Wasserressourcenmanagement in Höhlen mit dem Leica BLK2GO und dem Neuenburger Zentrum für Hydrogeologie und Geothermie

Ein beträchtlicher Teil der Wasserressourcen der Schweiz befindet sich in den komplexen Karstgrundwasserleitern, einem kritischen natürlichen System, das die Neugier der Forscher immer wieder weckt. Am Neuenburger Zentrum für Hydrogeologie und Geothermie (CHYN) hat ein Team von Wissenschaftlern, unter der Leitung von Professor Phillipe Renard und in Begleitung des Klimaforschers Dr. Tanguy Racine, eine Initiative gestartet, um diese Ressourcen viel besser zu verstehen.    

Das Ziel war klar: die Physik der Wasserströme in Höhlen oder unterirdischen Karstkanälen mithilfe innovativer technischer Lösungen (vor allem 3D-Laserscanning mit dem Leica BLK2GO und einer maßgeschneiderten Beleuchtungseinheit von Méandre Technologie) zu untersuchen, um Daten über Aquifere zu erhalten, was mit herkömmlichen Mess- und Modellierungsmethoden nicht möglich gewesen wäre.  

 

Eintauchen in die Formen des unterirdischen Karsts

Nach Angaben des United States Geological Survey (Geologischer Dienst der Vereinigten Staaten) zeichnen sich Karstgebiete durch besondere Formationen (wie Quellen, Höhlen, Dolinen) und eine einzigartige Hydrogeologie aus, die Grundwasserleiter bilden, welche äußerst produktiv, aber auch extrem anfällig für Verunreinigungen sind. Für die von CHYN untersuchten Karst-Grundwasserleiter umfasste das Projekt eine detaillierte Darstellung der inneren Oberflächen der Karsthöhlen, um unter anderem den Wasserfluss und die Kontaminierung zu verstehen.  

Ziel war es, digitale Zwillinge zu erstellen, die 3D-Punktwolken, Panoramafarbbilder und hochauflösende Netze enthalten. Das Team erkundete verschiedene Orte, darunter auch die Grotte de la Cascade in Môtiers und die Grotten von Vallorbe.    

Die Expedition durch kilometerlange Karstkanäle erforderte modernste mobile Scantechnologie. Die Wahl zur Unterstützung dieses Vorhabens fiel auf den BLK2GO. Dieses Tool war die praktikable Lösung, um die Aufgabe der effizienten und genauen Erfassung der komplexen Geometrie zu bewältigen. Mit dem BLK2GO waren die Forscher in der Lage, große Gebiete schnell und mit größerer Mobilität zu kartieren als mit herkömmlichen Scannern.    

Durch die Erfassung jedes einzelnen Merkmals, sei es ein Schacht, ein Tunnel oder ein Geröllfeld, konnte das Team dank der Effizienz des BLK2GO seine Datenerfassungsstrategie auf die verschiedenen zu untersuchenden Bereiche abstimmen. Von Forschern zu dokumentierende Bereiche, die zuvor nicht messbar waren, wurden innert kurzer Zeit in genaue 3D-Punktwolken umgewandelt.  

 

Beleuchtung des dunklen unterirdischen Höhlennetzes

Angemessene Beleuchtung war eine der Schlüsselherausforderungen dieser unterirdischen Expedition, denn in einer von Natur aus lichtarmen Umgebung war es wichtig, dass der BLK2GO alle Daten effektiv erfassen konnte. Für die Erstellung farbiger Punktwolkendaten ist eine Beleuchtung erforderlich, die Scanner in der Regel nicht von sich aus bereitstellen. Sie sind auf natürliches oder künstliches Licht, welches das Gelände ausleuchtet, angewiesen, damit die mit LiDAR gesammelten Daten erfasst und eingefärbt werden können.      

Den Forschern gelang es jedoch, eine Lösung zu finden, die die erforderliche Beleuchtungsstärke bereitstellte, um die farbigen Punktwolkendaten während des Scannens zu erfassen.

Das Team verwendete hierfür ein spezielles, von Méandre Technologies entwickeltes, Beleuchtungssystem. Diese zusätzliche Beleuchtungseinheit, die sich einfach an der Unterseite des leichten BLK2GO-Griffs befestigen ließ, beleuchtete die Kanäle und ermöglichte es den Forschern, jedes benötigte Detail zu erfassen, indem sie geometrische Daten mit Farbdaten kombinierten, was für ihre Arbeit von großem Vorteil war.  

 

Erstellung digitaler Zwillinge von Grundwasserleitern und Kanälen

Nach ihrer Rückkehr vom Einsatzort war der nächste Schritt die Verarbeitung der erfassten Daten. Mithilfe der Leica Cyclone REGISTER 360 PLUS Software bearbeitete und bereinigte das Team die kolorierten 3D-Punktwolken, um sie in eine zugängliche Form zu komprimieren, damit eine effiziente geomorphologische Analyse durchgeführt werden konnte.    

In der Folge erstellten sie mehrere Vermaschungen in Leica Cyclone 3DR, die Aufschluss über die geometrischen Merkmale der Karstkanäle gaben.

Während der Studie sahen sich die Forscher mit einer großen Schwierigkeit konfrontiert: GNSS war unter Tage nicht verfügbar, um Kontrollpunkte zu messen und deshalb musste das Team eine kontinuierliche Punktwolke des Höhlensystems erstellen. Durch den Einsatz der GrandSLAM-Technologie gelang es ihnen jedoch, die Karsthöhlen effizient zu erfassen. Beim Scannen von Strecken, die länger als 100 Meter waren, scannte das Team in geschlossenen Schleifen, wobei der Scan dort endete, wo er begonnen hatte. Auf diese Weise konnte der BLK2GO identische Merkmale erkennen, um so die lange Punktwolke korrekt auszurichten. Die Forscher wiederum konnten bestätigen, dass sich das 3D-Modell der Höhle während dem langen Herumgehen nicht verschoben hatte.      

 

Analyse der unterirdischen Wassernetze

Die detailreichen digitalen Zwillinge, die vom BLK2GO erfasst und vom Team erstellt wurden, waren für die Erforschung und Synthese der Geometrie der unterirdischen Wasserleitungsnetze entscheidend. Sie sind beispielsweise von unschätzbarem Wert, wenn es darum geht zu modellieren, wie schnell Schadstoffe im Wasser unterirdisch transportiert werden. Mit der 3D-Darstellung der Daten konnten die Wissenschaftler potenzielle Kontaminationsherde überwachen und die Anfälligkeit von Wasserressourcen aus analytischer Sicht bewerten. Diese proaktive Maßnahme verspricht, die Umweltgesundheit zu verbessern und die Wasserressourcen effizient zu verwalten.      

Bei der Schätzung der Wasserdurchflusskapazität erwiesen sich die digitalen Zwillinge als unerlässlich. Die geometrischen Details von Karstkanälen und deren Form, die Fließeigenschaften bei jeder Windung sowie das Vorhandensein und die räumliche Beziehung zwischen den Merkmalen, die einen Widerstand verursachen, zu verstehen, das ist für die genaue Bewertung von Strömungen von entscheidender Bedeutung. Durch Messungen und Querschnittsaufnahmen von Karstgrundwasserleitern mittels BLK2GO-Daten, konnte das Team zuverlässige prädiktive Modelle für den Wasserfluss, die Effizienz und die Kapazität in diesen Kanälen erstellen. Diese Daten sind für die Verwaltung von Wasserressourcen und die Gestaltung von Strategien für eine nachhaltige Wassernutzung von großer Bedeutung.      

 

Fortschritte in den Studien der Karstgrundwasserleiter

Das Projekt demonstrierte die Effektivität des Leica BLK2GO und verdeutlichte - im wahrsten Sinne des Wortes - das Potential der handgeführten 3D-Laserscanning-Technologie für ein besseres Verständnis der natürlichen Ressourcen. Der BLK2GO war in der Lage, Daten in einem einzigen Feldeinsatz zu erfassen, wodurch mehrere Feldbesuche überflüssig wurden. Dies bedeutete eine Maximierung der Projekteffizienz und -effektivität.    

Nach Ansicht von Dr. Racine und dem Team von CHYN hat der BLK2GO die Herausforderung, dunkle und enge unterirdische Umgebungen zu erfassen, mit Bravour gemeistert. Seine Fähigkeit, unter solchen Bedingungen schnell und zuverlässig Datensätze zu erfassen, insbesondere in Kombination mit der Beleuchtungseinheit von Méandre Technologie, ebnete den Weg zu einem tieferen Verständnis und einer optimalen Nutzung der beträchtlichen Wasserressourcen der Schweiz.  

Während wir mit Klimastudien vorankommen und verstehen, wie wir die Wasserressourcen nachhaltig verwalten können, wird die Idee, bisher unzugängliche Bereiche zu scannen, bis jetzt unzugängliche Daten zu erfassen und somit unser Ökosystem besser zu verstehen, die Forscher zu einem umfassenden Verständnis der Grundwasserleitersysteme der Höhlen von Môtiers und Vallorbe führen.

Die Arbeit von Dr. Racine und seinem Team zeigt uns eine Zukunft, in der Technologie als Medium fungiert, das uns mit unterirdischen Wassernetzen verbindet, die entweder schwer zu erreichen und/oder schwierig zu messen bzw. zu überwachen waren. Diese Wissenschaftler lernen nun genau, wie diese Grundwasserleiter, Leitungen und Höhlen funktionieren, was Forschern und Beamten der öffentlichen Hand hilft, die Wasserressourcen zu überwachen und nachhaltiger zu nutzen.  

 

Erfolg entsteht, wenn sorgfältige Planung auf clevere Technologie trifft. Erfahren Sie mehr über das Handscannen mit dem Leica BLK2GO hier.