietseingrenzung ................................................................................................ 14 3.2 Tiefendaten ............................................................................................................ 17 3.3 Secchi-Messungen ................................................................................................. 18 4 Analyse ............................................................................................................................. 19 4.1 Modellierung .......................................................................................................... 19 4.2 Optimale Secchi-Tiefen ......................................................................................... 20 4.2.1 Einfluss von Licht und Phytoplankton ............................................................... 22 4.3 Einteilung nach Zeiträumen ................................................................................... 23 4.4 Visualisierungen der Monate ................................................................................. 23 4.4.1 Dezember / Januar / Februar .............................................................................. 25 4.4.2 März /April ......................................................................................................... 26 4.4.3 Mai / Juni / Juli / August / September ................................................................ 27 4.4.4 Oktober / November ........................................................................................... 27 4.5 Gebietsvergleich .................................................................................................... 28 4.6 Fazit ........................................................................................................................ 29 5 Zusammenfassung und Ausblick ..................................................................................... 30 6 Anhang ............................................................................................................................. 34 6.1 Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 3 Monaten ................................ 34 6 Einleitung 6.2 Maximale Secchi-Tiefen in einem Zeitraum von 2 Monaten ................................ 35 7 Literaturverzeichnis .......................................................................................................... 31 8 Abbildungsverzeichnis ..................................................................................................... 32 9 Tabellenverzeichnis .......................................................................................................... 33 7 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 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 1994-2001 beurteilen zu können. Das Projekt startete zu Beginn des Jahres 2012 und endet voraussichtlich Ende 2014. Die erste Flugkampagne wurde im Zeitraum