Istituto federale di ricerca per la foresta, la neve e il paesaggio WSL

Bollettino valanghe e situazione nivologica
Edizione: dom 23.3., 17:00
Avalanche Bulletin

Grossflächige Schneehöhenkartierung im Gebirge mit digitaler Photogrammetrie

Gestione del progetto

Yves Bühler

Vice

Andreas Stoffel

Personale del progetto

Christian Ginzler
Mauro Marty
Lucie Anne Eberhard

Durata del progetto

2010 - 2030

Cooperazione Finanziamento
Fig.1 Hochalpines Gelände im Flüela 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
Fig 3: Vergleich der Schneehöhen aus den Ultracam Daten im südlichen Dischma zwischen dem Winter 2020 und 2021. Im Jahr 2021 lag deutlich mehr Schnee (Kartenquelle: Bundesamt für Landestopographie).

Publikationen

Bührle L.J., Marty M., Eberhard L.A., Stoffel A., Hafner E.D., Bühler Y. (2023) Spatially continuous snow depth mapping by aeroplane photogrammetry for annual peak of winter from 2017 to 2021 in open areas. Cryosphere. 17(8), 3383-3408. https://doi.org/10.5194/tc-17-3383-2023 Institutional Repository DORA

Caye Daudt R., Wulf H., Hafner E.D., Bühler Y., Schindler K., Wegner J.D. (2023) Snow depth estimation at country-scale with high spatial and temporal resolution. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 197, 105-121. https://doi.org/10.1016/j.isprsjprs.2023.01.017 Institutional Repository DORA

Bühler Y., Stoffel A., Eberhard L., Bührle L. (2023) Fotogrammetrische Schneehöhenkartierung aus Drohnen-, Flugzeug­- und Satellitenbildern. In Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, WSL (Ed.), WSL Berichte: Vol. 134. Neue Fernerkundungs­technologien für die Umweltforschung und Praxis. Birmensdorf: Eidg. Forschungsanstalt für Wald, Schnee und Landschaft, WSL. 61-66. https://doi.org/10.55419/wsl:33072 Institutional Repository DORA

Bühler Y., Marty M., Egli L., Veitinger J., Jonas T., Thee P., Ginzler C. (2015) Snow depth mapping in high-alpine catchments using digital photogrammetry. Cryosphere. 9(1), 229-243. https://doi.org/10.5194/tc-9-229-2015 Institutional Repository DORA

Eberhard L.A., Sirguey P., Miller A., Marty M., Schindler K., Stoffel A., Bühler Y. (2021) Intercomparison of photogrammetric platforms for spatially continuous snow depth mapping. Cryosphere. 15(1), 69-94. https://doi.org/10.5194/tc-15-69-2021 Institutional Repository DORA

Bühler Y., Bührle L., Eberhard L., Marty M., Stoffel A. (2021) Grossflächige Schneehöhen-Kartierung mit Flugzeug und Satellit. Geomat. Schweiz. 119(9-10), 212-215. Institutional Repository DORA

Helbig N., Bühler Y., Eberhard L., Deschamps-Berger C., Gascoin S., Dumont M., … Jonas T. (2021) Fractional snow-covered area: scale-independent peak of winter parameterization. Cryosphere. 15(2), 615-632. https://doi.org/10.5194/tc-15-615-2021 Institutional Repository DORA

Leiterer R., Wulf H., Milani G., Sassik B., Bühler Y., Wegner J.D. (2020) Schneekartierung aus dem All - das Potenzial frei verfügbarer Satellitendaten. Wasser Energ. Luft. 112(3), 171-174. Institutional Repository DORA

Noetzli C., Bühler Y., Lorenzi D., Stoffel A., Rohrer M. (2019) Schneedecke als Wasserspeicher. Drohnen können helfen, die Abschätzungen der Schneereserven zu verbessern. Wasser Energ. Luft. 111(3), 153-157. Institutional Repository DORA

Bühler Y., Adams M.S., Stoffel A., Boesch R. (2017) Photogrammetric reconstruction of homogenous snow surfaces in alpine terrain applying near-infrared UAS imagery. Int. J. Remote Sens. 38(8-10), 3135-3158. https://doi.org/10.1080/01431161.2016.1275060 Institutional Repository DORA

Bühler Y., Adams M.S., Bösch R., Stoffel A. (2016) Mapping snow depth in alpine terrain with unmanned aerial systems (UASs): potential and limitations. Cryosphere. 10(3), 1075-1088. https://doi.org/10.5194/tc-10-1075-2016 Institutional Repository DORA

Bühler Y., Stoffel A., Eberhard L., Feuerstein G.C., Lurati D., Guler A., Margreth S. (2018) Drohneneinsatz für die Kartierung der Schneehöhenverteilung. Bündnerwald. 71(8), 20-24. Institutional Repository DORA

Grünewald T., Bühler Y., Lehning M. (2014) Elevation dependency of mountain snow depth. Cryosphere. 8(6), 2381-2394. https://doi.org/10.5194/tc-8-2381-2014 Institutional Repository DORA

Boesch R., Bühler Y., Marty M., Ginzler C. (2016) Comparison of digital surface models for snow depth mapping with UAV and aerial cameras. In L. Halounova, V. Šafář, P. L. N. Raju, L. Plánka, V. Ždímal, T. Srinivasa Kumar, … Q. Weng (Eds.), The international archives of the photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences: Vol. XLI-B8. XXIII ISPRS congress, commission VIII. Gottingen, Germany: Copernicus. 453-458. https://doi.org/10.5194/isprs-archives-XLI-B8-453-2016 Institutional Repository DORA

Adams M.S., Bühler Y., Fromm R. (2017) Multitemporal accuracy and precision assessment of unmanned aerial system photogrammetry for slope-scale snow depth maps in alpine terrain. Pure Appl. Geophys. 175(9), 3303-3324. https://doi.org/10.1007/s00024-017-1748-y Institutional Repository DORA

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