A multi-river contactless airborne river bathymetry dataset

Um einen Fluss zu verstehen, muss man unter die Oberfläche blicken. Für Wissenschaftler, die Überschwemmungen untersuchen, Wasserressourcen verwalten oder verfolgen, wie sich Landschaften verändern, ist die Form des Flussbettes ebenso wichtig wie das darüber fließende Wasser. Diese verborgene Landschaft, bekannt als Bathymetrie, bestimmt, wie schnell Wasser fließt, wo es sich sammelt und wie hoch es bei einem Sturm ansteigt. Traditionell war die Kartierung dieses Unterwasserreliefs eine langsame, schwierige und oft gefährliche Aufgabe. Sie erforderte meist, dass Menschen in das Wasser wateten, auf Boote kletterten oder schwere Ausrüstung in die Strömung ließen. Diese Methoden sind durch die Wassertiefe, die Fließgeschwindigkeit und die Zugänglichkeit der Ufer begrenzt. In vielen abgelegenen oder gefährlichen Gebieten war es daher nahezu unmöglich, diese entscheidenden Daten zu erheben, was Lücken in unserem Verständnis darüber hinterließ, wie Flüsse sich verhalten.

Eine neue Studie bietet einen anderen Weg, um zu sehen, was darunter liegt. Forscher aus Universitäten und Instituten aus ganz Europa und Afrika haben eine große, offene Sammlung von Fluss-Tiefenmessungen erstellt, die aufgenommen wurden, ohne jemals das Wasser zu berühren. Mithilfe von Drohnen, die mit speziellen Sensoren ausgestattet waren, flogen sie über sieben verschiedene Flüsse und erstellten detaillierte Karten der Flussbetten aus der Luft. Das Team stellte fest, dass diese kontaktlosen Methoden bemerkenswert gut funktionieren und die Genauigkeit traditioneller Bodenuntersuchungen erreichen, während sie gleichzeitig Orte erreichen können, die für Boote und Menschen unzugänglich sind. Indem die Forscher diese Daten der Öffentlichkeit frei zugänglich gemacht haben, haben sie ein wertvolses Werkzeug zur Verbesserung von Hochwasservorhersagen, zum Verständnis der Flussökologie und zur Verfeinerung der Computermodelle bereitgestellt, die uns bei der Verwaltung unserer Wasserressourcen helfen.

Das Projekt begann mit einem einfachen, aber ehrgeizigen Ziel: qualitativ hochwertige Tiefendaten aus einer Vielzahl von realen Flüssen zu sammeln. Zwischen Ende 2023 und Mitte 2025 untersuchte das Team 81 spezifische Querschnitte in sieben Flüssen in Schweden, Deutschland, Italien, Benin und Nigeria. Diese Flüsse variieren stark in Größe und Charakter, von den kalten, klaren Gewässern des Torne-Flusses im Norden bis hin zu den wärmeren, sedimentreichen Kanälen des Ogun-Flusses in Westafrika. Das Ziel war nicht nur, einige wenige Messungen vorzunehmen, sondern einen umfassenden Datensatz aufzubauen, der dazu genutzt werden kann, die Kartierung von Flüssen aus der Luft zu testen und zu verbessern.

Um dies zu erreichen, setzte das Team eine Flotte von Drohnen ein, primär die DJI Matrice 300, die zwei Haupttypen von Sensoren trug. Der erste war ein wasserdurchdringendes Radarsystem, das elektromagnetische Wellen durch die Luft und das Wasser sendet. Wenn diese Wellen auf die Wasseroberfläche treffen, wird ein Teil sofort reflektiert, während der Rest durch das Wasser wandert, auf das Flussbett trifft und wieder nach oben reflektiert wird. Durch die Messung des winzigen Zeitunterschieds, den es dauert, bis diese beiden Signale zurückkehren, kann das System die Wassertiefe berechnen. Der zweite Sensor war ein Sonargerät, das statt Radiowellen Schallwellen verwendet. Im Gegensatz zum Radar muss das Sonar in direktem Kontakt mit dem Wasser stehen und hängt an einer Leine unter der Drohne. Die Forscher nutzten beide Methoden, um ihre Ergebnisse zu vergleichen, wobei sie die Sonarmessungen und die traditionellen Bodenmessungen als bekannten Standard verwendeten, um die Genauigkeit der neuen Radartechnik zu überprüfen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die drohnenbasierte Radarmethode hocheffektiv ist. In den Abschnitten, in denen das Team die Drohendaten mit Bodenmessungen vergleichen konnte, die von Menschen mit hochpräzisen GPS-Geräten durchgeführt wurden, lagen die Radarmessungen sehr nah an den Werten. Der Unterschied zwischen der Drohnenmessung und der Bodenwahrheit betrug typischerweise etwa 12 Zentimeter, wobei die meisten Fehler noch kleiner waren. Diese Genauigkeit ist für viele wichtige Anwendungen ausreichend, wie etwa für die Planung von Hochwasserschutzanlagen oder die Modellierung der Wasserbewegung durch einen Kanal. Die Studie bestätigte auch, dass die Radarmethode deutliche Vorteile gegenüber dem Sonar hat. Da das Radar das Wasser nicht berühren muss, kann es über schnell fließende Strömungen und Bereiche mit dichtem Unterwasserbewuchs fliegen, in denen ein an einer Leine hängendes Sonar Schwierigkeiten hätte oder sich verfangen könnte.

Dennoch stellten die Forscher auch fest, dass die Radarmethode nicht in jeder Situation perfekt ist. Ihre Fähigkeit, das Flussbett zu erfassen, hängt stark von den elektrischen Eigenschaften des Wassers ab. In Flüssen mit sehr hohen Anteilen an gelösten Salzen oder Mineralien können die Radarsignale absorbiert werden, bevor sie den Boden erreichen, was es schwierig macht, eine Messung zu erhalten. Das Team fand heraus, dass die Leistung des Radars signifikant sinkt, wenn die elektrische Leitfähigkeit des Wassers zu hoch wird. Im Gegensatz dazu sind Sonar und traditionelle Bodenuntersuchungen von diesem Problem nicht betroffen. Das bedeutet, dass die Radarmethode zwar ein leistungsstarkes Werkzeug für viele Flüsse ist, aber am besten in Wasser funktioniert, das relativ frisch und frei von bestimmten Mineralien ist.

Der von dem Team veröffentlichte Datensatz ist mehr als nur eine Sammlung von Zahlen; er ist eine Ressource, die anderen Wissenschaftlern und Ingenieuren helfen soll. Die Daten enthalten nicht nur die Tiefenmessungen, sondern auch die präzise Position jedes Punktes, was es Nutzern ermöglicht, die dreidimensionale Form des Flussbettes zu rekonstruieren. Zum ersten Mal haben Forscher Zugang zu einem großen Satz von Flussprofilen aus verschiedenen Kontinenten, die mit derselben modernen Technologie erhoben wurden. Dies ermöglicht einen direkten Vergleich darüber, wie sich verschiedene Flüsse verhalten und wie verschiedene Messverfahren unter verschiedenen Bedingungen abschneiden. Die Daten werden bereits verwendet, um neue Wege zur Schätzung des Flussabflusses aus dem Weltraum zu testen und die Computermodelle zu verbessern, die Überschwemmungen vorhersagen.

Indem sie bewiesen haben, dass Drohnen Flussbetten genau kartieren können, ohne das Wasser zu berühren, öffnet diese Studie die Tür zu einer häufigeren und sichereren Überwachung unserer Wasserwege. Flüsse verändern sich ständig, geformt durch Erosion, Sedimentation und menschliche Aktivitäten. In der Lage zu sein, diese Veränderungen schnell und sicher zu kartieren, ist entscheidend, um Gemeinschaften zu schützen und Wasserressourcen effektiv zu verwalten. Der Erfolg dieses Projekts deutet darauf hin, dass wir in naher Zukunft in der Lage sein könnten, unsere Karten der Flüsse der Welt so einfach zu aktualisieren, wie wir unsere Wettervorhersagen aktualisieren, indem wir den Himmel nutzen, um zu sehen, was darunter liegt.