Die Popularität und Erschwinglichkeit unbemannter Luftfahrzeuge (UAVs) haben vielen Branchen Vorteile gebracht, indem sie Kosten senken und die Sicherheit des Personals erhöhen. Doch wie sieht es in der Wissenschaft aus? Hunderte, wenn nicht Tausende unabhängige Wissenschaftler und Universitäten weltweit nutzen diese UAVs, um komplexe wissenschaftliche Experimente auf neuartige Weise durchzuführen.
Wir konzentrieren uns in der Regel auf die industriellen und kommerziellen Anwendungen von UAVs, aber auch die Grundlagenforschung profitiert von der Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit der Luftfahrt, wenn die Budgets knapp sind und die Zeit für die Durchführung von Experimenten entscheidend ist.
Beispielsweise arbeiteten mehrere polnische Wissenschaftler an einer umfassenden Studie zur Küstenerosion zusammen und nutzten dabei verschiedene neue Technologien wie Airborne LiDAR und Bathymetrie.
Pawel Tysiac und Rafal Ossowski von der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwesen der Technischen Universität Danzig haben in Zusammenarbeit mit Lukasz Janowski von der Seefahrtsakademie der Seefahrtsuniversität Gdynia und Damian Moskalevicz vom Lehrstuhl für Geomorphologie und Quartärgeologie der Fakultät für Ozeanographie und Geographie der Universität Danzig eine umfassende Studie über die Erosion eines Teils der polnischen Küste (genauer gesagt eines 1,6 Kilometer langen Abschnitts der südlichen Ostsee) durchgeführt.
Die Studie mit dem Titel „Bewertung der Küstenkliffdegradation mithilfe von Drohnen- und Orthofotodaten sowie bathymetrischem LiDAR in Google Earth Engine“ wurde im Januar 2025 in Scientific Reports veröffentlicht und ist ein Paradebeispiel für den Einsatz neuer Technologien zur Datenerhebung, die für das Verständnis der Art und Weise, wie die Natur die Geographie verändert, von entscheidender Bedeutung ist.
Wir hatten die Gelegenheit, mit Pawel Tysiac, einem der Autoren der Studie, zu sprechen, um die Auswirkungen von Drohnen und LiDAR auf ihr Projekt besser zu verstehen.
„Herkömmliche Methoden zur Überwachung der Klifferosion erfordern typischerweise arbeitsintensive Feldarbeiten und komplexe Berechnungen räumlicher Punktverteilungen mithilfe traditioneller Vermessungstechniken“, sagte Pawel. „Im Gegensatz dazu bieten jüngste Fortschritte in der Fernerkundung und im maschinellen Lernen neue Methoden zur effizienteren und genaueren Beurteilung der Kliffdegradation.“
Die Küstendegradation hat die Aufmerksamkeit von Regierungen und Wissenschaftlern auf der ganzen Welt auf sich gezogen, da die Zahl der Naturkatastrophen zunimmt und jede Katastrophe immer größeren Schaden für Bevölkerung und geographische Umwelt verursacht.
„In dieser Arbeit verwenden wir den Begriff ‚Klippenerosion‘ in einem weiten Sinne. Wir definieren ihn als die Gesamtauswirkung von Veränderungen an erosionsgefährdeten Küstenklippen, die durch eine Vielzahl von Faktoren und Prozessen verursacht werden. Dazu gehören komplexe lithologische und hydrogeologische Gegebenheiten, Sturmfluten, Niederschläge, Wind und menschliche Aktivitäten, die zu großflächigen Bewegungen und deren Folgen wie Erdrutschen, Verwerfungen, Spalten und Geröll führen“, erklärte Pawel. „Darauf aufbauend ist eine zentrale Annahme dieser Studie, dass sich das Reflexionsspektrum elektromagnetischer Wellen in von Erosion betroffenen Gebieten verändert. Im Fall von Küstenklippen können Veränderungen in der Materialzusammensetzung, der Vegetation und anderen Faktoren zu erheblichen Unterschieden führen.“
Heutzutage ist Fernerkundung die Standardmethode zur Überwachung von Küstenumgebungen. Durch die Nutzung verschiedener Bild- und Datentypen, die von Satelliten, Flugzeugen und bodengestützten Sensoren erfasst werden, erhalten Forscher detaillierte und aktuelle räumliche Informationen über Küstengebiete. Hochauflösende Bilder ermöglichen die Beobachtung von Veränderungen der Küstenmorphologie im Zeitverlauf und helfen, die am stärksten von Naturkatastrophen betroffenen Gebiete zu identifizieren. In diesem Fall nutzten die Autoren Luftbildaufnahmen, die hochauflösende Bilder liefern, welche sich für detaillierte Vorher-Nachher-Vergleiche eignen. Allerdings besteht das Problem unterschiedlicher Beleuchtungszeiten auf den Bildern, was zu unterschiedlichen Objekten bei der Verarbeitung führt. Im Bereich der Photogrammetrie müssen Flüge unter ähnlichen Bedingungen durchgeführt werden, wobei jedoch auch hier saisonale Schwankungen eine Herausforderung darstellen.
„Wir haben uns für LiDAR entschieden, um mit wechselnden Lichtverhältnissen umgehen zu können“, erklärt Pawel. „LiDAR-Daten sind unerlässlich, um topografische Veränderungen an der Küste hochpräzise zu erfassen und Daten von Vegetation oder isolierten Punkten zu filtern. Das wichtigste Produkt von LiDAR ist das digitale Höhenmodell (DHM), mit dem eine dreidimensionale Darstellung der Küstenlandschaft erstellt wird. Diese Modelle helfen, die räumliche Verteilung der Erosion durch Berechnungen im Zeitverlauf zu verstehen.“
Das Problem entstand, weil die unter Wasser stattfindende Komponente der Küstendegradation eine bedeutende Rolle bei der Entstehung dieses Phänomens spielt; daher die Entscheidung, LiDAR als bathymetrisches Instrument einzusetzen.
Pawel erklärte: „Die Studienergebnisse geben uns Aufschluss darüber, wie Küstenklippen auf den aktuellen und zukünftigen Klimawandel, insbesondere den Meeresspiegelanstieg und die zunehmende Sturmaktivität, reagieren.“ „Die Ergänzung traditioneller geotechnischer Untersuchungen durch den Einsatz fortschrittlicher Fernerkundungstechnologien wie Drohnen und Flugzeugaufnahmen bietet ein Modell für andere Gebiete mit ähnlichen Herausforderungen. Die Erkenntnisse dieser Studie können die Küstenmanagementpolitik nicht nur in Polen, sondern auch in anderen Regionen mit ähnlichen geologischen und Umweltbedingungen beeinflussen. Effektive Managementpläne, die auf solchen Forschungsergebnissen basieren, können dazu beitragen, die Risiken für Menschenleben und Infrastruktur durch Küstenklippenerosion und -instabilität zu mindern.“
Durch die Kombination von Luft- und Seeinformationen, die von autonomen Fahrzeugen gesammelt wurden, konnte diese Gruppe von Wissenschaftlern die Qualität der Daten, die Präzision der Schlussfolgerungen und die Angemessenheit der Maßnahmen zur Minderung der Schäden für die Geographie und die Bewohner der betroffenen Gebiete verbessern.
Veröffentlichungsdatum: 12. Februar 2025