Projektseminar Elba 2009

Geländekurs "Terrestrisches Laserscanning und GPS" im September 2009 auf Elba

Leitung: Dr. Florian Haas, Dipl.Geogr. Christian Breitung, Dipl. Geogr. Peter Fischer

Im Rahmen des Projektseminars wurden drei verschiedene Themenbereiche behandelt:

Die jeweiligen Fragestellungen waren an eigene Standorte gebunden. Die Standorte der Arbeitsgruppen sind in der Karte verzeichnet. Mehr Informationen zum Projektseminar finden Sie gegliedert nach den Projektgruppen weiter unten auf dieser Seite.

1: Arbeitsgruppe Mine
2: Arbeitsgruppe Vegetation
3: Arbeitsgruppe Festgestein

1. Arbeitsgruppe "Mine": Erosionsraten und Vegetationsentwicklung der Mine bei Rio Marina (Standort 1)

Geographische Lage der Mine
Die Mine bei Rio Marina befindet sich im Nordosten der Insel Elba - der Hauptinsel des Toskanischen Archipels - 42°50‘ nördlicher Breite und 10°26‘ östlicher Länge.

Allgemeine Informationen zur Mine
Die ehemalige Eisenmine, die schon zu Zeiten der Etrusker und Römer genutzt wurde, ist nach dem nahegelegenen Handelsort Rio Marina benannt. Nach der Stilllegung im Jahre 1980 gibt es Bemühungen die Mine zu renaturieren und durch Pflanzungen die Hänge zu stabilisieren, um die enorme Erosionsrate, vor allem durch Splash und Abspülung bei Starkregenereignissen, zu verringern.

Unser Projekt
Das Projekt zur Erfassung und Bewertung der Erosionsraten und der Vegetationsentwicklung nach den Renaturierungsmaßnahmen teilt sich in zwei große Arbeitsbereiche:

1) Erfassung der Erosionsraten
Um die Erosionsrate auf dieser großen Fläche quantitativ erfassen zu können, wurde die Bodenoberfläche des Hanges vor Ort zunächst von sieben Standorten aus mithilfe des terrestrischen Laserscanners Riegl LMS-Z420i gescannt. Die entstandenen Einzelscans sollen nachfolgend mit dem Programm Riegl RiSCAN Pro zu einer einzigen Darstellung verbunden werden. Danach soll mittels Cut and Fill-Analyse der Bodenverlust im Vergleich zu den im Frühjahr durchgeführten Scans bestimmt werden.

2) Erfassung der Erosionsentwicklung
Die vorhandene Vegetation wurde mithilfe eines Tablet PCs, der mit einem GPS Empfänger ausgestattet war, kartiert.
Je nach Pflanzenart (Kraut-, Strauch- oder Baumschicht), Höhe und Vitalität konnten die Pflanzen in verschiedene Kategorien eingeordnet werden. Dabei wurden Einzelpflanzen oder Kleingruppen als Punktsignatur vermerkt, wohingegen größere zusammenhängende Pflanzenbestände als Flächensignatur bzw. Polygon aufgenommen wurden.
Um nun herauszufinden wie sich das Erosionsverhalten je nach Vegetation unterscheidet, wurde in einem geographischen Informationssystem das Vegetationslayer über das Bodenverlust-Layer gelegt.

2. Arbeitsgruppe "Vegetation": Vegetationskartierung (Vegetationsentwicklung und Vorkommen der Steineiche) in der Macchia der Insel Elba mit Tablet-PC und GPS (Standorte 2)

Geographische Lage der Untersuchungsgebiete

Untersuchungsgebiet 1: Marciana Marina
Das Untersuchungsgebiet befindet sich im Nordwesten der Insel Elba. Die geographischen Koordinaten lauten: 42° 48' 31.58" N 10° 11' 15.75" E

Untersuchungsgebiet 2: Monte Stega
Das Untersuchungsgebiet befand sich im Nordosten der Hauptinsel des Toskanischen Archipels in 42° 49' 33.76" nördlicher Breite und 10° 24' 01.26" östlicher Länge.

Untersuchungsgebiet 3: Torre de Giove
Das Vegetationskartierungsgebiet in der Nähe des Torre de Giove liegt ebenfalls im Nordosten der Insel, und zwar in 42° 49' 48.50" N nördlicher Breite und 10° 25' 06.60" östlicher Länge.

Untersuchungsgebiet 4: Capo Stella
Auf dem Capo Stella wurde im Bereich folgender Koordinaten die Vegetation kartiert: 42°44'30.13" N 10° 19' 07.52" E

Untersuchungsgebiet 5: Monte Fonza
Auf dem Monte Fonza kartierten wir die Vegetation im Bereich der folgenden Koordinaten: 42° 45' 20.47" N 10° 16' 57.07" E

Allgemeine Informationen zur Vegetation der Insel Elba
Die Vegetation der Insel Elba wird durch mediterranes Klima beeinflusst. So haben sich die Pflanzen unter anderem mit Hilfe der Hartblättrigkeit oder auch Sklerophyllie genannt an diese vorherrschenden Klimabedingungen angepasst. Als Beispiel hierfür könnte man den Ginster nennen, bei dem sich die Blätter sogar in Dornen verwandelt haben.

Auf Elba herrschen heute vor allem die Macchia und die Garrigue vor. Früher war die Insel Elba von Steineichenwäldern überseht. Erst durch das Aufkommen des Erzabbaus und der Ziegen- und Schafhaltung ging der Steineichenbestand auf der Insel zurück. Denn die Steineiche wurde außer für den Haus- und Bootsbau auch als Brennholz für die Schmelzöfen der Etrusker verwendet, die auf Elba Erzabbau betrieben. Heute sind die Steineichenbestände auf Elba deshalb sehr reduziert.

Da ab 1981 der Erzabbau vollständig eingestellt wurde, werden die Steineichen nur noch vereinzelt abgeholzt.

Unser Projekt
Das Ziel der Untersuchung lag nun darin, die Steineichen auf Elba zu kartieren und im Vergleich mit früheren bzw. späteren Vegetationskartierungsergebnissen herauszufinden, in wie weit sich der Steineichenbestand auf Elba wieder erhöht. Dabei interessierte uns auch wo auf Elba die Steineichen wieder vermehrt vorkommen.

Vorgehen
Zur Vegetationskartierung wurden Vegetationskarten herangezogen. Mit einem Tablet-PC wurde an ausgewählten Standorten die Vegetation kartiert. Aufforstungsgebiete wurden gemieden.

Erfassung der Vegetationsentwicklung
Die vorherrschende Vegetation wurde mit Hilfe eines Tablet PCs, der über einen GPS Empfänger die genauen Positionskoordinaten empfängt, kartiert. Da das gewöhnliche GPS im Idealfall eine Genauigkeit bis zu etwa einem Meter aufweist (dies hängt natürlich auch von Geometrie und den empfangenen Satelliten und eventuellem Störsignal etc. ab), ist es schwierig eine genaue Vegetationskartierung vorzunehmen. So kann man eigentlich nur durch die Kartierung herausfinden, wie viele Pflanzenarten an einem abgesteckten Areals vorkommen und welche Fläche sie im Verhältnis zu den anderen existierenden Pflanzen einnehmen. Mit einem Differential Global Positioning System (DGPS) wäre eine höhere Genauigkeit zu erreichen. Hierbei ist eine Genauigkeit im Zentimeterbereich möglich.
Das Untersuchungsgebiet wurde zuerst eingegrenzt. Das Kartierungsareal wurde in ArcPad mit einem Polygon eingezeichnet. In den Untersuchungsgebieten wurden nicht nur Steineichen sondern auch andere Pflanzenarten aufgenommen. Es wurden die Baumumfänge gemessen und die Wuchshöhe geschätzt. Die Messdaten wurden anschließend in eine zuvor aufgestellte Tabelle via ArcPad eingetragen. Bei der Kartierung wurden vereinzelte Pflanzen (Bäume und einzelne Blumen) als Punktsignatur in ArcPad vermerkt. Größere flächenhaft aufkommende Pflanzenbestände wurden mit Polygonzügen aufgenommen. Dies soll es uns später bezüglichen den verschiedenen Untersuchungsgebieten ermöglichen, dass man das Flächenverhältnis von Steineichen im Vergleich zur anderen Vegetation berechnen kann. Aus Baumumfang und Wuchshöhe wollen wir Schlüsse ziehen, wie alt die Bäume sind und anschließend herausfinden, seit wann die Bäume hier wachsen. So könnte man aufzeigen, ob die Bäume in den verschiedenen Untersuchungsgebieten seit der Einstellung des Erzabbaus wieder vermehrt wachsen. Um aus dem Baumumfang genauere Ergebnisse zu erhalten, haben wir von Förstern auf Elba ein Baumstammstück einer Steineiche bekommen. Dadurch müsste eine Altersdatierung der Steineichen an Hand des gemessenen Umfangs leichter und vor allem etwas genauer durchzuführen sein. Da der Umfang durch unsere vorgenommenen Messungen gegeben ist, lässt sich der Durchmesser des entsprechenden Baumes wie folgt berechnen:

Berechnung des Durchmessers
Gegeben: Umfang
Berechnung: Durchmesser = Umfang / pi
Später kann das Alter näherungsweise bestimmt werden. Vorgesehen ist die Auswertung der Ergebnisse mit dem Geographischen Informationssystem ArcGIS.

3. Arbeitsgruppe "Festgestein“ Cut & Fill-Analyse und Flechtenklassifikation am Mt. Capanne (1019m) (Standort 3a)

Rämliche Einordnung

Der Standort „Mt. Capanne“ befindet sich an der Ostflanke der mit 1019m ü. NN höchsten Erhebung der Insel. Der Berg besteht aus Granit und/oder Granodiorit und stellt den höchsten Teil eines Plutons dar. Als plutonisches Gestein ohne sedimentationsbedingter Stratigraphie neigt der Grandiorit des Capanne zu Exfoliationsabschuppung. Die geographischen Koordinaten lauten: 42° 46’ 14.44“ N 10° 10’ 15.45“ E

Fragestellung & (geplante) Vorgehensweise
Es soll versucht werden den Anteil der von Flechten bewachsenen Oberfläche an der Gesamtoberfläche durch Methoden der digitalen Rasterdatenanalyse zu bestimmen. Auf die dabei verwandten Algorithmen wird unter Standort 3b näher eingegangen.

Mineralklassifikation Sant’ Andrea (Standort 3b)

Räumliche Abgrenzung
Der Standort „Sant‘ Andrea“ befindet sich an der Westküste Elbas Die geographischen Koordinaten lauten: 42° 48’ 31.36“ N 10° 08’ 27.55“ E

Fragestellung & (geplante) Vorgehensweise
Ein bezüglich der Mineralheterogenität und Xenolithdichte interessanter Teil wurde für zwei Feinscans (Winkel zw. Zwei Messungen: 0.03°) ausgewählt und mit der auf den Scanner registrierten Kamera (Canon Eos 350D mit 20mm Weitwinkelobjektiv) fotografiert. Die RGB-Werte der Digitalfotos sollen später mit den Reflektanzwerten des Laserscans zu einem vier-Kanal-Datensatz vereinigt werden. Auf diesen Datensatz werden dann verschiedene Klassifikationsalgorithmen angewandt die es ermöglichen sollen sowohl die Mineralanteile am Matrixgestein (Granodiorit, noch gehöhrig zum Capanne-Pluton) als auch den Anteil der Xenolithe und Großfeldspäte (Plagioklas) an der Gesamtfestgsteinsmasse zu berechnen. Dabei werden verschiedene Klassifikationsalgorithmen hinsichtlich ihrer Klassifikationsergebnisse verglichen:

Supervised Classification: Maximum Likelihood Classifier, CART
Unsupervised Classification: ISODATA, k-means

Die Klassifikation soll mit der Software „ERDAS IMAGINE“ durchgeührt werden. Zum Vergleich der Klassifikationsergebnisse wird ein Accuracy Assessment durchgeführt in deren Rahmen Omission, Producer’s Error und Khat als Indikatoren der Klassifikationsperformanz herangezogen werden sollen. Alle an diesem Standort gewonnenen Punktwolken sollen außerdem in ein einheitliches Koordinatensystem überführt werden, was eine Registrierung der einzelnen Punktwolken aufeinander ermöglicht.

Cut & Fill-Analyse Acqua Viva (Standort 3c)

Räumliche Abgrenzung
Bei dem Standort „Acqua Viva“ handelt es sich um eine kleine Felswand aus Hornstein. Die geographischen Koordinaten lauten: 42° 47’ 17.64“ N 10° 23’ 44.67“ E

Fragestellung & (geplante) Vorgehensweise
Neben dem von uns am 19.09.09 durchgefürten Scan verfügen wir über einen Scan vom 01.04.09. Mit Hilfe einer Cut&Fill-Analyse soll das Volumen der in der Zwischenzeit aufgetretenen gravitativen Massenbewegungen quantifiziert werden. Alle an diesem Standort gewonnenen Punktwolken sollen außerdem in ein einheitliches Koordinatensystem überführt werden, was eine Registrierung der einzelnen Punktwolken aufeinander ermöglicht.

Bibliographie (Auswahl) Gruppe Festgestein:

Jensen, John, R. (2004): Introductory Image Processing. Prentice Hall Series in Geographic Information Science. Pearson Prentice Hall. Upper Saddle River. New Jersey. USA.
Kurz, T. H. et al. (2008): Geological outcrop modelling and interpretation using ground based hyperspectral and laser scanning data fusion. Paper presented at the XXIth Congress of the ISPRS in Beijing. International Archives of Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Science, Volume XXXVII.
Waldeck,H. (1986): Die Insel Elba und die kleineren Inseln des Toskanischen Archipels. SAmmlung geologischer Führer 64. Gbr. Horntraeger. Berlin. Stuttgart.