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Einsatzmöglichkeiten der flugzeuggetragenen Laser-Scanner Ch. Briese, K. Kraus, G. Mandlburger, N. Pfeifer Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Wien Einleitung Mit dem flugzeuggetragenen Laser-Scanner kam ein stark automatisiertes Aufnahme- und Auswerteverfahren auf den Markt. Der Laser-Scanner liefert nämlich – GPS (Global Positioning System) und IMU (Inertial Measurement Unit) gestützt – von einer dichten Punktwolke die dreidimensionalen Koordinaten im Landessystem. Infolge des hohen Automationsgrades sind auch die Kosten sehr günstig, selbstverständlich nur für Gebiete, die eine gewisse Größe – grob gesagt: einige Quadratkilometer – nicht unterschreiten. Die Laser-Distanzmessung ist eine Impulslaufzeitmessung. Die dreidimensionalen Koordinaten beziehen sich auf die Oberflächenelemente, die die Laserstrahlen reflektieren. Reflektionen erfolgen an Oberflächen, die sich dem jeweiligen Laserstrahl "in den Weg stellen", es können sein: - die Blätter oder Äste der Bäume, - die Kamine und Antennen auf den Hausdächern, - die Masten der Straßenbeleuchtungen, - die Dächer der Fahrzeuge, - die Oberfläche der Grasdecke, aber auch - die Ackeroberfläche, - das Gelände bei nicht zu dichter Vegetation, - die von Fahrzeugen freie Straßenoberfläche. Die Ableitung relevanter Oberflächenmodelle aus diesen heterogenen Daten ist die große Herausforderung für ein Universitätsinstitut. Neben anderen Gruppen hat unser Institut, das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (I.P.F.), in den letzten Jahren intensiv auf diesem Gebiet geforscht und entwickelt. Eine praxisorientierte Sicht auf die inzwischen erzielbaren Ergebnisse soll in diesem Beitrag präsentiert werden, wobei eine projektbezogene Gliederung gewählt wird. Außerdem sei auf eine einschlägige Publikation des I.P.F. verwiesen: Kraus/Pfeifer, 1998. 1. Wienerwald (Projektträger: Magistratsabteilung 41 der Stadt Wien) Über dieses Projekt wurde im Detail bereits berichtet (Kraus et al., 1997). Es war das erste Laser-Pilotprojekt, das am I.P.F. bearbeitet wurde. Es war Anlass, die Filtermethode den spezifischen Eigenschaften der Lasermessungen in bewaldeten Gebieten anzupassen, d.h. eine schiefe Fehlerverteilung in die Interpolation und Filterung nach kleinsten Quadraten zur Ableitung eines digitalen Geländemodells (DGMs) einzuführen (Kraus, 1997). Vor kurzem wurde dieses Projekt in zweifacher Hinsicht erweitert: Es wurde von einem kleinen Testgebiet ein zweiter Flug mit einer wesentlich höheren Punktdichte durchgeführt, um die dadurch erzielbare Qualitätssteigerung feststellen zu können. Nachdem die aus Laserdaten abgeleiteten DGMe - wegen der fehlenden geomorphologischen Strukturlinien – in Tälern unbefriedigend sind, war eine Methode zur Beseitigung der zwangsläufig entstehenden künstlichen Mulden gesucht. 2.1 Qualitätssteigerung durch eine höher Punktdichte Beim Flug 1999 wurde der TopoSys-Scanner eingesetzt, der eine Punktdichte in Flugrichtung von 0.20 m und quer zur Flugrichtung von 1,7 m lieferte. (Beim Flug 1996 war der Topscan-Scanner mit einem mittleren Punktabstand von 3.1 m im Einsatz.) Die Abbildung 2-1 zeigt die offensichtliche Qualitätssteigerung. Links sind die Originaldaten des Fluges 1999 als Schräglichtschummerung wiedergegeben, in der Mitte das aus diesen Daten abgeleitete DGM und rechts zum Vergleich das DGM aus dem Flug 1996. (Diese Abbildungen und die folgenden Abbildungen wurden mit SCOP hergestellt; SCOP wird von der INPHO, Stuttgart, und dem I.P.F. gemeinsam entwickelt.) Abb.2-1: Originaldaten 1999 (einem 1m-Raster zugeordnet)/davon abgeleitetes DGM 1999/DGMaus dem Flug 1996 Die absolute Genauigkeit wurde mittels 271 Kontrollpunkten, die terrestrisch von der MA41 bestimmt wurden, ermittelt. Der mittlere Höhenfehler verbesserte sich von ±29 cm auf ±18 cm. Die Kosten für eine großräumige Befliegung, die der Punktdichte des 1996er Fluges entspricht, betragen heutzutage etwa 200 EUR/km 2 , für eine großräumige Befliegung, die der Punktdichte des 1999er Fluges entspricht, etwa 800 EUR/km 2 . (Diese Zahlen hat Herr Dipl.-Ing. Brockmann, Bundesanstalt für Gewässerkunde in Koblenz, anlässlich des Universitätslehrganges "Photogrammetrie und Fernerkundung im Dienste der Hydrologie" vom 27. 9. – 29. 9. 2000 am I.P.F. bekannt gegeben.) Für die Nachbearbeitung, insbesondere die Elimination der Vegetationspunkte, ist noch – abhängig vor allem von der Punktdichte und des Durchdringungsgrades – ein zusätzlicher Betrag zwischen 100 und 200 EUR/km 2 anzunehmen. Mit diesem Projekt wurde unter Beweis gestellt, dass die topographische Geländeaufnahme in bewaldeten Gebieten in einer sehr hohen Qualität auf 2.

Einsatzmöglichkeiten der flugzeuggetragenen Laser-Scanner · Beim Flug 1999 wurde der TopoSys-Scanner eingesetzt, der eine Punktdichte in Flugrichtung von 0.20 m und quer zur Flugrichtung

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Page 1: Einsatzmöglichkeiten der flugzeuggetragenen Laser-Scanner · Beim Flug 1999 wurde der TopoSys-Scanner eingesetzt, der eine Punktdichte in Flugrichtung von 0.20 m und quer zur Flugrichtung

Einsatzmöglichkeiten der flugzeuggetragenen Laser-Scanner

Ch. Briese, K. Kraus, G. Mandlburger, N. PfeiferInstitut für Photogrammetrie und Fernerkundung der TU Wien

Einleitung

Mit dem flugzeuggetragenen Laser-Scanner kam ein stark automatisiertes Aufnahme- und Auswerteverfahren auf den Markt. Der Laser-Scanner liefert nämlich – GPS(Global Positioning System) und IMU (Inertial Measurement Unit) gestützt – von einer dichten Punktwolke die dreidimensionalen Koordinaten im Landessystem. Infolgedes hohen Automationsgrades sind auch die Kosten sehr günstig, selbstverständlich nur für Gebiete, die eine gewisse Größe – grob gesagt: einige Quadratkilometer –nicht unterschreiten.

Die Laser-Distanzmessung ist eine Impulslaufzeitmessung. Die dreidimensionalen Koordinaten beziehen sich auf die Oberflächenelemente, die die Laserstrahlenreflektieren. Reflektionen erfolgen an Oberflächen, die sich dem jeweiligen Laserstrahl "in den Weg stellen", es können sein:- die Blätter oder Äste der Bäume,- die Kamine und Antennen auf den Hausdächern,- die Masten der Straßenbeleuchtungen,- die Dächer der Fahrzeuge,- die Oberfläche der Grasdecke,aber auch- die Ackeroberfläche,- das Gelände bei nicht zu dichter Vegetation,- die von Fahrzeugen freie Straßenoberfläche.

Die Ableitung relevanter Oberflächenmodelle aus diesen heterogenen Daten ist die große Herausforderung für ein Universitätsinstitut. Neben anderen Gruppen hat unserInstitut, das Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung (I.P.F.), in den letzten Jahren intensiv auf diesem Gebiet geforscht und entwickelt. Eine praxisorientierteSicht auf die inzwischen erzielbaren Ergebnisse soll in diesem Beitrag präsentiert werden, wobei eine projektbezogene Gliederung gewählt wird. Außerdem sei auf eineeinschlägige Publikation des I.P.F. verwiesen: Kraus/Pfeifer, 1998.

1.

Wienerwald (Projektträger: Magistratsabteilung 41 der Stadt Wien)

Über dieses Projekt wurde im Detail bereits berichtet (Kraus et al., 1997). Es war das erste Laser-Pilotprojekt, das am I.P.F. bearbeitet wurde. Es war Anlass, dieFiltermethode den spezifischen Eigenschaften der Lasermessungen in bewaldeten Gebieten anzupassen, d.h. eine schiefe Fehlerverteilung in die Interpolation undFilterung nach kleinsten Quadraten zur Ableitung eines digitalen Geländemodells (DGMs) einzuführen (Kraus, 1997).

Vor kurzem wurde dieses Projekt in zweifacher Hinsicht erweitert:

Es wurde von einem kleinen Testgebiet ein zweiter Flug mit einer wesentlich höheren Punktdichte durchgeführt, um die dadurch erzielbare Qualitätssteigerungfeststellen zu können.

Nachdem die aus Laserdaten abgeleiteten DGMe - wegen der fehlenden geomorphologischen Strukturlinien – in Tälern unbefriedigend sind, war eine Methode zurBeseitigung der zwangsläufig entstehenden künstlichen Mulden gesucht.

2.1 Qualitätssteigerung durch eine höher Punktdichte

Beim Flug 1999 wurde der TopoSys-Scanner eingesetzt, der eine Punktdichte in Flugrichtung von 0.20 m und quer zur Flugrichtung von 1,7 m lieferte. (Beim Flug 1996war der Topscan-Scanner mit einem mittleren Punktabstand von 3.1 m im Einsatz.) Die Abbildung 2-1 zeigt die offensichtliche Qualitätssteigerung. Links sind dieOriginaldaten des Fluges 1999 als Schräglichtschummerung wiedergegeben, in der Mitte das aus diesen Daten abgeleitete DGM und rechts zum Vergleich das DGM ausdem Flug 1996. (Diese Abbildungen und die folgenden Abbildungen wurden mit SCOP hergestellt; SCOP wird von der INPHO, Stuttgart, und dem I.P.F. gemeinsamentwickelt.)

Abb.2-1: Originaldaten 1999 (einem 1m-Raster zugeordnet)/davon abgeleitetes DGM 1999/DGMaus dem Flug 1996

Die absolute Genauigkeit wurde mittels 271 Kontrollpunkten, die terrestrisch von der MA41 bestimmt wurden, ermittelt. Der mittlere Höhenfehler verbesserte sich von±29 cm auf ±18 cm.

Die Kosten für eine großräumige Befliegung, die der Punktdichte des 1996er Fluges entspricht, betragen heutzutage etwa 200 EUR/km2, für eine großräumige

Befliegung, die der Punktdichte des 1999er Fluges entspricht, etwa 800 EUR/km2. (Diese Zahlen hat Herr Dipl.-Ing. Brockmann, Bundesanstalt für Gewässerkunde inKoblenz, anlässlich des Universitätslehrganges "Photogrammetrie und Fernerkundung im Dienste der Hydrologie" vom 27. 9. – 29. 9. 2000 am I.P.F. bekannt gegeben.)Für die Nachbearbeitung, insbesondere die Elimination der Vegetationspunkte, ist noch – abhängig vor allem von der Punktdichte und des Durchdringungsgrades – ein

zusätzlicher Betrag zwischen 100 und 200 EUR/km2 anzunehmen.

Mit diesem Projekt wurde unter Beweis gestellt, dass die topographische Geländeaufnahme in bewaldeten Gebieten in einer sehr hohen Qualität auf

2.

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wirtschaftliche Weise mittels Laser-Scanner bewältigt werden kann.

2.2 Muldenelimination entlang der Täler

Entlang der Täler treten – da in Laser-Scanner-Daten keine digitalisierten Tallinien enthalten sind – zwangsläufig künstliche Mulden im DGM auf. Außerdem ist infolgedes im allgemeinen sehr dichten Baum- und Strauchbestandes entlang der Täler die Genauigkeit der DGMe in der Regel geringer als in den Bereichen oberhalb der Täler.Hydrologische Anwendungen zum Beispiel sind aber besonders an einem hochwertigen DGM in den Tälern interessiert. Gaijski (Universität Zagreb) und Rieger (AVT,Wien) haben in der SCOP-Programmierumgebung eine Methode entwickelt (Unterlagen zum Universitätslehrgang "Photogrammetrie und Fernerkundung im Dienste derHydrologie" vom 27. 9. bis 29. 9. 2000 am I.P.F.), die die entlang der Täler in einem Laser-DGM zwangsläufig entstehenden künstlichen Mulden beseitigt, indem die sogenannten Muldenpfade abgesenkt werden. Abbildung 2-2 zeigt einen Ausschnitt des Laser-DGMs aus dem Wienerwald mit zahlreichen künstlichen Mulden in denTälern. Abb. 2-3 zeigt den gleichen Ausschnitt nach der automatisierten geomorphologischen Verbesserung.

Abb.2-2: Laser DGM (Schräglichtschummerung mit Höhenstufen) mit künstlichen Mulden entlang der Täler

Abb.2-3: DGM nach Elimination der künstlichen Mulden

Mit diesem Algorithmus steht ein Verfahren zur Verfügung, das auch in Tälern mit dichtem Baum- und Strauchbestand geomorphologisch sehr hochwertigeDGMe liefert.

Aulandschaft an der Donau (Projektträger: Wasserstraßendirektion Wien)

Die Wasserstraßendirektion hat sich gefragt, inwieweit mit Laser-Scannern ein qualitativ hochwertiges DGM im dichten Auwald erstellt werden kann. Zur Beantwortungdieser Frage hat die Wasserstraßendirektion von TopoSys die "Au" an der Donau unterhalb Wiens befliegen lassen. Aus verschiedenen Gründen wurde der Flug in zweizeitlich versetzten Missionen durchgeführt. Obwohl nicht beabsichtigt, konnte mit diesen Daten auch die Frage beantwortet werden, inwieweit sich das Flugdatum auf dieQualität der Ergebnisse auswirkt. Abbildung 3-1 (links und mitte) zeigt die Originaldaten; an der "Datumsgrenze" ändert sich – wie aus der Schräglichtschummerung gutersichtlich – die Durchdringungsrate sprunghaft. Am 23. 4. 1999 war in diesem Gebiet der Laubausbruch mehr oder weniger abgeschlossen, während am 26./27. 3. 1999ein wesentlich höherer Anteil der Laserstrahlen zum Boden vordringen konnte.

3.

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Abb. 3-1: Originaldaten 26./27.3.1999/Originaldaten 23.4.1999 /DGM 23.4. 1999

Am I.P.F. wurden die Daten gefiltert (Abb.3-1, rechts, zeigt ein aus dem ungünstigen April-Flug abgeleitetes DGM). Aufgrund von 108 Kontrollpunkten, die dieWasserstraßendirektion zur Verfügung gestellt hat, wurden die Genauigkeiten der DGMe ermittelt. Im Gebiet des März-Fluges ergab sich eine Standardabweichung von±19 cm, im Gebiet des April-Fluges eine Standardabweichung von ±31 cm.

Mit diesem Projekt wurde unter Beweis gestellt, dass auch im dichten Auwald mit Laser-Scannern qualitativ hochwertige DGMe erstellt werden können.Allerdings sollte man die Befliegung vor dem Laubausbruch durchführen.

Grenzoder (Projektträger: Bundesanstalt für Gewässerkunde, Koblenz, sowie das Landesvermessungsamt und das Landesumweltamt in Brandenburg,Potsdam)

In diesem Gebiet ist der Hochwasserschutz von großer Bedeutung. Man entwickelt Wasserstandvorhersagemodelle. Zu diesem Zweck benötigt manein DGM im Flussvorland einschließlich des komplizierten Buhnenbereiches,ein DGM der Flusssohle undein Digitales Wasserspiegel-Modell (DWM).

Im Folgenden wird nur auf die Ableitung des Buhnen-DGMs und des DWMs aus Laserdaten eingegangen.

Die Befliegung wurde von der Firma Topscan im November 1999 bei Niedrigwasser mit einem durchschnittlichen Punktabstand von etwa 2 m durchgeführt. Zunächstwurde das DWM ermittelt. Zu diesem Zweck wurden die Laserpunkte innerhalb einer Pufferzone von ±30 m entlang der koordinatenmäßig bekannten Achse der Oderausgewählt. Anschließend wurden durch Mittelbildungen repräsentative Höhen im Abstand von 100 m entlang der Flussachse ermittelt. Damit lagen die Voraussetzungenzur Ermittlung des DWMs vor, mittels eines Verfahrens, das G. Mandlburger (2000) im Detail beschrieben hat. Die Genauigkeit dieser Wasserspiegelfixierungen liegenetwa bei ±10 cm.

Anschließend wurde mit allen Laser-Punkten – einschließlich der ursprünglichen Laser-Punkte auf der Wasseroberfläche – ein Oberflächenmodell berechnet. Von diesemOberflächenmodell wurde das DWM, das zur Erreichung eines Verschnittes vorher um 20 cm angehoben wurde, mit SCOP-INTERSECT subtrahiert. Die Nulllinie diesesDifferenzenmodelles ist die gesuchte Wasser-Land-Grenze (WLG). Abbildung 4-1 zeigt die auf diese Weise automatisiert gefundene WLG. Mit dieser WLG können dieauf den Buhnen liegenden Laser-Punkte ausgewählt werden.

Abb.4-1: Wasser-Land-Grenze (WLG) gemeinsam mit einem digitalen Orthophoto

Damit liegen die Voraussetzungen für die Modellierung der Buhnen vor. Abbildung 4-2 zeigt eine geschummerte Buhne mit einem 20 cm Höhenlinienintervall.Abbildung 4-3 zeigt die gleiche Buhne in Form von Querprofilen.

4.

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Abb.4-2: Geschummertes DGM einer Buhne, Laserpunkte in schwarz, 20 cm Höhenlinienintervall

Abb.4-3: Querprofile der in der Abb.4-3 wiedergegebenen Buhne

Mit diesem Projekt wurde der Beweis erbracht, dass aus Laser-Daten auch Wasseroberflächen mit einer Genauigkeit im Dezimeter-Bereich und kompliziertverlaufende Wasser-Land-Grenzen – konkret: unter Beachtung der Buhnen – ermittelt werden können.

Wien-Erdberg (Projektträger: Magistratsabteilung 41 der Stadt Wien)

Mit diesem Projekt wurde einerseits die Problemstellung einer DGM-Ermittlung in verhältnismäßig dicht bebauten Gebieten behandelt. Andererseits war von Interesse,inwieweit aus Laser-Scanner-Daten digitale Stadtmodelle erstellt werden können.

Es wurde die Firma TopoSys mit dem Flug beauftragt. Der Punktabstand in Flugrichtung betrug 10 cm, quer zur Flugrichtung 97 cm. Mit SCOP wurde daraus zunächstein Oberflächenmodell mit einem 0.5 m-Raster gebildet (Abb. 5-1).

5.

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Abb. 5-1: Perspektive eines Oberflächenmodells mit einem 0.5m-Raster

Man erkennt eine detailreiche Modellierung der Gebäude; auf den Straßen sieht man die parkenden Autos; im Vordergrund befindet sich ein Park mit Bäumen. Es wareine große Herausforderung, aus diesen Daten die Gebäude, Bäume, Autos, etc. zu eliminieren. Die Herren Briese und Pfeifer haben in der SCOP-Umgebung eine aufsolche Datensätze zugeschnittene Filtermethode entwickelt, die demnächst publiziert werden wird. Das Ergebnis für den Ausschnitt 5-1 zeigt Abbildung 5-2.

Abb.5-2: Perspektivansicht des aus den Daten der Abb. 5-1 abgeleiteten DGMs; manuell wurden lediglich eine Böschungsoberkante und eine Böschungsunterkanteeingeführt

In dem gesamten Gebiet von 2.5 km2 wurden 816 Kontrollpunkte von der MA41 bestimmt. Das DGM besitzt folgende Höhengenauigkeiten (Standardabweichungen):

Im Gesamtgebiet ±7,1 cm.Im Park mit dichtem Baumbestand ±11,1 cm.Im Park mit lückigem Baumbestand ±7,8 cm.Im Park im offenen Gelände ±4,5 cm.Auf den Straßen mit parkenden Autos ±3,7 cm.Im Straßenbereich ohne Autos ±1,0 cm.

Die zuletzt genannte Genauigkeit eines Laser-DGMs ist – auf den ersten Blick – nicht vorstellbar, in Anbetracht dessen, dass der Laser für eine Einzelmessung nur eineGenauigkeit von etwa ±5 cm besitzt. Infolge der hohen Punktdichte auf einer gut definierten und wenig gekrümmten Straßenoberfläche liefert die Interpolation undFilterung nach kleinsten Quadraten aber – wie aus theoretischen Überlegungen bekannt (Kraus 2000) – ein Oberflächenmodell, das deutlich genauer ist als dieEinzelmessung.

Mit diesem Projekt wurde der Beweis erbracht, dass aus Laser-Scanner-Daten auch in verhältnismäßig eng bebauten Gebieten sehr genaue DGMe abgeleitetwerden können.

Das Bilden von digitalen Stadtmodellen aus Laser-Scanner-Daten wurde – mit Ausnahme der Diplomarbeit (Briese, 2000) – am I.P.F. bisher nicht intensiv betrieben. Umvon Wien-Erdberg auch ein dreidimensionales digitales Stadtmodell aus Laser-Scanner-Daten zu bekommen, wurde das Institut für Photogrammetrie der UniversitätStuttgart mit dieser Arbeit beauftragt. Die angewandte Methode ist in der Veröffentlichung (Brenner, Haala, 2000) beschrieben. Es ist eine automatisierte Methode, dieaber noch einer manuellen Nachbearbeitung bedarf. Abb. 5-3 zeigt einen Ausschnitt, der bereits manuell überarbeitet wurde. Die Genauigkeit im Bereich der Dächer liegtbei ±1,3 m.

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Abb. 5-3: Dreidimensionales digitales Stadtmodell mit einer überlagerten Textur aus einem digitalen Orthophoto

Dreidimensionale digitale Stadtmodelle können in Zukunft aus Laser-Scanner-Daten abgeleitet werden. Auf diesem Gebiet forschen und entwickelngegenwärtig mehrere Gruppen.

Zusammenfassung

Der Laser-Scanner hat die Erstellung topographischer Modelle revolutioniert. Mit den vorgestellten Projekten sollte unter Beweis gestellt werden, dass diese moderneTechnik inzwischen eine beachtliche Ausreifung erlangt hat. Sie wird bereits in einem verhältnismäßig großen Umfang in der Praxis eingesetzt. AngekündigteWeiterentwicklungen – zum Beispiel die simultane Registrierung des ersten und letzten Impulses sowie die zusätzliche Aufzeichnung der Intensitäten des reflektiertenLaserstrahles – lassen erkennen, dass die Rolle des Laser-Scanners in absehbarer Zeit eine noch größere Rolle spielen wird.

Referenzen:

Brenner, C. , Haala, N.: Erfassung von 3D Stadtmodellen. Photogrammetrie/Fernerkundung/Geoinformation, Heft 2, S. 109-117, 2000.

Briese, Ch.: Digitale Modelle aus Laser-Scanner-Daten in städtischen Gebieten. Diplomarbeit am I.P.F., 2000.

Kraus, K., Hynst, E., Belada, P., Reiter, T.: Topographische Daten in bewaldeten Gebieten – ein Pilotprojekt mit Laser-Scanner-Daten. Österreichische Zeitschrift fürVermessung und Geoinformation 85, S. 174-181, 1997.

Kraus, K.: Eine neue Methode zur Interpolation und Filterung von Daten mit schiefer Fehlerverteilung. Österreichische Zeitschrift für Vermessung und Geoinformation85, S. 25-30, 1997.

Kraus, K., Pfeifer, N.: Determination of terrain models in wooded areas with airborne Laser scanner data. ISPRS-Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 53, pp.193-207, 1998.

Kraus, K.: Photogrammetrie, Band 3: Topographische Informationssysteme. Dümmler-Verlag, 2000.

Mandlburger, G.: Verdichtung von Echolot-Querprofilen unter Berücksichtigung der Flussmorphologie. Österreichische Zeitschrift für Vermessung und Geoinformation88, im Druck, 2000.

Dank: Die Grundlagenforschung zur Auswertung von Laser-Scanner-Daten wird vom Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung unter dem Projekt"Dreidimensionale Topographische Informationssysteme" (Projekt Nr. P14083-MAT) unterstützt.

6.