Digitales Höhenmodell (DEM)

Ein Digitales Höhenmodell (DEM) ist eine strukturierte, digitale Darstellung der unbeeinflussten Erdoberflächentopografie, bei der jedem räumlichen Ort ein einzelner Höhenwert relativ zu einem definierten vertikalen Referenzniveau zugewiesen wird. Typischerweise als zweidimensionales Rastergitter codiert, liefert ein DEM eine quantitative, räumlich kontinuierliche Darstellung des Geländes und ermöglicht eine Vielzahl von Analyse-, Modellierungs- und Visualisierungsaufgaben in Bereichen wie Vermessung, Hydrologie, Bauingenieurwesen und Geoinformationssystemen (GIS).

DEMs schließen Oberflächenmerkmale wie Vegetation, Gebäude und Infrastruktur aus und bieten so eine „unbeeinflusste“ Ansicht, die für Anwendungen im Zusammenhang mit bodennahen Prozessen unerlässlich ist. Jedes DEM ist auf ein horizontales Koordinatensystem (wie WGS84 oder UTM) und ein vertikales Referenzniveau (wie mittlerer Meeresspiegel oder ein Geoidmodell) bezogen, was konsistente Höhenwerte über Datensätze und Anwendungen hinweg gewährleistet.

Die räumliche Auflösung eines DEMs – definiert als die Bodenfläche, die von jeder Rasterzelle oder jedem Pixel dargestellt wird – ist ein entscheidender Parameter. Hochauflösende DEMs (1 m oder feiner) zeigen detaillierte Geländemerkmale, während gröbere DEMs (30–90 m) für regionale bis globale Analysen geeignet sind. Die Genauigkeit eines DEMs wird sowohl durch die vertikale als auch durch die horizontale Präzision bestimmt, die wiederum von der Datenerfassungsmethode (z. B. Lidar, Photogrammetrie, Radar oder terrestrische Vermessung) und der Qualität der Verarbeitung abhängt.

Die Universalität, Zugänglichkeit und Vielseitigkeit von DEMs machen sie zu einer grundlegenden Ressource für:

• Erstellung von Höhenlinien
• Hydrologische Modellierung (Entwässerung, Einzugsgebiets- und Wasserscheideanalyse)
• Hochwasserrisikobewertung
• Hang-, Expositions- und Geländeanalysen
• Orthorektifizierung von Luft-/Satellitenbildern
• Infrastruktur- und Flächennutzungsplanung
• 3D-Visualisierung und Simulation von Erdprozessen

Digitales Oberflächenmodell (DSM)

Ein Digitales Oberflächenmodell (DSM) stellt die Höhe der Erdoberfläche einschließlich aller Merkmale über dem Boden dar, wie Gebäude, Vegetation und andere Strukturen. DSMs werden durch Fernerkundungsmethoden (z. B. Lidar, Photogrammetrie, Radar) erzeugt und erfassen die „ersten Rückläufe“ des Sensors. Sie sind für Anwendungen in der Stadtplanung, Forstwirtschaft, Telekommunikation (Sichtbarkeitsanalysen), Solarpotenzialanalysen und überall dort unerlässlich, wo die Gesamthöhe inklusive Baumkronen und Bauwerken benötigt wird.

Digitales Geländemodell (DTM)

Ein Digitales Geländemodell (DTM) erweitert das DEM durch die Integration zusätzlicher, vektorisierter Geländeinformationen wie Bruchkanten (Linien plötzlicher Hangänderung), Höhenpunkte und hydrologische Merkmale. DTMs können als Rastergitter oder als Triangulierte Ungleichmäßige Netze (TINs) dargestellt werden und sind besonders wertvoll in Ingenieur-, Hydrologie- und Konstruktionsanwendungen, bei denen eine detaillierte topografische Genauigkeit erforderlich ist.

Rastergitter in DEMs

Das Rastergitter ist das vorherrschende Format für DEMs und unterteilt das Gelände in eine regelmäßig angeordnete Matrix von Zellen, von denen jede einen einzelnen Höhenwert speichert. Rastergitter ermöglichen eine effiziente Speicherung, räumliche Analyse und Integration mit anderen Rasterdatensätzen (z. B. Satellitenbilder, Landbedeckung). Gängige Konventionen sind RasterPixelIsArea (Zellwert repräsentiert den mittleren Höhenwert über die Zellfläche) und RasterPixelIsPoint (Zellwert befindet sich im Zellmittelpunkt).

DEM-Auflösung

Die DEM-Auflösung bezieht sich auf die Bodenfläche, die jede Rasterzelle abdeckt, typischerweise in Metern. Höhere Auflösungen (1 m oder weniger) bieten mehr Detail für feinskalige Analysen, während niedrigere Auflösungen (30–90 m) für regionale oder kontinentale Studien geeignet sind. Die Wahl der Auflösung richtet sich nach den Projektanforderungen, dem Interessensgebiet und den verfügbaren Daten.

Vertikale Genauigkeit und Fehlerkennzahlen

Die vertikale Genauigkeit gibt an, wie genau die Höhenwerte eines DEMs den tatsächlichen Bodenhöhen entsprechen, und wird häufig durch den Root Mean Square Error (RMSE) anhand von Referenzpunkten gemessen. Die Genauigkeit wird vom Sensortyp, der Datenverarbeitung, den Oberflächenbedingungen und der Konsistenz des Referenzniveaus beeinflusst. Hochpräzise DEMs (z. B. lidar-basiert) erreichen RMSE-Werte im Submeterbereich, während radarbasierte Produkte (z. B. SRTM) insbesondere in bewaldeten oder steilen Gebieten größere Fehler aufweisen können.

DEM-Datenformate

Gängige DEM-Formate sind:

• GeoTIFF: Georeferenziert, weit verbreitet in GIS-Software, unterstützt Metadaten und verlustfreie Kompression.
• ESRI GRID: Proprietäres Esri-Format für ArcGIS-Umgebungen.
• IMG: Effizient für große Rasterdatensätze, unterstützt mehrere Bänder.
• ASCII Grid: Einfaches, textbasiertes, menschenlesbares Format, leicht editierbar, aber weniger effizient für große Datensätze.

Die Wahl des Formats richtet sich nach Softwarekompatibilität, Datenmenge und Workflow-Anforderungen.

Terrestrische Vermessung zur DEM-Erstellung

Terrestrische Vermessung verwendet Instrumente wie Totalstationen und GNSS-Empfänger zur hochgenauen Messung von Höhenpunkten, die anschließend zu einem DEM interpoliert werden. Diese Methode liefert die höchste Präzision für kleine Flächen, Baustellen oder vermessungsrechtliche Grenzfeststellungen und dient oft zur Kalibrierung oder Validierung von DEMs aus Fernerkundung.

Photogrammetrie und DEM-Generierung

Photogrammetrie rekonstruiert Höheninformationen aus überlappenden Luft- oder Satellitenbildern (Stereo-Paare) mittels Merkmalsabgleich und Triangulation. Moderne digitale Workflows und Drohnen haben die Photogrammetrie zu einer kostengünstigen Methode für hochauflösende DEMs gemacht, besonders wenn Lidar nicht verfügbar ist.

Lidar-basierte DEMs

Lidar (Light Detection and Ranging) nutzt luftgestützte oder terrestrische Laserscanner zur Erzeugung dichter Punktwolken. Nach der Klassifizierung der Bodenpunkte werden diese zu einem hochauflösenden DEM mit Submeter-Genauigkeit interpoliert. Lidar-DEMs gelten als Goldstandard für detaillierte Geländekartierung, insbesondere unter Vegetation oder in komplexem Relief.

Synthetic Aperture Radar (SAR) und DEMs

Synthetic Aperture Radar (SAR) generiert DEMs mittels Radarimpulsen von Satelliten oder Flugzeugen. Interferometrisches SAR (InSAR) berechnet Höhen aus Phasendifferenzen zwischen mehreren Aufnahmen. SAR-basierte DEMs, wie SRTM und TanDEM-X, bieten globale Abdeckung und sind in Gebieten mit anhaltender Wolkendecke oder bei ineffektiven optischen Methoden unverzichtbar.

Unbemannte Flugsysteme (UAS) und DEMs

Unbemannte Flugsysteme (UAS)/Drohnen ermöglichen die lokale Erzeugung hochauflösender DEMs. Durch das Erfassen überlappender Bilder und Anwendung von Structure-from-Motion (SfM)-Photogrammetrie können Drohnen DEMs mit Zentimeter-Genauigkeit liefern, die sich für Bauwesen, Umweltüberwachung und Katastrophenschutz eignen.

Nachbearbeitung bei der DEM-Erstellung

Nachbearbeitung – darunter Bodenkategorisierung, Interpolation, Glättung, Rauschunterdrückung und Qualitätskontrolle – ist entscheidend für die Erzeugung genauer, artefaktfreier DEMs. Hydrologische Korrekturen (Stream Burning), Integration von Bruchkanten und manuelle Nachbearbeitung können durchgeführt werden, um kritische Geländemerkmale zu erhalten, insbesondere bei ingenieurtechnischen Modellen.

Anwendungen von DEMs in der Vermessung

DEMs bilden die Grundlage für zahlreiche Vermessungs- und Kartierungsaktivitäten:

• Erstellung von Höhenlinien und Höhenprofilen
• Berechnung von Aushub und Aufschüttung für Erdarbeiten
• Geländeprofilierung und Entwässerungsplanung
• Orthometrische Korrektur von GNSS-Höhen
• Grenz- und Flächenkartierung
• Erfassung von Bodenbewegungen, Setzungen oder Hebungen

Weiterführende Literatur

• USGS 3D Elevation Program (3DEP)
• Copernicus DEM
• NASA SRTM
• Airbus WorldDEM

DEMs sind zweifellos ein Eckpfeiler der modernen Geowissenschaften und ermöglichen eine präzise, effiziente und skalierbare Charakterisierung der Erdoberfläche für zahllose Anwendungen in Vermessung, Ingenieurwesen, Umweltmanagement und darüber hinaus.