Digitales Höhenmodell (DHM) in der Vermessung

Einführung

Ein Digitales Höhenmodell (DHM) ist eine grundlegende Datengrundlage in der Geowissenschaft, Vermessung, Umweltmodellierung und im Ingenieurwesen. Es stellt digital die Geländeoberfläche der Erde ohne Vegetation, Gebäude und andere Objekte dar. DHMs liegen meist als Rastergitter vor, wobei jede Zelle einen Höhenwert relativ zu einem vertikalen Referenzsystem wie dem mittleren Meeresspiegel enthält.

DHMs sind unverzichtbar in Anwendungen von Hydrologie und Hochwasserrisikobewertung über Infrastrukturplanung, Fernerkundung und Flugsicherheit bis hin zum Umweltmanagement. Ihr Wert liegt darin, eine kontinuierliche, quantitative Oberfläche für automatisierte Geländeanalyse, räumliche Modellierung und Visualisierung zu bieten.

DHM, DSM und DTM: Die Unterschiede verstehen

In der Geowissenschaft begegnet man drei Haupttypen von Höhenmodellen:

• DHM: Nur die Bodenoberfläche, keine Objekte.
• DSM: Oberkante aller sichtbaren Objekte – Bäume, Gebäude usw.
• DTM: Wie ein DHM, aber mit zusätzlichen Vektorinformationen.

Diese Unterschiede sind entscheidend für die Auswahl der richtigen Daten. Hydrologische Modellierung basiert meist auf DHMs, während Stadt- und Telekommunikationsplanung häufig DSMs benötigt.

So werden DHMs erstellt: Methoden der Datenerfassung

1. LiDAR (Light Detection and Ranging)

LiDAR nutzt Laserpulse von Flugzeugen, Drohnen oder vom Boden, um dichte Punktwolken zu erzeugen. Mehrfache Reflexionen pro Puls ermöglichen die Trennung von Boden, Vegetation und Gebäuden, sodass präzise DHMs (Gelände) und DSMs (Oberfläche) extrahiert werden können. LiDAR ist sehr genau (Höhengenauigkeit bis zu 10–30 cm) und ideal für komplexes oder bewaldetes Gelände, erfordert jedoch spezielle Ausrüstung und Fachwissen.

2. Photogrammetrie (stereoskopische Luft- oder Satellitenbilder)

Photogrammetrie berechnet Höhen durch Messung der Parallaxe zwischen überlappenden Luft- oder Satellitenbildern. Structure-from-Motion (SfM)-Algorithmen automatisieren die Punktwolken-Generierung und Oberflächenmodellierung. Photogrammetrie ist kostengünstig für große Gebiete und wird häufig für Kartierung, Bauwesen, Bergbau und Landwirtschaft genutzt. Die Genauigkeit hängt von Bildqualität, Überlappung, Passpunkten und Oberflächenstruktur ab.

3. SAR/InSAR (Synthetic Aperture Radar & Interferometrisches SAR)

SAR nutzt Radar, um Höheninformationen unabhängig von Wetter oder Licht zu erfassen. Interferometrisches SAR (InSAR) vergleicht Phasenunterschiede zwischen Bildern, um Höhen abzuleiten. Missionen wie SRTM und TanDEM-X liefern nahezu globale DHMs mit 10–90 m Auflösung. SAR ist essenziell für abgelegene und wolkenreiche Regionen, bietet aber geringere räumliche Auflösung und Artefakte in stark reliefiertem Gelände.

4. Digitalisierte Höhenlinien (Topografische Karten)

Ältere DHMs stammen aus digitalisierten Höhenlinien analoger Karten. Diese Methode ist weniger präzise und arbeitsintensiv, aber wichtig für historische Studien oder Regionen ohne aktuelle Fernerkundungsdaten.

5. Geländeaufnahme (GNSS, Theodolite, Totalstationen)

Direkte Messungen mit geodätischen Instrumenten liefern die höchste Genauigkeit für kleine Flächen. Solche Daten dienen als präziser Bodenabgleich für andere DHM-Quellen, sind jedoch für große Gebiete nicht praktikabel.

Wichtige Anwendungen von DHMs

Hydrologie und Hochwassermodellierung

DHMs ermöglichen die Einzugsgebietsanalyse, Abflussmodellierung und Hochwassersimulation durch die Modellierung von Fließwegen und Akkumulationszonen. Hydrologisch angepasste DHMs (mit entfernten künstlichen Senken) verbessern die Genauigkeit von Hochwasser- und Erosionsrisikoanalysen.

Stadtplanung und Infrastruktur

Planer nutzen DHMs zur Bewertung von Hangneigung, Exposition und Höhe für Standortwahl, Geländeangleichung und zur Optimierung von Verkehrs- und Versorgungswegen. DSMs sind wichtig für Sichtfeldanalysen, Sonnen-/Schattenstudien und regulatorische Anforderungen in der Luftfahrt.

Forstwirtschaft und Vegetationsanalyse

Durch Subtraktion von DHM und DSM entsteht das Kronenhöhendatenmodell (CHM), das Baumhöhen, Biomasse und Waldstruktur abbildet. DHMs unterstützen zudem die Ökosystemmodellierung und Habitatbewertung.

Katastrophenmanagement

DHMs sind wesentlich für die Kartierung von Rutschungen, Erdbeben- und Vulkangefahren, ermöglichen schnelle Geländebewertungen nach Katastrophen und unterstützen Evakuierungsplanungen.

Umweltmonitoring

DHMs sind Grundlage für Studien zu Küstenerosion, Meeresspiegelanstieg, Gletschermonitoring und landwirtschaftlicher Planung mithilfe von geländebasierten Indizes wie Hangneigung, Exposition und Höhe.

Luftfahrt und Telekommunikation

Die Luftfahrt benötigt DHMs und DSMs für Hindernisfreiheit und Luftraummanagement (ICAO Annex 15). Telekommunikationsingenieure nutzen DSMs zur Antennenplatzierung und für optimale Netzabdeckung.

DHM-Datenformate und Workflow-Tipps

Gängige DHM-Formate

Tipp: Kontrollieren Sie vor der Analyse immer das Koordinatenreferenzsystem (CRS) und das Höhenbezugssystem. Für große Datenmengen empfiehlt sich die Nutzung cloud-optimierter Formate (COG GeoTIFF), das Kacheln der Daten oder cloudbasierte GIS-Verarbeitung.

Workflow-Best-Practices

• Metadaten: Immer auf Erfassungsdatum, CRS, Höhenbezug und Verarbeitungshistorie prüfen.
• No-Data-Werte: Fehlende oder undefinierte Zellen korrekt behandeln.
• Hydrologische Korrektur: Senken und Mulden für Fließmodellierung füllen.
• Ausrichtung: Für das Zusammenführen von Datensätzen reprojizieren und auf ein gemeinsames Raster bringen.
• Qualitätskontrolle: Mit Kontrollpunkten oder Referenzdaten vergleichen.

DHM-Qualität und Genauigkeit

Wichtige Faktoren

1. Räumliche Auflösung: Feinere Raster erfassen mehr Details, benötigen aber mehr Speicher/Rechenleistung.
2. Höhengenauigkeit: Der vertikale RMSE zeigt, wie nah DHM-Werte den echten Höhen entsprechen.
3. Erfassungsmethode: LiDAR liefert meist die höchste Genauigkeit; SRTM, ASTER niedriger.
4. Nachbearbeitung: Filterung, Artefaktentfernung und Interpolationsqualität beeinflussen die Nutzbarkeit des DHM.

Typische DHM-Quellen und deren Genauigkeit:

• LiDAR: 0,1–1 m horizontal, 10–30 cm vertikal (am besten)
• Luftbild-Photogrammetrie: 0,5–5 m horizontal, 0,5–2 m vertikal
• SRTM: 30–90 m horizontal, 5–15 m vertikal
• ASTER: 30 m horizontal, ~10 m vertikal

Typische Artefakte: Randeffekte, Senken/Gruben, Streifenbildung, Reste von Vegetation oder Gebäuden, Interpolationsfehler.

Validierung: Für kritische Anwendungen mit unabhängigen Geländemessungen (GNSS, Totalstationen) abgleichen.

DHM-Visualisierung und Analyse

• Schummerung: Beleuchtungssimulation zur Geländedarstellung.
• Höhenlinien: Ableiten von Höhenlinien für Karten.
• Hangneigungs- & Expositionskarten: Steilheit und Ausrichtung des Geländes darstellen.
• Sichtfeldanalyse: Ermittlung sichtbarer Bereiche von einem Punkt aus (z.B. Telekommunikation, Verteidigung).
• Aushub-/Auffüllberechnungen: Erdvolumina für Baumaßnahmen kalkulieren.

Vergleichsabbildung: DHM (Gelände), DSM (Oberfläche) und DTM (Geländevektoren).

DHM-Datensätze: Globale und Regionale Beispiele

• SRTM (Shuttle Radar Topography Mission): Weltweite Abdeckung, 30–90 m Auflösung, frei verfügbar.
• ASTER GDEM: Global, 30 m, basiert auf Satellitenbildern.
• Copernicus DEM: Global, 30 m, höhere Auflösung für Europa.
• USGS NED: USA, 1–10 m, verschiedene Quellen.
• OpenTopography: Weltweite Plattform für LiDAR- und hochaufgelöste DHM-Daten.

Für hochaufgelöste, regionale Datensätze empfiehlt sich die Recherche bei Behörden oder lokalen Stellen.

Zusammenfassung

Ein Digitales Höhenmodell (DHM) ist ein digitales, gerastertes Datenset der Geländeoberfläche ohne Bewuchs. Es ist unerlässlich für Hydrologie, Ingenieurwesen, Katastrophenmanagement, Luftfahrt und Umweltwissenschaften. DHMs werden mittels LiDAR, Photogrammetrie, SAR, digitalisierten Karten oder Geländeaufnahmen erstellt. Genauigkeit, Auflösung und Eignung eines DHM hängen von Erfassungsmethode und Datenverarbeitung ab. Das Verständnis von DHMs und verwandten Modellen (DSM, DTM) ist grundlegend für jedes Vermessungs- oder GIS-Projekt.

Weiterführende Literatur & Ressourcen

• USGS EarthExplorer – Download globale DHMs
• OpenTopography – LiDAR- und hochauflösende DHM-Daten
• Copernicus DEM – Europäische/globale Datensätze
• QGIS Dokumentation – Arbeiten mit DHMs in freier GIS-Software

Verwandte Begriffe

• DSM (Digitales Oberflächenmodell)
• DTM (Digitales Geländemodell)
• LiDAR
• Photogrammetrie
• SRTM
• Orthorektifizierung
• Sichtfeldanalyse
• Höhenlinienkartierung
• Schummerung
• Hydrologische Modellierung
• Hangneigung & Exposition
• Rasterdaten

Wer in Vermessung, Ingenieurwesen oder GIS arbeitet, benötigt ein solides Verständnis von DHMs für Geländeanalyse, Planung und raumbezogene Entscheidungsprozesse.