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Analysis of the spatio-temporal development of snow surface wetness in a high alpine area using terrestrial laser scanning reflectivity
Katharina Maria Knöbl
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Interdisziplinäres Masterstudium Environmental Sciences
Betreuer*in
Martin Mergili
DOI
10.25365/thesis.54601
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-18495.87191.800561-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Schneedecken in den Gebirgen verändern sich kontinuierlich, was es besonders schwierig macht ihren genauen Zustand und ihr Zusammensetzung zu bestimmen. Ein Indikator zur Bestimmung des Schmelzzustandes von Schnee ist der liquid water content (LWC). Obwohl der LWC ein wichtiger Indikator für die Nassschneemetamorphose und die Stabilität der Schneedecke ist, ist es mit den aktuellen Methoden nach wie vor eine Herausforderung, den LWC über große Flächen zu bestimmen. Ziel dieser Studie ist es, eine effizientere und genauere Schnee-Nässe-Analyse unter Verwendung des Terrestrischen Laserscan (TLS) Reflektivitäts Signals zu schaffen.
Zu diesem Zweck wurde die TLS Reflektivität der Schneeoberfläche untersucht und mit konventionellen Messungen mit einem dielektrischen Gerät (Denoth Meter) verglichen. TLS ist eine aktive Fernerkundungstechnologie, die selbst in gebirgigem Gelände und auf Schneeoberflächen genaue Daten mit hoher räumlicher Auflösung liefert. Das reflektierte Lasersignal liefert Informationen über die Oberflächengeometrie und die Reflexionseigenschaften. Die Kombination von 3D-Ortsdaten mit der TLS Reflektivität der Schneeoberfläche auf einer hyper-temporalen Skala bietet eine Methode zur LWC Bestimmung ohne dabei die Schneedecke zu zerstören und sich auf lawinengefährdete Hänge zu begeben. Außerdem können Veränderungen erfasst werden und der Einsatz ist über große Gebiete möglich.
Die Feldforschung bestand aus simultanen TLS-Aufnahmen (RIEGL VZ-4000 bei einer Wellenlänge von λ 1550 nm und VZ-6000 bei NIR λ 1064 nm) und in-situ Schneeproben an zehn Standorten entlang eines Ost-West Transekts am Weißsee im Kaunertaler Gletscherskigebiet in Österreich (2500 m). Das Denoth Messgerät wurde für in situ LWC Messungen verwendet. Es wurde mindestens zweimal am Tag gescannt und die Feldkampagnen wurden mit Sentinel-1A / B Satellitenüberflügen koordiniert.
Ergebnisse zeigten, dass TLS Reflektivität verwendet werden kann, um Nassschneegebiete, basierend auf dem unterschiedlichen spektralen Reflexionsvermögen, zu kartieren. Nasser Schnee hat eine niedrigere TLS Reflektivität bei NIR Wellenlängen, als trockener Schnee. In situ LWC Proben, die mit dem Denoth Messgerät gemessen wurden, und TLS Reflektivität korrelieren gut. Die Reflektivität an der Schneeoberfläche nimmt, aufgrund von zunehmendem LWC, von März bis Mai täglich und saisonal ab. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass der TLS, mit einer Wellenlänge von λ 1550 nm, in der Lage ist, mäßig nasse Schneeoberflächen aufzunehmen. Somit bietet dieser TLS eine breite Palette an Anwendungsmöglichkeiten im angewandten Bereich, wie z.B. für Entschärfungsmaßnahmen auf Lawinenhängen und für hydrologische Zwecke, da seine Wellenlänge augensicher ist. Die Erkenntnisse sind für schneehydrologische Anwendungen zur Überwachung alpiner Wasserressourcen und des Schmelzwasserabflusses für Hochwasservorhersagen, zur Validierung der Schneedeckendynamik von hydrologischen Modellen und für das Wasserkraftmanagement von Bedeutung.
Abstract
(Englisch)
As the snow packs in mountainous regions are subject to constant change the accurate assessment of snow properties is important, but challenging. One indicator that provides information about the state of snow melting is the liquid water content (LWC). Even though LWC is an important indicator for wet snow metamorphism and snow pack stability, it remains a challenge to measure LWC over large areas with current methods. The major aim of this study is to build a basis for more efficient and accurate snow wetness analysis using terrestrial laser scanning (TLS) reflectivity.
For this purpose the TLS snow surface reflectivity was explored and compared to conventional measurements with a dielectric device (Denoth meter). TLS is an active remote sensing technology capable of providing accurate, high spatial resolution data even in mountainous terrain and on snow surfaces. The reflected laser signal provides information of the surface geometry and reflectivity properties. The combination of 3D locational data with TLS snow reflectivity on a hyper-temporal scale provides a tool for non-destructive LWC measurement and change detection on avalanche prone slopes and over large areas.
Fieldwork consisted of concurrent TLS acquisitions (RIEGL VZ-4000 operating at a wavelength of λ 1550 nm and VZ-6000 operating at NIR λ 1064 nm) and in situ snow sampling at ten locations along an east west transect at Lake Weisssee within the Kaunertal Glacier Ski Resort, Austria (2500 m a.s.l.). The Denoth meter was used for LWC measurements. It was scanned at least two times a day and the field campaigns were coordinated with Sentinel-1A/B satellite overflights.
It was found that TLS reflectivity data could be used to map wet snow areas based on the different spectral reflectance. Wet snow has a lower TLS reflectivity at NIR wavelengths than dry snow. In situ LWC samples measured with the Denoth meter correlate well with TLS reflectivity. Reflectivity at the snow surface decreases diurnally and seasonally from March to May because of increasing LWC. Furthermore, results show that the TLS operating at λ 1550 nm is capable to record moderately wet snow surfaces. Thus, this TLS provides a wide range of application options to practitioners for avalanche defence and hydrological purposes because its operating wavelength is eye safe. The findings are of significance for snow hydrological applications to monitor alpine water resources, avalanche terrain, melt water run-off for flood forecasting, to validate snowpack dynamics of hydrological models and for hydropower management.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
LiDAR Terrestrial laser scanning reflectivity wet snow liquid water content
Schlagwörter
(Deutsch)
LiDAR Terrestrisches Laserscanning Reflektivität Schnee Wassergehalt Nassschnee
Autor*innen
Katharina Maria Knöbl
Haupttitel (Englisch)
Analysis of the spatio-temporal development of snow surface wetness in a high alpine area using terrestrial laser scanning reflectivity
Paralleltitel (Deutsch)
Analyse der räumlich-zeitlichen Entwicklung von Nassschneedecken in einem hochalpinen Gebiet unter Verwendung von Terrestrischer Laserscanning Reflektivität
Publikationsjahr
2018
Umfangsangabe
xvi, 90 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Martin Mergili
AC Nummer
AC15222432
Utheses ID
48257
Studienkennzahl
UA | 066 | 299 | |