SEHAG - Prozessierung historischer Fotos

Das Verständnis der Reaktion hochalpiner Geosysteme auf Veränderungen des Klimas ist für Wissenschaft und Gesellschaft gleichermaßen wichtig. Während einige Änderungen offensichtlich sind (Rückzug der Gletscher), ist für viele andere Veränderungen der Zusammenhang mit Klimaänderungen kaum erforscht. Um diese Lücke zu schließen, sollen die Veränderungen in alpinen Geosystemen durch die quantitative Auswertung historischer Fotos, einschließlich historischer Luftbilder, dokumentiert werden. Die Analyse wird in drei Zeitscheiben untergliedert, beginnend mit 1850, 1920 und 1980 bis heute. Das Jahr 1850 fällt mit dem Ende der Kleinen Eiszeit und den ersten verfügbaren Photographien in den Alpen zusammen. Unser Ziel ist das Erstellen einer langen Zeitserie historischer Aufnahme, was zuvor noch nicht versucht wurde. Räumlich beschränken wir uns auf drei Alpentäler (Martelltal, Horlachtal und Kaunertal), die sich in Höhenlage, Ausrichtung und touristischer Erschließung unterscheiden. Die Quantifizierung von Veränderungen, bspw. im Aktivitätsmuster von Massenbewegungen, sind fundamentale Eingangsgrößen für die Beschreibung der geomorphologischen und hydrologischen Prozesse in den Geosystemen. Die genaue 3D-Rekonstruktion von Merkmalen im Gelände, z.B. Schnee auf Gletschern oder die Verteilung der Vegetation, sollen in enger Zusammenarbeit mit Geologen, Geomorphologen, Hydrologen, Meteorologen, Bodenkundlern und Vegetationskundlern erfolgen. Angesichts der großen Anzahl verfügbarer und benötigter Fotos für die Rekonstruktion der Veränderungen ist eine automatische Bildorientierung notwendig. Passende Bilder werden in Archiven identifiziert und mit Metadaten (Name des Tals, Aufnahmezeitpunkt, etc.) gespeichert. Die automatische Bestimmung der Aufnahmeposition und ausrichtung historischer Aufnahmen ist eine bislang ungelöste Aufgabe. Auch die Fotos von Luftbildmessungen, verfügbar ab ca.1950, werden einbezogen. Das führt nicht nur zur Vermessung einzelner Merkmale, sondern auch zu historischen Orthophotos und Geländemodellen. Für alle Produkte ist eine Abschätzung der Genauigkeit besonders wichtig, da die Detektion signifikanter Veränderungen von scheinbaren Veränderungen, hervorgerufen z.B. durch das Bildrauschen, abzugrenzen ist. Ein stabiler Referenzrahmen muss für die Einbettung aller Daten und ihre Gegenüberstellung geschaffen werden. Dies wird durch luftgestütztes Laserscanning gewährleistet, wobei neue Befliegungsmuster untersucht werden, die entlang der Zonen stärkster Veränderung ausgerichtet werden. Die Sammlung und Auswertung historischer Aufnahmen soll nach der ersten, dreijährigen Projektphase weitergeführt werden. Dies führt zu einer vollständigeren und qualitativ hochwertigeren Dokumentation. Von besonderer Bedeutung sind in einer zweiten Phase aber die zukünftig erwarteten Veränderungen, die auf Basis von Klimaszenarien in die Zukunft projiziert, auf das Gelände übertragen und so in aktuellen Fotos dargestellt werden können.

Ziel von SEHAG (SEnsitivität HochAlpiner Geosysteme gegenüber dem Klimawandel ab 1850) war die Erforschung der Auswirkungen des Klimawandels auf einzelne Geosysteme (z.B.: Gletscher, Flüsse, Vegetation) und deren Interaktion in drei ausgewählten alpinen Regionen seit 1850. Der Fokus der Forschungsgruppe Photogrammetrie (TU Wien) lag dabei vor allem auf der Prozessierung historischer Bilder, welche sowohl vom Boden (terrestrisch) als auch mittels Flugzeug aus der Luft aufgenommen wurden. Ein weiterer Schwerpunkt war die Verarbeitung von Datensätzen, welche mittels luftgestütztem Laserscanning aufgenommen wurden und als hochgenaue Referenz für alle weiteren Arbeiten diente. Alle Datensätze wurden dann von unseren Projektpartnern in ihre Analysen und Modelle integriert, um die Veränderungen in den jeweiligen Interessensgebieten zu erforschen. Nur durch diesen interdisziplinären Ansatz war es möglich, diese grundlegenden Fragestellungen im Kontext des Klimawandelns zu beleuchten und zu beantworten. Das luftgestützte Laserscanning ist eine relativ moderne Technologie, mittels derer die Erdoberfläche mit einem Laserscanner abgetastet wird, der auf einem Flugzeug oder Drohne montiert ist. Die resultierenden Daten, welche in mehreren Flügen über das Interessensgebiet entstehen, müssen verarbeitet und korrigiert werden, damit eine möglichst korrekte und fehlerfreie Repräsentation der Erdoberfläche entsteht. Vor allem im hochalpinen Gelände mit seinen steilen Gipfeln, schroffen Bergflanken und extremen Höhenunterschieden benötigt man spezialisierte Werkzeuge, welche im Zuge des Projektes von uns weiterentwickelt werden konnten. Während mittels dem luftgestütztem Laserscanning hochgenaue Referenzdaten aufgenommen wurden, welche den Ist-Zustand darstellen, ist es mit historischen Luftbildern möglich in die Vergangenheit zurückzublicken, in unserem Falle bis 1945. Mittels der Luftbilder war es möglich, den abgebildeten Bildbereich dreidimensional zum jeweiligen Aufnahmezeitpunkt zu rekonstruieren. Vergleicht man nun das Modell, welches aus den Luftbildern rekonstruiert wurde mit dem aktuellen Modell aus dem luftgestützten Laserscanning können flächenhafte Veränderungen berechnet werden. Umso älter diese Luftbilder allerdings sind, umso herausfordernder wird auch die Prozessierung. Daher war es notwendig, bestehende Ansätze stetig zu adaptieren und weiterentwickeln. Erst dadurch wurde es möglich, Luftbilder zu insgesamt 11 verschiedenen Zeitpunkt zu prozessieren. Zwischen 1945 und 1850, dem Ende der letzten kleinen Eiszeit und Beginn unseres Untersuchungszeitraums, klafft noch eine Lücke von fast 100 Jahren. Um diese Lücke zu schließen wurde das erste Mal systematisch nach historischen terrestrischen Bildern in verschiedensten Archiven gesucht. Aufgenommen von Einheimischen und Touristen als Andenken an schöne Wanderungen oder Ausflüge, können diese Bilder von uns verwendet werden um den sehr frühen Zustand der Geosysteme zu analysieren. Neben der schwierigen Suche nach relevanten Bildern, benötigte auch die Verarbeitung dieser Bilder für wissenschaftliche Zwecke eine neue Herangehensweise. Mit den entwickelten Methoden & Werkzeugen konnten mehr als 1000 Bilder georeferenziert werden und der Bildinhalt in räumliche Analysen mit anderen Datenquellen einbezogen werden. Das Projekt wurde vom DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft / FOR 2793) und dem FWF (Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung / I 4062) gefördert.