Geologische Interpretation des hochauflösenden digitalen Geländemodells von Baden-Württemberg

Abstract

Mit den Geobasisdaten verfügt das Land Baden-Württemberg über einen hochgenauen, flächendeckenden Datensatz auf der Grundlage von LiDAR-Daten (1 m in der Horizontalen, 0,15 m in der Vertikalen, 1 TB im ASCII-Format). Aus diesem Datensatz lässt sich ein großflächiges digitales Geländemodell (DGM) erstellen, das neue Perspektiven für systematische geomorphologische Analysen eröffnet. Mit derzeit verfügbarer Software lässt sich ein so großer Datensatz allerdings nicht darstellen. Deshalb entwickelte Dr. Thomas Müller vom Institut für Visualisierung der Universität Stuttgart das Programm TerrainView, mit dem sich der gesamte Datensatz visualisieren und analysieren lässt. Die Geobasisdaten können so in neun Auflösungsstufen (LOD) verzögerungsfrei als Ortho- und Perspektivansicht visualisiert und die darin erkannten Landformen kartiert und vermessen werden. Ein entscheidender Vorteil gegenüber der bisher verfügbaren Software liegt darin, dass durch das verzögerungsfreie Navigieren beziehungsweise Ein- und Auszoomen großflächigen Zusammenhänge unmittelbar hergestellt und überprüft werden können. Das größte Potential eines großräumigen hochauflösenden DGMs liegt in der Visualisierung, Kartierung und Interpretation junger Landformen. In Baden-Württemberg sind dies die jungen glazial und periglazial überprägten Landschaftselemente in Oberschwaben. Ebenso kann in großen Flächen mit sehr geringen Reliefunterschieden wie beispielsweise dem Oberrheingraben die fluviale Architektur der spätpleistozänen und holozänen Ablagerungen bis ins Detail rekonstruiert werden. Außerdem sind im DGM auch tektonisch verursachte Lineationen zu erkennen, die sich in der Morphologie hauptsächlich über das Talmuster abbilden. Ein Beispiel hierfür ist die tektonische „Fränkische Furche“ in Nordost-Württemberg, die sich abschnittsweise in der Morphologie als Lineation durchpaust. In Oberschwaben können die Geländeformen aus dem Verbreitungsgebiet des würmeiszeitlichen Rheingletschers mit großer Zuverlässigkeit kartiert und interpretiert werden. Es gelang, die aus der Literatur bekannten morphologischen Kategorien und Einheiten im DGM zu verifizieren. Dazu zählen Zungenbecken verschiedenster Dimension, Aufschotterungsebenen, Endmoränen und lokale Moränenrücken der Rückschmelzstadien in unterschiedlichem Erhaltungszustand, Drumlins und Terrassenschachteln spät- bis postglazialer Flusssysteme. Mikromoränen, Esker, subglaziale und eisrandparallele Täler kommen als neue Landformen in Oberschwaben hinzu. Diese Kategorien sind erst im DGM als solche zu erkennen und im Gelände zu verifizieren. Mit dem Kegelwerkzeug in TerrainView lässt sich der würmeiszeitliche Rheingletscher innerhalb des Modellgebiets simulieren. Durch geeignete Wahl der Parameter Apexposition, Apexhöhe und Gradient wird ein Kegelmantel an die Kammlinie der Endmoränen angepasst, so dass die Ausbreitung des Rheingletschers während der letzten Vereisung nachgestellt und das Eisvolumen berechnet werden kann. Weil die rezente Landoberfläche nur bedingt die subglaziale Oberfläche widerspiegelt, sind Korrekturen am Eisvolumen vorzunehmen. Das korrigierte Eisvolumen zum Zeitpunkt der letzten Maximalvereisung, definiert durch die Äußere Würmendmoräne, beträgt 610 ± 10 km^3. Das Eisvolumen für das Stadium der Inneren Würmendmoräne beträgt 290 ± 10 km^3. Über publizierte Altersdaten der Endmoränen lässt sich aus dem Eisvolumen die Abschmelzrate berechnen. Im Modellgebiet ermittelte Abschmelzraten reichen von 4,1 · 10^−5 bis 9,8 · 10−5 km^3 km^−2 a^−1. Diese Werte liegen in derselben Größenordnung wie heute am Rand des Grönland-Eisschildes, sind aber erheblich niedriger als bei aktuellen Alpengletschern. In der Oberrheinebene zeigt sich bei sehr starker Überhöhung der z-Koordinate ein vielgestaltiges Inventar von Sedimentations- und Erosionsformen, mit denen sich die spät- und nacheiszeitliche flussgeschichtliche Entwicklung präzise rekonstruieren lässt. Die heutige Talaue hat sich nacheiszeitlich in die Niederterrasse eingeschnitten und wird von ihr durch eine erosive Geländekante abgegrenzt (Hochgestadekante). Insbesondere in der Nordhälfte wird die Talaue von einem Gürtel komplex verzahnter Ablagerungen eines mäandrierenden Flusssystems hoher Sinuosität aufgebaut. Die Niederterrasse ist älter als die Talaue und bildete ursprünglich einen durchgehenden fluvialen Sedimentations- und Erosionsraum, der sich von Breisgau und Elsass bis zum Neckarschwemmfächer bei Heidelberg und sehr wahrscheinlich darüber hinaus bis in den Raum des Bergstraßenneckars erstreckte. Deshalb wird dieses System als „Ostrandfluss-System“ bezeichnet. Im Detail ist zu belegen, dass die Sedimentations- und Erosionsformen aus einem zusammenhängenden, amalgamierten, verflochtenen Flusssystem hervorgingen. Abgesehen von Neckarschwemmfächer und Bergstraßenneckar lassen sich innerhalb dieses Ostrandfluss-Systems 17 Morphofazieseinheiten unterscheiden. Sie unterschneiden sich gegenseitig und geben damit eindeutige, relative Altersbeziehungen. Daraus ist abzuleiten, dass diese Einheiten tendenziell von Norden nach Süden inaktiv wurden. Intern wandelten sie sich häufig von einem verflochtenen zu einem mäandrierenden System oder verlandeten direkt. Dünen hatten einen wesentlichen Einfluss auf Form und Verlauf der Fließrinnen. Die Ergebnisse zur Mikromorphologie der Oberrheinebene und zu den Vereisungsspuren in Oberschwaben zeigen, dass hochauflösende großflächige DGM ein sehr nützliches Hilfsmittel für die Gliederung und Interpretation junger Landformen sind. Die Grenzen der Methode liegen nun nicht mehr im Bereich der Auflösung, sondern sind dann gegeben, wenn es mangels Erosionskanten keine Möglichkeit gibt, einzelne Einheiten altersmäßig voneinander abzugrenzen, obwohl diese sich im Sedimentationsstil mehr oder weniger deutlich unterscheiden. Der hohe Grad an Übereinstimmung zwischen den Erkenntnissen aus dem DGM und dem Befund aus der Literatur zeigt jedoch, dass die Analyse mit TerrainView überaus effizient ist und sich für eine erste Untersuchung geologisch weniger bekannter oder schwer zugänglicher Gebiete hervorragend eignet.

The LiDAR-based digital terrain model (DTM) of Baden-Württemberg (“Geobasisdatenmodell”) has a resolution of 1 m in horizontal and 0.15 m in vertical direction (1 TB in ASCII format). Shaded reliefs created with this large data set open new avenues for systematic geomorphic analyses and interpretations. Commercial tools for DTM processing are able to handle only a limited subset of the dataset at once (roughly up to about 50 GB). For larger datasets, the performance decreases dramatically. Therefore, Dr. Thomas Müller (Institute for Visualization, University of Stuttgart) has developed a software (TerrainView) allowing visualization of and navigation within the entire data set in nine levels of detail (in ortho and perspective view), while simultaneously offering effective tools for geomorphic and morphometric analyses. The main advantage of this largely extended data availability lies in reliable large-distance correlation of geomorphic phenomena. One of the scientific potentials of large-area high-resolution DTMs concerns young landforms which can be visualized, mapped and interpreted on scales ranging from 256 to 1 m per pixel. In Baden-Würtemberg this is especially true for the late glacial and periglacial landforms in the Lake Constance/Oberschwaben area and for the extensive Late Pleistocene to Holocene fluvial plains of the Upper Rhine graben. Another potential of high-resolution DTMs lies in the precise reproduction of valley networks and hence in the recognition of tectonic lineations controlling erosion. One example (“Fränkische Furche” in northeastern Württemberg) is studied in detail revealing that tectonic stress occured at different times consecutively creating different sets of geomorphic units. In the Lake Constance/Oberschwaben area a large variety of landforms related to the last (Würmian) glaciation could be identified. Some of these features have been reported previously in literature including subglacial basins, outwash plains, end moraines, local moraine ridges, kettled and hummocky moraines, drumlins and recessional terraces. Others such as micromoraines, eskers, subglacial and ice-marginal meltwater channels have been newly discovered within the study area. Especially micromoraines are glacial features which typically are discovered at first in the DTM and subsequently verified in the field. Using the cone function in TerrainView the extent of the Würmian (late Pleistocene) Rhine glacier at different stages can be simulated determining corresponding ice volumes. Apex position, apex height and gradient of the cone are variable and adapted to fit the intersection line of the cone with the land surface to the terminal moraine. In this study the volume of the ice is defined as the space between the cone surface and the land surface. However, as the present land surface does not exactly reflect the shape of the initial terrain underlying the glacier corrections must be applied to the ice volume calculated from the DTM. Within the DTM area the corrected ice volume of the glacier producing the Outer Würmian End Moraine (corresponding to the Late Glacial Maximum) is 610 ± 10 km^3 and the volume of the glacier producing the Inner Würmian End Moraine is 290 ± 10 km^3 which means that during this episode of early deglaciation an ice volume of 320 ± 20 km^3 became melted exposing an ice-free area of 1120 km^2. Melting rates range between 4,1 · 10^−5 and 9,8 · 10−5 km^3 km^−2 a^−1 and are in the same order of magnitude as the rate at the present Greenland ice margin but considerably lower than the actual rate of Alpine glaciers. Under strong vertical exaggeration the Late Pleistocene to Holocene fluvial plains of the Upper Rhine graben reveal a complex fluvial history of sedimentation and erosion. The presently active fluvial plain (“Talaue”) has been incised in post-glacial times into an older terrace (“Niederterrasse”) forming a “cliff” (“Hochgestadekante”) with height differences of up to 12 m. The Talaue is predominantly a belt of intricately interwoven high-sinuosity meandering stream deposits; aggradational features can be traced down to the meter level. The Niederterrasse must be imagined as one extended plain slightly dipping towards the eastern graben border creating a complex network of markedly braided fluvial channels named “Ostrandfluss-System”. This network can be traced from the South (Breisgau, Alsacia) to the North, where the outlines become partly obscured by the progradation of an alluvial fan created by the large Rhine tributary Neckar (“Neckarschwemmfächer”). It probably extended further North still flowing parallel to the eastern graben border (“Bergstraßenneckar”). The entire section South of the Neckarschwemmfächer displays a conspicuous pattern of sedimentation and erosion suggesting a highly mobile belt of amalgamating and intersecting braided stream deposits. The DTM clearly reveals relative stratigraphic relations (older/younger) among 17 different morphologic units evoking a gradual but not consistent inactivation from North to South. Internally these units commonly experienced a change from braided to meandering systems or directly ended silting up. Dunes are locally well preserved and in general had considerable influence on the flow pattern. The results on the micromorphology of the Upper Rhine fluvial plains and on glacial features in Oberschwaben demonstrate that large area high-resolution DTMs are very useful for the classification and interpretation of geologically young landforms. Geological interpretation is no longer limited by resolution (as in the case of SRTM data). The method based on LiDAR data, however, does not yield results if the landscape is extremely flat and erosional features are not discernible. In this case, it is not possible to identify morphological units despite the fact that some areas still possess more or less differing styles of sedimentation. The conformity between findings based on the study of the DTM and facts known from literature demonstrates that analysis of landforms with TerrainView is very efficient and highly recommendable for reconnaissance studies of geologically poorly known or remote areas.