Ableitung von Bodenparametern aus Laserscanningpunktwolken

Aufgrund der landwirtschaftlichen Nutzung sind Böden anfällig gegenüber Erosion durch Wind und Wasser. Erosion führt dauerhaft zu einer Degradation von Böden und minimiert damit die Fähigkeit von Böden Ökosystemleistungen bereitzustellen. Ernsthafte Folgen von Bodenerosion können sowohl auf den ackerbaulich genutzten Flächen (z. B. reduzierte Fruchtbarkeit, Missernten) als auch abseits von ihnen (z. B. Nährstoffeinträge in Gewässer, Verschmutzung von Infrastruktur) beobachtet werden.

Ein wichtiges Werkzeug im Bodenschutzvollzug ist das Monitoring des Ausmaßes von Bodenerosionsereignissen. In diesem Zusammenhang hat sich das terrestrische Laserscanning als berührungslos und quasi-kontinuierlich messendes Verfahren in den letzten Jahren als Messtechnik für das Erfassen von Bodenerosion etabliert. Der Schwerpunkt der Forschungsarbeiten des Lehrstuhls für „Geodätische Sensorsysteme“ liegt hierbei auf der Modellierung der resultierenden Punktwolken und der anschließenden Ableitung von beschreibenden Parametern.

Quantifizierung von erosionsbedingtem Bodenabtrag

Von besonderem Interesse beim Erosionsmonitoring ist die Quantifizierung des erosionsbedingten Bodenabtrags. Am Lehrstuhl für Geodätische Sensorsysteme werden Verfahren entwickelt, die auf Grundlage von approximierenden B-Spline-Kurven und Flächen die Quantifizierung von starkregeninduziertem Bodenabtrag erlauben.

Abb. 1: Punktwolken einer Ackerfläche. Links: Originalpunktwolke. Rechts: Punktwolke nach Durchführung einer Vegetationsfilterung (Harmening et al. 2023).

Bestimmung der Bodenrauheit

Die Anfälligkeit des Bodens gegenüber Erosion wird zu einem großen Teil durch seine Rauheit bestimmt, da diese einen direkten Einfluss auf seine Infiltrationskapazität sowie die Abflusseigenschaften des Wassers besitzt. Die Quantifizierung der Bodenrauheit erlaubt somit eine Risikobewertung des Bodens in Hinblick auf seine Anfälligkeit gegenüber Erosion, während die Überwachung der Rauheit über die Zeit gleichzeitig Informationen über aufgetretene Erosion liefert.

Am Lehrstuhl für Geodätische Sensorsysteme werden Verfahren entwickelt, mit denen die Rauheit von Böden auf Grundlage von Laserscanningpunktwolken bestimmt werden kann. Hierfür wird die Bodenrauheit als Realisierung eines stochastischen Prozesses interpretiert, der mit Hilfe von Variogrammen beschrieben werden kann. Die Range und die Sillvarianz dieser Variogramme können als Parameter der Bodenrauheit interpretiert werden.

Abb. 2: Bestimmung des profilweisen Bodenabtrags mit Hilfe zweier B-Spline-Kurven (Harmening et al. 2022).

Abb. 3: Direktionale Variogramme zur Quantifizierung von Bodenrauheit.