Grossflächige Schneehöhenkartierung im Gebirge mit digitaler Photogrammetrie

Fig.1 Hochalpines Gelände im Dischma Tal bei Davos

Informationen über die Schneehöhe (HS) und damit über das im Schnee gespeicherte Wasser (Snow Water Equivalent SWE) sind essentielle Parameter für zahlreiche Fragestellungen in der Forschung und der Praxis. Insbesondere für die Lawinenforschung, die Hydrologie und die Ökologie im Hochgebirge sind diese Informationen entscheidend. Heute werden Schneehöhen-Informationen meist an einzelnen Punkten gemessen sei es an automatischen Wetterstationen (AWS) oder von Personen im Feld und werden dann zu flächendeckenden Karten interpoliert. Zahlreiche Studien zeigen aber deutlich, dass die sehr variable Verteilung der Schneehöhen im Gebirge mit Punkmessungen nicht genügend genau erfasst werden kann.

Optische Bilddaten, aufgenommen aus unterschiedlichen Winkeln, ermöglichen die photogrammetrische Erstellung von dreidimensionalen Oberflächenmodellen (Digital Surface Models DSM). Verglichen mit Laser Scanning (LiDAR) ist diese Methode günstiger und angewendet mit Drohnen (Unmanned Aerial Systems UAS) auch sehr flexibel einsetzbar (Bühler et al. 2016).

Flugzeuggestützte Vermessungssensoren

Neue Entwicklungen in der Sensor- und Softwareentwicklung im Bereich digitale Photogrammmetrie ermöglichen die Berechnung von räumlich hochaufgelösten Oberflächenmodellen, auch im Hochgebirge und über schneebedeckten Gebieten.

Dieses Projekt mit dem Ziel die maximale Schneehöhe jeden Winter zu erfassen, wurde im Jahr 2010 in Zusammenarbeit mit Leica Geosystems mit dem opto-elektronischen Pushbroom Scanner ADS40/80 gestartet. Ab dem Jahr 2014 kam der Nachfolgesensor ADS100 zum Einsatz. Für das Testgebiet Dischma (ca. 150 km²) bei Davos wurde ein automatisierter Workflow erstellt um Oberflächenmodelle mit einer räumlichen Auflösung von 2 m zu berechnen. Die räumliche Auflösung der Input-Bilder liegt bei 0.25 m (ADS40/80) und 0.18 m (ADS100) und die radiometrische Auflösung beträgt 12 bit. Für das image matching werden die Spektralbänder im Nahinfrarot- (NIR), Rot- und Grünbereich des elektromagnetischen Spektrums verwendet.

Ab dem Winter 2017 wechselten wir zur Vermessungskamera Ultracam X (2017) und Ultracam Eagle M3 (2018 - heute) von Vexcel. Diese moderne Vermessungskamera ermöglicht die Befliegung mit einer höheren räumlichen Auflösung von 0.1 – 0.15 m was eine deutliche Verbesserung des Endproduktes bedeutet. So werden die Schneehöhenkarten ab 2017 mit einer räumlichen Auflösung von 0.5 statt 2 m prozessiert.

Die Schneehöhenkarten werden als Differenz zwischen dem schneebedeckten Winter-Oberflächenmodell und einem schneefreien Sommer-Oberflächenmodell berechnet. Hochstehende Vegetation (Bäume und Büsche), Häuser und weiter Infrastruktur werden ausmaskiert. Eine der Hauptherausforderungen ist die absolute Orientierung der Flugzeugdaten, da im schneebedeckten Hochgebirge nur sehr wenige Passpunkte zur Verfügung stehen.

Fig 2. Schneehöhenkarte, schattiertes Relief sowie das Sommer- und Winter-Orthophoto in den ADS100 Daten für das Jakobshorn bei Davos.

Produkte und erreichte Genauigkeit

Die Forschungsresultate dieses Projektes belegen den Nutzen der digitalen Fotogrammmetrie für die Kartierung der Schneehöhen-Variabilität in alpinen Einzugsgebieten. Unsere Produkte werden in zahlreichen wissenschaftlichen Studien als Referenzdaten verwendet zum Beispiel für die Ermittlung der Höhenabhängigkeit der Schneehöhe (Grünewald et al. 2014), die Parametrisierung der schneebedeckten Fläche im komplexen Gelände (Helbig et al. 2021), die Skalierung von Niederschlagsinput für hydrologische Modelle (Vögeli et al. 2016) und vor allem die Validierung von neuen, satellitenbasierten Schneehöhenmodellierungen (Leiterer et al. 2020). Die Daten werden auch für weitere, zur Zeit laufende Forschungsprojekte an der WSL und am SLF verwendet.

Folgende Datensätze wurden beisher erhoben:

Aufnahmedatum	Sensor	Genauigkeit [RMSE] Schneehöhen	Auflösung Schneehöhenkarte
16.04.2010	ADS40	0.35 m	2 m
20.03.2012	ADS80 SH52	0.35 m	2 m
15.04.2013	ADS80 SH52	0.35 m	2 m
17.04.2014	ADS80 SH52	0.35 m	2 m
15.04.2015	ADS100	0.30 m	2 m
26.01.2016, 09.03.2016, 20.04.2016	ADS100	0.3 m	2 m
16.03.2017	Ultracam X	0.25 m	0.5 m
11.04.2018	Ultracam Eagle M3	0.15 m	0.5 m
16.03.2019	Ultracam Eagle M3	0.15 m	0.5 m
06.04.2020	Ultracam Eagle M3	0.15 m	0.5 m
16.04.2021	Ultracam Eagle M3	0.15 m	0.5 m
23. 03. 2022	Ultracam Eagle M3	0.15 m	0.5 m
22. 03. 2023	Ultracam Eagle M3	0.15 m	0.5 m