Autonome Fixed-Wing-Drohne für Wettermessungen

MovingSensors Messsystem
2016 – 2017

Für das Monitoring und die Vermessung von kalbenden Gletschern im Rahmen des ETH-Projekts Sun2Ice in Nordwest-Grönland kamen mehrere Fixed-Wing-Drohnen zum Einsatz. Für die Abschätzung der Machbarkeit der zum Teil sehr langen Flugmissionen von über 200 km waren Informationen zu Windstärke, Windrichtung, Temperatur und Feuchtigkeit zentral.

Da im Projektgebiet diese Informationen nicht zur Verfügung standen, bauten wir eine kleine autonome Fixed-Wing-Drohne mit Messelektronik für Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtmenge. Diese Drohne flog autonom bis über die Flughöhe der eigentlichen photogrammetrischen Drohnen und erfasste die notwendigen meteorologischen Parameter.

Beschreibung

In extremen Witterungsbedingungen besteht die Gefahr, dass Mess-Drohnen vereisen und abstürzen. Um die Wetterbedingungen, d.h. die Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte, auf der Flughöhe der photogrammetrischen Mess-Drohnen (rund 600 Meter über Grund) zu erfassen, wurde die Wetter-Drohne bis in eine Höhe von 1000 Meter über Grund entsandt. Als Ausgangsort für die Messungen diente die Ortschaft Qeqertat.

Die automatisch geflogene Mission der Wetter-Drohne wurde so ausgelegt, dass sie sich in Kreisen bis in 1000 Meter Höhe hoch- und dann wieder herunterschraubt.

Während dieses Flugs wurden durch die Messelektronik – zusammengebaut aus Elementen von Tinkerforge und der eigens in Python geschriebenen Software – alle 50 Meter die Temperatur, Feuchtigkeit und Lichtintensität gemessen. Durch die geflogenen Kreise und über die gemessenen Luft- und GPS-Geschwindigkeiten konnte die Windgeschwindigkeit und -richtung hergeleitet werden.

Nach der Rückkehr der Wetter-Drohne konnten die registrierten Messwerte ausgelesen und ausgewertet werden. Die so gemessenen Parameter standen als Höhenprofil zu Verfügung und wurden für die weitere Planung der photogrammetrischen Flüge verwendet.

Weiterführende Informationen

Indoor-Navigation und Registrierung von Fotoaufnahmen

MovingSensors Messsystem
2015 – 2017

Was macht man zur Ortsbestimmung in Tunneln oder Innenräumen? Leider funktioniert GPS weder in Innenräumen noch im Untergrund. Um eine passende Alternative für eine schnelle Positionierung von Messgeräten in Innenräumen und Tunneln zu finden, haben wir ein System evaluiert und getestet, das mit fest installierten und eingemessenen Basisstationen arbeitet.

Dafür wurden ein oder mehrere Messgeräte verwendet, welche sich mit den Informationen der fest installierten Basisstationen orientieren können. Die berechneten Koordinaten der Messgeräte wurden gespeichert, mit weiteren Messdaten angereichert und standen damit für weitere Auswertungen zu Verfügung.

Beschreibung

Die Elektronik des bestehenden Indoor-Navigationssystems pozyx.io erweiterten wir mit eigenem C++-Code unter der Verwendung der Arduino-Umgebung. Diese Erweiterung umfasste die Speicherung der gemessenen Positionen, Informationen weiterer Sensoren (zum Beispiel Temperatur) und die Erfassung der Bildauslösung der Sony-Systemkameras.

Das Kamerasignal wurde über den Blitzschuh der Kamera abgegriffen und an die Elektronik weitergeleitet. Bei der Erfassung eines Kamerasignals wurde die Position in allen drei Achsen (X, Y, Z) abgespeichert.

Dabei bildeten das Registrieren des Trigger-Signals und der Speicherung der Koordinaten die Basis, um die Messwerte und die Positionen der Sensoren im Raum zu kombinieren.

Für die Kontrolle der Genauigkeit der gemessenen Positionen entwickelten wir ein Gehäuse, welches über ein Vermessungsstativ exakt positioniert werden kann, oder mit einem zentrisch montierten Vermessungsreflektor und einem Tachymeter eingemessen werden kann.

Weiterführende Informationen

  • Verwendete Elektronik: pozyx

uBlox-RTK-GPS für Messaufgaben

MovingSensors Messsystem
2019 – 2020

Das Messsystem von MovingSensors arbeitet mit präzisen 2-Phasen-GPS-Systemen, die mit Real-Time-Kinematic direkt hochgenaue Positionsdaten in das Messsystem einspeisen. Diese Systeme sind jedoch sehr kostspielig – und oftmals ist eine solch hohe Genauigkeit im Sub-Zentimeter-Bereich gar nicht erforderlich.

Für die Erfassung der Positionsdaten im Bereich von wenigen Zentimetern wurde die Einbindung eines wesentlich billigeren GPS-Systems in das Messsystem erarbeitet.

Beschreibung

Hochgenaue geodätische GPS-Systeme liefern zuverlässig Positionen im Sub-Zentimeter-Bereich – dafür ist dann aber mit Anschaffungskosten von rund CHF 50’000 zu rechnen. Für viele Messaufgaben reichen 1-Phasen-GPS-Systeme völlig aus, bei denen die gemessenen Positionen mit einer eigenen Referenzstation und einer Funkverbindung auf eine Genauigkeit von wenigen Zentimeter korrigiert werden. Dafür belaufen sich die Kosten für die Hardware und die grundlegenden Software-Lösungen solcher 1-Phasen-GPS-Systeme auf gerade einmal CHF 600 bis 1’000.

Diesen tiefen Kosten steht aber dennoch ein gewisser Aufwand entgegen, um das GPS-System mit dem MovingSensors-Messsystem zu verbinden. Die Herausforderung besteht in der korrekten Konfiguration des GPS, der Programmierung einer einfachen Plattform für die Dateneingabe von Referenzstationen und die physische Verkabelung zum Messsystem. Als Datenaustausch wurde die Standard-GPS-Schnittstelle NMEA verwendet.

Mehrere Anbieter solcher GPS-Lösungen arbeiten neu auch intensiv an Low-Cost-2-Phasen-Systemen. Diese erste Implementierung ist also eine gute Vorbereitung für die kommenden, neuen Generationen von GPS-Systemen.

Weiterführende Informationen

  • Verwendete Elektronik: uBlox

Autonomer Rover und Prototyp MovingSensors Messkopf

MovingSensors Messsystem
2015–2017

MovingSensors entwickelte einen schnellen Prototyp, um die Entwicklung der Auswertungssoftware und der kartografischen Darstellung der Beleuchtungsmessungen am Flughafen Zürich zu unterstützen. Dieser Prototyp umfasste die gleiche Messanordnung wie der eigentliche Messkopf von MovingSensors, welcher unter anderem am Flughafen Zürich im Einsatz ist.

Zusätzlich wurde dieser prototypische Messkopf mit einem autonomen Fahrzeug/Rover kombiniert. Damit konnte er für die automatische Erfassung von grossen beleuchteten Flächen (z.B. von Sportplätzen) eingesetzt werden.

Beschreibung

Die fünf am Messkopf montierten Lichtsensoren und die Steuerung wurden mit Bauteilen von Tinkerforge realisiert. Für die eigentliche Steuerung der Sensoren und die Speicherung der Messdaten verwendeten wir Python und nutzten die von Tinkerforge zu Verfügung gestellten Programmierschnittstelle. Diese Kombination ermöglichte schnelle Tests der gesamten Messkette und der anschliessenden Auswertung mit PostGIS und QGIS. Die wertvollen Erfahrungen mit dem Prototyp konnten wir in die Entwicklung des eigentlichen Messkopfes einfliessen lassen und so die Schnittstellen zwischen Mess- und Auswertesystem optimieren.

Den autonomen Rover realisierten wir basierend auf der Pixhawk-Plattform und planten die zu fahrenden Missionen mit der Software MissionPlanner. Der Rover fuhr wie geplant die Mission autonom ab und registrierte bei jedem definierten Waypoint die Messwerte der fünf Lichtsensoren. Getriggert wurden die Sensoren über eine Weiterleitung des Photo-Trigger-Signals von der Pixhawk-Plattform zur Tinkerforge-Messelektronik.

Um eine hohe Genauigkeit bei der Navigation zu den einzelnen Messpunkten zu garantieren, verwendeten wir für den Prototyp zusätzlich ein Real-Time-Kinematic-GPS (RTK-GPS) mit eigener Basisstation. Das RTK-Signal wurde über die RTK-Injection von MissionPlanner und APM-Rover zum Rover übermittelt.

Weiterführende Informationen

Historische Luftbilder Uster

Stadtverwaltung Uster, GIS Kompetenzzentrum
2015

Seit den 1940ern befliegt die swisstopo in regelmässigen Zeitabständen die gesamte Schweiz und erstellt dabei hochaufgelöste Luftbilder. Früher waren das analoge Bilder auf Glasplatten, später Film in schwarz-weiss, dann Film in Farbe und, seit den späten 2000er Jahren, Digitalaufnahmen in mehreren Farbkanälen.

Um die Luftaufnahmen mit der Karte in Übereinstimmung zu bringen, musste der exakte Aufnahmeort des Bildes rekonstruiert und rechnerisch die Verzerrung der Erdoberfläche aus dem Bild herausgerechnet werden. Mit der Zusammenstellung der Luftaufnahmen aus den verschiedensten Jahren entstand so ein einmaliger Datensatz, welcher die Entwicklung der Landschaft der vergangenen 70 Jahre wiedergibt.

Beschreibung

Die historischen, analogen Luftbilder der swisstopo wurden seit den 1940er Jahren aufgenommen. In den vergangenen Jahren wurden sie aufwendig gescannt und für die Zukunft gesichert. Für das Stadtgebiet von Uster existieren dadurch vollständige Befliegungen für die Jahre 1954, 1966, 1972, 1978, 1984, 1990 und 1996, welche noch nicht flächendeckend orthorektifiziert und mosaikiert wurden.

Um diese wertvollen Zeitdokumente der Bevölkerung, interessierten Kreisen und Fachleuten zur Verfügung zu stellen, wurden die oben genannten Zeitstände für den Perimeter der Stadt Uster vollständig orthorektifiziert und mosaikiert. Dabei wurde jede Befliegung als ein eigener photogrammetrischer Bildblock aufgebaut. Mit den von der swisstopo zur Verfügung gestellten Kalibrationsprotokollen der eingesetzten Luftbildkameras konnten zudem die optischen Verhältnisse während der Aufnahme (z.B. die innere Orientierung der Kamera) rekonstruiert werden.

Über die Messung von gut erkennbaren Landmarken auf den historischen Aufnahmen und einem aktuellen Referenzbild, sowie über die Meereshöhe aus dem swissALTI3D, wurde eine überschaubare Anzahl von Pass- und Kontrollpunkten gemessen. Manuelle Verknüpfungspunkte (Gruberpunkte) wurden teilweise manuell gemessen. Zusätzlich wurde eine grosse Anzahl von Verknüpfungspunkten automatisch berechnet. Mit der anschliessenden Aerotriangulation konnte somit die exakte Lokalität des Bildes und die drei Rotationswinkel um die Koordinatenachsen des Bildes berechnet werden (d.h. die äussere Orientierung).

Mit den berechneten inneren und äusseren Orientierungen und dem aktuellen Höhenmodell des Stadtgebiets wurden die Bilder in einzelne Orthofotos umgerechnet. Für eine möglichst nahtlose Darstellung der Bilder als Mosaik wurden entlang von linearen Merkmalen (z.B. Strassen- und Feldrändern) mit möglichst kleinen Kontrastunterschieden Trennlinien zwischen den einzelnen Bildern digitalisiert. Die Bilder wurden anschliessen entlang dieser Trennlinien zusammengesetzt. Die so bearbeiteten Bilder stehen nun im Web-GIS der Stadt Uster oder als Web-Map-Service (WMS) zur Verfügung.

Weiterführende Informationen

Machbarkeitsstudie Naturgefahrenkarten Kirgisistan

Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit GIZ
2012 – 2013

Neben Tadschikistan ist auch die Republik Kirgisistan stark von Naturgefahren betroffen.

Vor allem die südlichen Gebiete des Tian Shan Gebirges und die Grenzregion zu Tadschikistan sind aufgrund der alpinen Topografie sehr gefährdet. Dazu kommen weitere Risiken wie Grenzkonflikte zwischen Usbekistan und Tadschikistan sowie ethnische Brennpunkte in verschiedenen Teilen des Landes.

Eine umfassende Kartierung und Darstellung dieser Risiken würde die Planung von Hilfsmassnahmen und die Katastrophenprävention unterstützen. GeoIdee führte die Machbarkeitsstudie durch.

Beschreibung

Im Rahmen des Projekts Naturgefahrenkarten Tadschikistan wurden viele Erfahrungen in der Entwicklung von Kartenmaterial für den Gebrauch in lokalen Gemeinden gesammelt. Die Situation in Kirgisistan lässt sich aber nur bedingt mit der in Tadschikistan vergleichen. Zwar teilen beide Länder die gleiche Vergangenheit als ehemalige Sowjetstaaten. Aber nach dem Zerfall der Sowjetunion beschritten die Länder unterschiedliche Pfade.

Im Gegensatz zu Tadschikistan fand in Kirgisistan kein Bürgerkrieg statt und die Abwanderung der technisch und akademisch ausgebildeten Bevölkerung hielt sich in Grenzen. Dadurch bestehen heute in Kirgisistan wesentlich bessere staatliche und private Strukturen für die Erarbeitung solcher Kartenwerke.

Zudem ist die aus der Sowjetzeit stammende Geheimhaltung von Kartenmaterial abgeschafft worden und Karten können offiziell gekauft und verwendet werden.

Im Rahmen des Projektes wurden in Bishkek und Osh eine Vielzahl von Interviews mit Stakeholdern im Bereich der Naturgefahren, der Naturressourcen und des Risikomanagements geführt. Die Stakeholder waren einerseits staatliche Organisationen wie der Zivilschutz sowie die topografischen Behörden, Forschungsinstitute und lokale wie internationale private Organisationen.

In den Interviews wurden die aktuellen Erfahrungen und Möglichkeiten, die zu Verfügung stehenden Mittel und Daten sowie mögliche Zusammenarbeiten eruiert. Das Resultat war eine umfassende Matrix der Stakeholder von Kirgisistan und deren Mittel und Möglichkeiten für die geplante Erarbeitung der benötigten kartografischen Produkte.

Landnutzungskarten Süd-Tadschikistan

Deutsche Welthungerhilfe e.V.
2011 – 2012

Das Gebiet von Süd-Tadschikistan zeichnet sich durch ein semi-arides Klima aus. Bedingt durch den Zerfall der Sowjetunion und dem anschliessenden Bürgerkrieg in Tadschikistan erschwerte sich die schon schwierige Lage der Landwirtschaft in diesem Gebiet zusätzlich.

Auch die zunehmenden Extremereignisse aufgrund des globalen Klimawandels machen solche Gebiete zusätzlich anfällig gegenüber solchen Ereignissen. Eine nachhaltige Landwirtschaft – kombiniert mit einer guten Raumplanung – ist ein gutes Mittel, um die lokale Bevölkerung und Landwirtschaft zu stärken. Dabei spielen Karten als Diskussions- und Planungsgrundlage eine zentrale Rolle.

Beschreibung

In den abgelegenen Gebieten in den Hügeln von Süd-Tadschikistan wird hauptsächlich Subsistenzlandwirtschaft betrieben. Die einzelnen Dörfer und Familien regeln aktuell die gemeinsame Nutzung der natürlichen Ressourcen jedoch nur in einem sehr eingeschränkten Rahmen. Die Folge sind lokale Übernutzung der knappen Ressourcen (z.B. Weideland und Brennholz sowie Trink- und Bewässerungswasser) und Nutzungskonflikte (z.B. ziehende Schafherden als Wanderweidewirtschaft).

Die Deutsche Welthungerhilfe leitete im Gebiet von Baljuvon ein mehrjähriges Projekt für eine nachhaltige Bewirtschaftung der natürlichen Ressourcen. Als wichtige Grundlage wurden dafür Kartenwerke der einzelnen Dörfer und deren Landnutzung und Weidewirtschaft geplant, die verschiedene Bedürfnissen und Anforderungen gerecht werden mussten.

Um diese Kartenwerke möglichst effektiv und zielgerichtet zu gestalten, wurde in Baljuvon ein Workshop mit allen beteiligten Organisationen und Verantwortlichen durchgeführt, in denen der Inhalt, die Struktur, die zu erfassenden Daten und Geometrien sowie die grundsätzliche Darstellung der Kartenwerke diskutiert und beschlossen wurden.

Zusammen mit dem Projektteam der Deutschen Welthungerhilfe wurden die Legenden, die grafische Ausarbeitung und die detaillierten Karteninhalte erarbeitet und nach mehreren Iterationen finalisiert. Anschliessend wurden von 29 verschiedenen Ortschaften und Regionen Kartenwerke der Landnutzung und der Weidewirtschaft erstellt.

GeoFaceAcquire

Marti Tunnel AG
2017 – 2018

Für die geologische und bautechnische Beurteilung der Tunnelbrust im konventionellen Tunnelvortrieb werden mit photogrammetrischen Methoden hochaufgelöste 3D-Modelle berechnet. Die Aufnahmen werden mit handelsüblichen, qualitativ hochwertigen Kameras durchgeführt.

Zwischen dem Abschluss eines Abschlages und dem Verschluss der Tunnelbrust mit Spritzbeton stehen für diese Aufnahmen jedoch nur wenige Minuten zu Verfügung. Aufgrund der teils sehr schwierigen geologischen Bedingungen muss der Vortrieb der Tunnelbrust manchmal in mehreren Teilsegmenten durchgeführt werden.

Beschreibung

Da für die Fotoaufnahmen des Vortriebs nur wenig Zeit zur Verfügung steht, werden die Aufnahmen direkt durch die Drittelsführer der Baumannschaft durchgeführt. Um die Strukturierung und Ordnung der Aufnahmen zu vereinfachen und zu vereinheitlichen, wurde mit C# die Windows Presentation Foundation (WPF) Applikation GeoFaceAcquire programmiert.

GeoFaceAcquire steht den Drittelsführern auf einem tunneltauglichen Tablet zu Verfügung und kann ausschliesslich über Touch-Befehle bedient werden.

Über GeoFaceAcquire, einer WiFi-Verbindung welche das Tablet mit der verwendeten Kamera verbindet, und einen JSON-basierten Datenaustausch kann der Drittelsführer die Kamera fernbedienen.

Im Hintergrund der Fernbedienung werden zusätzliche Metadaten (z.B. aktueller Tunnelvortrieb, aktueller Tunnelmeter und allfällige Beobachtungen wie Wassereinbruch) in XML-basierten Dateien abgelegt. Bei der abschliessenden Synchronisation des Tablets und der Kamera stehen die Bilder, Kalibrationsdateien und Metadaten als Paket für die anschliessende 3D-Modellierung zur Verfügung.

Die so erfassten Pakete werden anschliessend über das in den Tunnels zu Verfügung stehende Ethernet-Netzwerk mit dem Baustellenrechner synchronisiert und fliessen in die automatische 3D-Modellierungs-Pipeline ein. Aufgrund der zum Teil schwierigen Situationen kann auch auf die Verwendung der WiFi-Verbindung verzichtet werden. In diesem Fall werden die einzelnen Aufnahmesessionen dann basierend auf den Zeitstempeln und konfigurierbaren Vorgaben strukturiert und ebenfalls für die 3D-Modellierung zur Verfügung gestellt.

IREDES-MWD-Datenkonverter

Marti Tunnel AG
2018 – 2019

Basierend auf dem International Rock Excavation Data Exchange Standard (IREDES) werden während des Bohrprozesses (Measurement While Drilling (MWD)) zum Beispiel von Anker, Sprenglöchern oder Erkundungsbohrungen eine grosse Anzahl von unterschiedlichen Parametern des Bohrvorgangs gemessen und gespeichert. Diese Daten beinhalten wertvolle Informationen zur Geologie und zu den bautechnischen Eigenschaften des Felsen.

Um die Daten aus den einzelnen MWD-Messungen zu verwenden können, müssen die XML-basierten Stammdaten der einzelnen Bohrlöcher und die damit verbundenen Messwerte ausgelesen und neu strukturiert werden. Diese Daten können in der Folge in beliebigen (3D-) GIS-Systemen oder anderen Analysewerkzeugen weiterverarbeitet werden.

Beschreibung

Pro Positionierung des Bohrwagens im Tunnel können eine grosse Anzahl von Bohrlöcher der verschiedensten Art, beispielsweise als Anker, für eine Sprengung oder zur Sondierung gebohrt werden. Diese Daten werden über das IREDES-Datenmodell zur Verfügung gestellt. Zusätzlich wird auch die Positionierung des Bohrwagens innerhalb des Tunnels gespeichert.

Über diese Information der absoluten Positionierung und der relativen Koordinaten der einzelnen Bohrlöcher (Start- und Endpunkte) können die einzelnen Bohrlöcher absolut positioniert werden. Mithilfe der Messdaten der MWD-Messungen können anschliessend alle gemessenen Daten (Penetrationsrate, Andruck, Rotationsgeschwindigkeit, …) ebenfalls im 3D-Raum pro Bohrloch positioniert werden.

Diese einzelnen Messungen liegen jeweils nur wenige Zentimeter auseinander und ergeben ein sehr vollständiges Bild über die Felseigenschaften entlang des Bohrlochs, welches für die geologische oder bautechnische Interpretation verwendet werden kann. Zudem liefern weitere Metadaten der Bohrlöcher (z.B. zeitlicher Start und Ende des Bohrprozesses eines einzelnen Bohrlochs) wertvolle Erkenntnisse über den Ablauf der Bohr- und Bauarbeiten.

Neben der reinen Datenkonvertierung und -strukturierung führt die Applikation jedoch noch eine Vielzahl von weiteren Analysen durch. So können über konfigurierbare Bohrlochtypen (z.B. Ankerlöcher, Langbohrungen, Sprenglöcher, Kranzlöcher, …) die einzelnen Bohrlöcher den jeweiligen Typen zugeordnet werden. Weitere Analysewerkzeuge erstellen Protokolle der durchgeführten Bohrungen entlang der Tunnelachsen und generieren weitere statistische Kennwerte.

Topologie-Werkzeuge Adobe Illustrator

Digikarto
2013 – 2014

Die Karten des Geologischen Atlas der Schweiz 1:25’000 (GA25) zählen zu den komplexesten thematischen Kartenwerken, die aktuell erstellt werden. Sie werden analog in einem aufwendigen Offsetdruck-Verfahren mit 16 einzelnen Druckfarben gedruckt. Digital stehen die Daten als komplexe GIS-Datensätze zur Verfügung.

Die hohen Anforderungen an die Datenausgabe verlangen daher eine sehr hohe Qualität der erfassten Grundlagendaten mit einer absolut fehlerfreien Topologie der erfassten Vektordaten. GeoIdee programmierte ein Plugin für Adobe Illustrator, mit dessen Hilfe topologische Fehler automatisch aufgespürt werden können.

Beschreibung

Für die räumliche Erfassung von Vektordaten werden am Allgemeinen Geografische Informationssysteme (GIS) verwendet. Diese Systeme sind zwar sehr effizient in der Verwaltung von Sachdaten, aber sehr schwach, was die schnelle und intuitive Datenerfassung betrifft.

Für die Datenerfassung des GA25 wurde von der Partnerfirma Digikarto die Arbeits- und Datenprozessierungsmethode Digimap entwickelt, die auf dem Vektorprogramm Adobe Illustrator und der geografischen Erweiterung MapPublisher basiert.

Adobe Illustrator stellt eine einzigartige Umgebung für die Erfassung und Bearbeitung von Vektordaten zur Verfügung. Trotz der sehr ausgeklügelten Werkzeuge von Illustrator fehlen aber Werkzeuge für die Kontrolle der Topologien der erfassten Vektoren. Um einen in sich perfekten Datensatz erstellen zu können, müssen Fehler wie “offene Enden” (dangling arcs), “unnötige Knoten” (pseudo nodes) und “kleinste Abstände” (critical nodes) unbedingt vermieden werden. Bei einer durchschnittlichen Anzahl von 15’000 Segmenten und 5’000 Polygonen eines GA25-Blattes kann das Auffinden solcher Fehler unmöglich manuell durchgeführt werden.

GeoIdee programmierte mit der C++ Programmierschnittstelle von Adobe Illustrator ein spezielles Plugin, dessen Werkzeuge (Dangling Arcs, Pseudo Nodes, Critical Nodes und Automatic Snapping) grosse Datensätze wie den GA25 analysieren und schnell auf topologische Fehler prüfen können.

Die aufgefundenen Fehler werden in einer separaten Ebene der Illustrator-Datei gespeichert und der Benutzer kann die einzelnen Fehler dann sequentiell bearbeiten. Aufgrund der zum Teil sehr komplexen geometrischen Verhältnisse wurde auf eine automatische Fehlerbehandlung verzichtet.

Weiterführende Informationen

Anforderungen an die Kilometrierung des Gewässernetzes im swissTLM3D

Bundesamt für Umwelt BAFU
2016

Das digitale Gewässernetz der Schweiz ist ein zentraler Datensatz, welcher für das neue Topografische Landschaftsmodell der swisstopo bis 2020 vollständig neu überarbeitet und in 3D abgebildet wird. Neben der kartografischen Darstellung werden eine grosse Anzahl von Sachinformationen mit diesem Datensatz verknüpft – Restwasserstrecken, Fischereizonen, Ökomorphologie, potentielle Wasserenergie, etc. – die als Punkt- und Linien-Ereignisse auf dem kilometrierten Gewässernetz dargestellt werden.

Für dieses Projekt analysierte GeoIdee die Anforderungen des BAFU an das Gewässernetz und dessen Kilometrierung und stellte sie zusammen.

Beschreibung

Aktuell wird für die Arbeiten des BAFU und die Darstellung der Punkt- und Linien-Ereignisse das Gewässernetz des Datensatzes VECTOR25 von 2007 verwendet, der inzwischen durch das swissTLM3D abgelöst wurde. Dieser Release des Gewässernetzes ist der letzte, der vollständig in ArcGIS geroutet und kilometriert wurde.

Der Vorgang des Routings und der Kilometrierung erlaubt, dass jeder Punkt entlang eines Gewässers über die Kennung des Gewässers und der Distanz des Gewässers ab Mündung lokalisiert werden kann. Durch diese Vorgehensweise liegen Punkt- und Linien-Ereignisse (z.B. Bauten, Abschnitte der Ökomorphologie oder Restwasserstrecken) immer garantiert auf einem Gewässer. Jedoch ist die Datenhaltung einer Vielzahl von Attributen des Gewässernetzes mit einem sehr hohen Aufwand verbunden.

Das Projekt umfasste eine ausführliche Bedürfnisabklärung aller Stellen des BAFU, welche (Geo-)Daten im Zusammenhang mit dem Gewässernetz der Schweiz führen. Die Anforderungen wurden in Interviews mit den einzelnen Abteilungen und Verantwortlichen des BAFU sowie der swisstopo eruiert, als Anforderungskatalog des BAFU gegenüber der swisstopo zusammengefasst und in drei Hauptgruppen aufgeteilt:

  • Anforderung an die einzelnen Gewässerabschnitte der Topic TLM_GEWAESSER
  • Anforderungen an die Kalibration der Kilometrierung der Topic TLM_GEWAESSER
  • Anforderungen an die aus der Topic TLM_GEWAESSER abgeleiteten Gewässerläufe

Abgleich Gewässernetze mit NetworkJoiner

Bundesamt für Umwelt BAFU
2015 – 2018
In Zusammenarbeit mit Digikarto

Eine Vielzahl von Fachinformationen werden als Punkt- und Linienereignisse an geroutete und kilometrierte Gewässernetze referenziert und grösstenteils von den entsprechenden Fachstellen der kantonalen Verwaltungen erarbeitet. Als digitales Gewässernetz werden zum Teil eigene kantonale Gewässernetze oder das Gewässernetz des Bundes verwendet. Das Bundesamt für Umwelt hat die Aufgabe, diese Fachinformationen der einzelnen Kantone zu sammeln und im Geoportal des Bundes zu publizieren (z.B. Daten zur Ökomorphologie der Gewässer).

Um die Daten zwischen den einzelnen digitalen Gewässernetzen austauschen zu können, müssen die jeweiligen Gewässernetze miteinander verglichen werden. Diese Netzwerkvergleiche und resultierende Relationen gestatten dann einen möglichst verlustfreien Übertrag der jeweiligen Fachinformationen vom ursprünglichen auf ein anderes Gewässernetz.

Beschreibung

Für die Übertragung von Punkt- und Linienereignissen von einem Ursprungs-Gewässernetz auf ein neues Ziel-Gewässernetz (z.B. von einem kantonalen auf das eidgenössische Gewässernetz) müssen identische Gewässerabschnitte ermittelt werden. Nur in den wenigsten Fällen reicht dafür ein einfaches Vergleichen der Attribute – bei weitaus zahlreicheren Fällen muss die komplette topologische Struktur der beiden Netzwerke miteinander verglichen werden.

Grundsätzlich ähnelt diese Aufgabe damit dem Vergleich von Strassennetzwerken und -topologien, obwohl die Topologie von Gewässernetzen um ein Vielfaches komplexer ist als beispielsweise die von Strassen. Je nach Erfassungsmassstab der Netzwerke können etwa verzopfte oder mäandrierende Flussabschnitte völlig unterschiedlich erfasst worden sein.

Basierend auf einer ausführlichen Literaturrecherche und einzelnen Tests wurde das Conflation Toolset von ArcGIS als mögliche Basis evaluiert. Es analysiert die Topologie der beiden Netzwerke und erstellt eine Matching-Matrix der als identisch oder nicht-identisch erkannten Netzwerkabschnitte. Aufgrund des sehr hohen Komplexitätsgrads der Netzwerke werden durch das Conflation Toolset aber auch eine grosse Anzahl von Fehlinterpretationen erstellt. Um diese zu detektieren, wurden typische Fehlerfälle eruiert und mit Geoprocessing-Modellen aus den Matching-Matrizen extrahiert.

In ArcMap werden die detektierten Fehler anschliessend zielgerichtet symbolisiert und dem Benutzer zur Überarbeitung zur Verfügung gestellt.

Für eine möglichst effiziente und fehlerfreie Überarbeitung wurde mit C# und ArcObjects ein Bearbeitungswerkzeug programmiert, das die unterschiedlichsten Methoden zur Korrektur der fehlerhaften Matching-Matrizen zur Verfügung stellt. Gleichzeitig werden alle Arbeitsschritte des Bearbeiters im Hintergrund protokolliert und in einer Geodatabase abgelegt.

Weiterführende Informationen

Anforderungen an die Kilometrierung des Gewässernetzes im swissTLM3D

Naturgefahrenkarten Tadschikistan

Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit GIZ
2010 – 2012
In Zusammenarbeit mit CAMP Kuhiston

Der Gebirgszug der Hissar-Range trennt das südliche und das nördliche Tadschikistan. Zwischen den beiden Gebirgspässen Anzob und Shakhristan liegt das lange, Ost-West ausgerichtete Zerafshan-Tal mit seinen unzähligen kleinen Siedlungen.

Aufgrund der steilen Topografie, schneereichen Winter und wilden Gebirgsbäche und -flüsse sind diese Siedlungen gegenüber Naturgefahren (Steinschlag, Erdrutsch, Lawinen und Hochwasser) sehr ausgesetzt und gefährdet.

Für eine möglichste effektive Evakuation der gefährdeten Gebieten im Katastrophenfall sind eine gute Planung und Organisation zentral. Aus diesem Grund erstellte GeoIdee Notfallkarten für weit über 100 Siedlungen.

Beschreibung

Die dramatischen Gebirgsflanken des Zerafshan bergen ein hohes Risiko von Naturgefahren: Steinschlag, Erdrutsch, Lawinen und Hochwasser gefährden neben den Siedlungen nicht nur die einzige Verbindungsstrasse des Tales sondern auch die sowieso schon instabile Energieversorgung.

Da der Zugang zum Tag im Katastrophenfall höchstwahrscheinlich erschwert oder ganz abgeschnitten wird, müssen sich die entlegenen Siedlungen möglichst autonom organisieren. Deshalb wurde für jede einzelne Siedlung ein Kartenwerk mit zentralen Elementen eines Katastrophenfalles ausgearbeitet. Auf diesen Karten sind neben den einzelnen Risiken und den davon betroffenen Gebieten auch die Fluchtwege und zentralen Sammelpunkte aufgeführt.

Damit die Kartenwerke für die Bewohner einfach verständlich sind, wurde ein möglichst klares und ansprechendes Kartenbild erarbeitet, das sich an den naturräumlichen Eindrücken und Ortskenntnissen der Bewohner orientiert. Die einfachen Symbole (Schule, Moschee, ärztliche Hilfe, Schutzgebäude, etc.) berücksichtigen vor allem, dass die Betrachter zum einen nicht gewohnt sind, mit Karten zu arbeiten und darüber hinaus häufig Analphabeten sind.

Um das Knowhow der Kartenerstellung und der Ausarbeitung einzelner Kartenblätter in Tadschikistan zu etablieren, wurde die kartografische Bearbeitung ausschliesslich durch eine lokale tadschikische Organisation durchgeführt. Zudem wurde eine ausführliche, schrittweise Anleitung in tadschikischer Sprache erstellt.

Weiterführende Informatione

Y. Weidmann, D. Davlatov, and P. Thominski, “Natural Hazard Risk Maps for Public Use in Rural Areas in Northern Tajikistan,” in Annual Central Asia GIS Conference – GISCA 2011, 2011.

Atlaskartenserien Pamir für Forstmanagement

Deutsche Forstservice GmbH
2013

Die autonome Provinz Berg-Badachschan in Tadschikistan, auch unter dem Namen Pamir bekannt, ist eine Hochgebirgslandschaft zwischen 1200 und 7500 m.ü.M. In den grossen Gebirgstälern der Provinz besteht ein grosser Bedarf nach Forst- und Aufforstungsprojekten – einerseits zum Schutz vor Naturgefahren durch Murgänge und Lawinen, andererseits für die Bewirtschaftung des Rohstoffes Holz für die Energieversorgung und den Bau.

Leider sind nach dem Zerfall der Sowjetunion kaum noch topografische und thematische Kartenwerke der Region erhältlich. Für die Planung von Forstprojekten erstellte GeoIdee eine Kartenserie der sowjetischen topografischen Karten, die mit überregionalen Klima- und Populationsdaten ergänzt wurden.

Beschreibung

Topografisches Kartenmaterial ist für die Planung von Entwicklungsprojekten ein unabdingbares Werkzeug. Die Sowjetunion führte bis zu ihrem Zerfall eine extensive kartografische Erfassung des Gesamtgebiets der Sowjetunion und der restlichen Welt durch. Die topografischen Karten von Tadschikistan im Massstab 1:50’000 wurden jedoch während der Sowjetunion als geheim klassifiziert und waren nicht erhältlich. Auch heute erschwert eine unklare rechtliche Situation die Verwendung dieser Karten.

Aufgrund der langsamen Entwicklung der abgelegenen Gebiete von Berg-Badachschan sind die Karten der Sowjetunion bis zu einem gewissen Grade auch heute noch gültig. Vor allem die detaillierten topografischen Informationen (Höhenkurven, Flussläufe, Siedlungsgebiete) sind für Projekte noch immer eine wichtige Orientierungshilfe.

Für die Verwendung im Bereich Forstwirtschaft wurden die Karten mit weiteren Informationen zu den Temperaturen (jährliches Mittel, Mittel im Januar und Juni), Niederschlagswerten (jährlicher Niederschlag), oberflächlicher Abfluss und mittlere Bevölkerungsdichte angereichert.

Um eine möglichst effiziente Generierung der Kartenserien zu erreichen, wurde das gesamte Projekt in ArcMap aufgebaut. Die Verwendung der Funktion ‚Data-Driven-Pages’ erlaubte den sehr effizienten Export der einzelnen Kartenblätter. Auf jedem Kartenblatt wurden so 8 Einzelkarten richtig positioniert und skaliert (1 Hauptkarte, 1 Übersichtskarte, 3 Temperaturkarten, 1 Niederschlagskarte, 1 Abflusskarte, 1 Bevölkerungskarte).

Weiterführende Informationen

The Red Atlas: How the Soviet Union Secretly Mapped the World

Infotag des Sprengverband Schweiz

Am 13. / 14.9.2019 fand der 5. Infotag des Sprengverbandes Schweiz zu den aktuellen Entwicklungen im Bereich der Spreng-, Bohr- und Ankertechnik statt. Für mich die optimale Gelegenheit, einerseits meine Sprengbefugnis zu erneuern, und mich andererseits über die neuesten Entwicklungen bei der Auswertung von Bohrdaten und Informatiklösungen zu informieren. Vor allem die Verarbeitung und Integration von Measurement While Drilling (MWD) Daten, welche im IREDES-Datenformat vorliegen, ist ein wichtiger Bestandteil meiner Arbeit.

Sehr informativ war für mich auch der Vortrag von Sergio Massignani über die Tunnelbaustelle für das Kraftwerk Ritom (TI) – von der ich bisher über mein Softwareprojekt für die Tunnelbohrmaschine nur einen Teilaspekt kannte – der Marti Tunnel AG.

Publikation: Langdistanz-UAV für das Monitoring von kalbenden Gletschern in Grönland

Im Rahmen meiner Teilzeitanstellung in der Glaziologie der ETH Zürich zwischen 2012 und 2018 hatte ich die einmalige Chance, an einem UAV-Projekt mitzuarbeiten. Zusammen mit meinem damaligen Arbeitskollegen Guillaume Jouvet entwickelten wir ein UAV-System, das für sehr grossen Flugdistanzen von bis zu 180 km ausgelegt ist.

Diese enorme Reichweite war für das parallele Monitoring mehrerer kalbenden Gletscher im Fjord von Inglefield Bredning in Nordwestgrönland notwendig. Nur deshalb konnten wir während der Expedition im Sommer 2017 mit unseren UAV’s von der Insel und Ortschaft Qeqertat aus während rund zwei Wochen ein Monitoring von fünf kalbenden Gletschern gleichzeitig durchführen.

Die Entwicklung dieser Langdistanz-UAV’s ist jetzt in einem technischen Paper in frontiers in Earth Science publiziert (G. Jouvet, Y. Weidmann, E. van Dongen, M. P. Lüthi, A. Vieli, and J. C. Ryan, “High-Endurance UAV for Monitoring Calving Glaciers: Application to the Inglefield Bredning and Eqip Sermia, Greenland,” Front. Earth Sci., vol. 7, p. 206, 2019.). Das Paper geht dabei auf besonders auf die Konzeption und den Bau ein und beschreibt die Besonderheiten, die es für die erfolgreiche Anwendung in den hohen Breitengraden von Nordgrönland zu beachten galt. Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse damit für weitere Projekte genutzt werden können.

Der Expedition 2017 mit dem Bau und der Anwendung der Langdistanz-UAV ging eine mehrjährige, sehr intensive Arbeit voraus. Während zwei Expeditionen 2015 und 2016 mussten wir uns zuerst das gesamte Rüstzeug erarbeiten. Dass dies nicht immer einfach war, ist in der SRF-Reportage Expedition in die bedrohte Arktis von 2015 dokumentiert. Guillaume Jouvet hat zudem über den ersten Einsatz unseres UAV-Eigenbaus 2016 einen schönen Kurzfilm gedreht. Eine ausführliche Präsentation gibt einen zusätzlichen Gesamteindruck des Projektes.

Mitglied der Jury im Wettbewerb Höhlenkartografie

Eine schöne Abwechslung für meinen Büropartner Andreas Baumeler und mich: Zusammen mit Rudolf Glutz (Topograph, pensionierter Vermessungsingenieur ETH) bildeten wir die Jury für den Wettbewerb der Höhlenkartografie am nationalen Kongress für Höhlenforschung in Interlaken.

Dabei galt es, eine Vielzahl von kartografischen Werken von Höhlen im In- und Ausland zu beurteilen und zu prämieren. Die meisten Kartenwerke lagen im Massstab 1:500 vor und zeichneten sich durch eine sehr hohe kartografische und grafische Qualität aus.

Um aber die Kartenwerke überhaupt objektiv zu beurteilen können, mussten wir zunächst ein entsprechendes Beurteilungsraster, das durch eine ausführliche Wegleitung begleitet wird, erarbeiten. Neben den formalen Anforderungen an ein Kartenwerk (z.B. Name, Ortschaft, Kartograf, Genauigkeit) beurteilten wir vor allem die grafischen und kartografischen Qualitäten.

Aus grafischer Sicht steht ein ausgewogenes und harmonisches Kartenblatt im Vordergrund. Eine Karte soll den Leser vom ersten Moment an interessieren und zum weiteren Studium animieren. Dagegen geht es bei der kartografischen Qualität um die eigentliche Ausarbeitung der zum Teil sehr detaillierten kartografischen Darstellungen. Hier wird auf eine klare Interpretierbarkeit der Situation geachtet. Auch die zeichnerische Qualität und Ausführung wird akribisch untersucht.

Nach zwei langen Tagen Jury-Arbeit konnten wir die Sieger der einzelnen Kategorien vermelden. Für jedes der drei Jurymitglieder war es eine spannende Erfahrung, zur Abwechslung einmal kartografische Werke zu beurteilen anstatt sie selbst zu erstellen. Eine Erfahrung, welche uns auch bei der Ausarbeitung neuer Projekte helfen wird.

Impressionen von der GeoPython 2019 an der FHNW in Muttenz

Die Programmiersprache Python hat sich definitiv als wichtiges Werkzeug in der Geoinformatik etabliert – es führt kaum mehr ein Weg an ihr vorbei. Eine schier endlose Anzahl von Bibliotheken steht für die Erfassung, Bearbeitung und Analyse von Geodaten zu Verfügung.

Auch an der Konferenz GeoPython 2019 gab es eine Vielzahl von spannenden Neuigkeiten und Beispiele von Anwendungen von Python in der Geoinformatik. Vor allem Aspekte des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz waren ein dominantes Thema. Nicht nur in den Vortragsräumen, sondern auch in den animierten Gesprächen während der Kaffeepausen. Ich bin gespannt, wohin hier die Reise gehen wird. An der GeoPython 2020 werden wir sicher wieder etwas mehr erfahren.

Mich hat die Konferenz zunächst zu einem Blick in die Vergangenheit motiviert: 2008 hielt ich einen Vortrag zur Verwendung von Python, Eclipse und PyDev anlässlich einer Veranstaltung des ESRI User Forums. Verrückt, wie die Zeit vergeht.

Publikation: Das Schweizerische Gletscherinventar als Produkt des swissTLM3D

Das während den letzten Jahren aufgebaute neue Topografische Landschaftsmodell (swissTLM3D) der swisstopo löste das alte Modell VECTOR25 als Basis der topografischen Grundlagendaten der Schweiz ab. Neben der konsequenten Verwendung der dritten Dimension für alle Geometrien und die deutlich höhere Erfassungsgenauigkeit des swissTLM3D verglichen mit dem VECTOR25 ist der Wechsel zum Topografischen Landschaftsmodell zentral.

Im Gegensatz zum VECTOR25 welches sich historisch bedingt an der kartografischen Repräsentation orientierte, beschreibt das neue swissTLM3D die effektive Lage der Objekte im Raum. Aspekte der Generalisierung und Verdrängung für die kartografische Darstellung werden separat der Grundlagendaten beschrieben. Die strengen topologischen Regeln des swissTLM3D garantieren zudem eine zusätzliche Qualität der Daten.

Dieser Wechsel von einem kartografisch basierten Modell zum Landschaftsmodell ermöglicht es, einzelne Geometrietypen des TLM als Basis für weitere analytische Arbeiten zu verwenden. Im Rahmen des Aufbaus der neuen Datenbank für das Gletschermonitorings Schweiz (GLAMOS) wurde in Kollaboration zwischen swisstopo und der Glaziologie der ETH Zürich die Objekte «Firn und Eis» der Topic Bodenbedeckung des swissTLM3D als Basis für das laufend aktualisierte Schweizerische Gletscherinventar (SGI) spezifiziert und implementiert.

Ab dem Release 2019 des swissTLM3D könne die Objekte «Firn und Eis» als Gletscherinventar verwendet werden. Und mit dem geplanten Release 2020 und dem damit verbundenen Abschluss der Aufbauarbeiten des swissTLM3D wird ein weltweit einmaliges Gletscherinventar vollständig erfasst zu Verfügung stehen.

Die Publikation Das Schweizerische Gletscherinventar als Produkt des swissTLM3D von Yvo Weidmann, Hans Bärtschi, Stefan Zingg und Emanuel Schmassmann beschreibt ausführlich das Vorgehen welche für die Implementation des SGI in das swissTLM3D nötig war und gibt einen Ausblick über die Möglichkeiten und Zukunftsaussichten dieses Datensatzes.

Mehr Informationen zu diesem Thema, dem Gletschermonitoring und den Möglichkeiten findet man auch im Beitrag Gletscher in Echtzeit beobachten der ETH-News von 2018.

MovingSensors Lösung: Roboter-Tachymetrie

Grundsätzlich arbeitet das Messsystem von MovingSensors mit der Lokalisierung der Sensoren über GPS-Daten. In verschiedenen Situationen kann aber keine zuverlässige Positionierung über das GPS-Signal garantiert werden. Zum Beispiel bei grossen Gebäudefronten, wie die der Werfthallen des Flughafen Zürich, liefert es zu wenig genaue und zuverlässige GPS-Daten.

Es musste eine alternative, respektive ergänzende, Methode zur bisherigen Positionierung mit GPS entwickelt werden – ohne aber die Erfassungsgeschwindigkeit von rund 2m/s des Messfahrzeuges zu beeinflussen.

Für die grossen und offenen Flächen des Flughafen Zürichs wurde ein kombiniertes Verfahren GPS-Tachymetrie entwickelt. Zusätzlich zum GPS-Empfänger wird direkt unterhalb der GPS-Antenne ein 360-Grad Reflektor montiert. Mit dieser Konstellation kann die Referenzposition des Systems entweder mit GPS oder mit Tachymetrie oder mit beidem erfasst werden.

Um die Messungen weiterhin mit 2m/s durchführen zu können, wurde die Möglichkeit der Roboter-Tachymetrie, respektive der automatischen Zielverfolgung von Leica-Tachymetern getestet. Dabei durchfuhr das Messfahrzeug einen Kurs auf einer Schleuderkurs-Anlage des TCS in Frick. Die Distanz zwischen Tachymeter und Messfahrzeug betrug dabei zwischen 5 und 100m. Trotz der verhältnismässig hohen Winkelgeschwindigkeit des Messfahrzeuges zum Tachymeter konnte dieser den 360-Grad Reflektor zuverlässig verfolgen. Auch kurze Abschattungen des Reflektors konnte der Tachymeter überbrücken.

Mit diesem Test konnte das Messkonzept von MovingSensors soweit ergänzt werden, dass auch in GPS-technisch schwierigen oder unmöglichen Situation Messungen erfolgreich durchgeführt werden können.