Der Abschluss des Marie-Curie Postdoc-Projekts «SmartWood_3D» naht
Innovative Smart-Sensoren und Structure-from-Motion Photogrammetrie erlauben neue Einblicke in Bewegungs- und Ablagerungsvorgänge von Holz in Fliessgewässern. Im Zuge des SmartWood_3D Forschungsprojekts wurden diese Methoden zur Erfassung der Schwemmholzdynamik (Rollen, Rotation, Anprall) und zur Bewertung von Verklausungscharakteristiken (Volumen, Porosität, strukturelle Anordnung) weiterentwickelt und zum ersten Mal im Naturmassstab angewandt. Die Daten werden derzeit fertig ausgewertet.
Es wurden 10 Smart-Sensoren speziell für dieses Forschungsprojekt entwickelt und in 4 m lange Baumstämme mit einem mittleren Durchmesser von rund 0.33 m installiert, um aus den Baumstämmen «SmartWood» zu machen. Während der Hochwasser im Sommer 2021 wurden zum ersten Mal SmartWood-Experimente im Naturmassstab an drei verschiedenen Schweizer Fliessgewässern; der Grossen Melchaa im Kanton Obwalden sowie der Thur und Limmat im Kanton Zürich, durchgeführt (Abbildung 1). Es konnte gezeigt werden, dass die Sensoren und SmartWood-Stämme den Anforderungen für den Einsatz im Feld entsprechen. Dabei wurden neuartige Daten über die Schwemmholzdynamik generiert, die derzeit ausgewertet werden.
Die gewonnenen Sensordaten erlauben die Abschätzung der Stammorientierung und Transportgeschwindigkeit aus den Trägheitsmessungen (Beschleunigung, Winkelgeschwindigkeit, magnetische Flussdichte), und zeigen darüber hinaus grosses Potential für die Rekonstruktion des zurückgelegten Transportpfads (IMU- und GPS-Daten). Des Weiteren liefern SmartWood-Daten neue Einblicke in resultierende Anprallkräfte von Schwemmholz, die durch Kollisionen mit flussbaulicher Infrastruktur, grossen Blöcken im Gewässer, oder Gewässerbegrenzungen entstehen.
Neben der Analyse der Bewegungsdynamik von Schwemmholz in Schweizer Flüssen wurden auch die Eigenschaften (z.B. Volumen, Porosität, strukturelle Anordnung) von Schwemmholzansammlungen im Feld untersucht. Dabei wurden intakte Schwemmholzansammlungen mittels Drohnenvermessung aus nächster Nähe aufgenommen. Beruhend auf dem Prinzip der Structure-from-Motion Photogrammetrie wurden aus den Luftbildaufnahmen 3D Modelle (digitale Zwillingsmodelle) der Schwemmholzansammlung erstellt. Die erzeugten digitalen Zwillingsmodelle erlauben eine präzise Abschätzung des Schüttvolumens (2.5D und 3D Volumen). Nach der Drohnenvermessung wurden die Schwemmholzansammlungen aus dem Fliessgewässer entfernt und manuell vermessen (Gewichtsbestimmung, Verarbeitung zu Hackschnitzel, Abbildung 2), während Holzproben zur detaillierten Analyse ins Labor gebracht wurden (Trocken- und Feuchtdichtebestimmung, Wassergehalt). Anhand der gewonnen Daten und Parameter konnte das Festmeter-Volumen (Netto-Holzvolumen) nachgewiesen werden. Das ermittelte Festmeter-Volumen stellt neben dem 2.5D und 3D Volumen (Schüttvolumen) einen wichtigen Parameter zur Porositätsbestimmung dar. Derzeit wird ein effizienter Workflow ausgearbeitet, der die rasche Generierung und Bewertung der Eigenschaften von Schwemmholzansammlungen mit Hilfe digitaler Zwillingsmodelle ermöglichen sollte.
Die im Rahmen des SmartWood_3D-Forschungsprojekts gewonnenen Daten sind für den Gewässerunterhalt relevant, um bestehende Flussbauwerke sicher zu erhalten und neue Infrastrukturanlagen bestmöglich zu planen. Darüber hinaus liefern die generierten Daten wichtige Informationen über Transport und Ablagerungsdynamiken von Schwemmholz, die für die Kalibrierung und Verifizierung numerischer Modelle erforderlich sind.
Wir schätzen die Unterstützung der Kraftwerksbetreiber (EKZ, EWO, KHR, Axpo, Ofible), der Gemeinde Sarnen, der Baudirektion Kanton Zürich, dem Schweizer Bundesamt für Umwelt (BAFU) sowie jedes einzelnen Beteiligten.
Konferenzen und Publikationen:
Gabriel Spreitzer, Isabella Schalko, Robert M. Boes & Volker Weitbrecht, 2021. Video footage from drones for Structure-from-Motion photogrammetry-A practical and rapid assessment method for large wood accumulations in rivers? EGU General Assembly 2021. Vienna, Austria. DOI: externe Seite 10.5194/egusphere-egu21-4966
Gabriel Spreitzer, Isabella Schalko, Robert M. Boes & Volker Weitbrecht, 2021. Innovative Sensors for Measuring Large Wood (LW) Movement Dynamics in Rivers. AGU Fall Meeting 2021. New Orleans, United States. DOI: externe Seite https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2021AGUFMEP55B1114S/abstract
Gabriel Spreitzer, Isabella Schalko, Robert M. Boes & Volker Weitbrecht, 2022. Quantification of large wood (LW) impact forces at field-scale using SmartWood, Proceedings of the 39th IAHR World Congress. Granada, Spain. DOI: in Bearbeitung.