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Enhancing MBES surveying by multi-frequency technology
Checking the feasibility of the multi-frequency functionality of the EM2040P MKII MBES for shallow water investigation

By using the multi-frequency mode of the EM2040P MKII echo sounder, the riverbed of the Elbe River near Hamburg Port was analysed. By conducting a single survey run utilising multi-frequency mode with three different frequencies, the system demonstrated its capability to detect soft sediment layers with improved clarity. Bathymetric analysis revealed significant variations in the volume between bathymetric surface levels of each frequency dataset, with differences amounting to approximately 3,310 m³ across an area of 78,995 m². Additionally, backscatter intensity distribution of the different frequencies in the same areas were analysed. Individual backscatter mosaics corresponding to each frequency were generated and analysed separately. These mosaics were then combined to create a multi-spectral image, effectively illustrating the differing sediment penetration capabilities of each frequency over the same riverbed area within a single survey run. The results highlight the value of multi-frequency surveys in enhancing the interpretation of riverbed composition and morphology within a single data acquisition effort.

multibeam echo sounder | multi-frequency survey | backscatter intensity

Mit Hilfe des Multifrequenzmodus des Fächerecholots EM2040P MKII wurde das Flussbett der Elbe in der Nähe des Hamburger Hafens analysiert. Durch die Durchführung einer einzigen Vermessungsfahrt im Multifrequenzmodus mit drei verschiedenen Frequenzen ermöglicht das System, weiche Sedimentschichten klarer zu erkennen. Die bathymetrische Analyse zeigte signifikante Unterschiede im Volumen zwischen den bathymetrischen Oberflächenebenen der einzelnen Frequenzdatensätze, mit Unterschieden in Höhe von ca. 3310 m³ auf einer Fläche von 78 995 m². Zusätzlich wurde die Verteilung der Rückstreuintensität der verschiedenen Frequenzen in denselben Gebieten analysiert. Für jede Frequenz wurden individuelle Rückstreumosaike erstellt und separat analysiert. Diese Mosaike wurden kombiniert, um ein multispektrales Bild zu erstellen, welches die unterschiedlichen Sedimentdurchdringungsfähigkeiten der einzelnen Frequenzen effektiv veranschaulicht. Die Ergebnisse verdeutlichen den Wert von Mehrfrequenzmessungen zur Verbesserung der Interpretation der Zusammensetzung und Morphologie des Flussbettes innerhalb einer einzelnen Messfahrt.

Fächerecholot | Mehrfrequenzmessung | Rückstreuintensität

Ausgabe: HN 131, Seite 56–62
DOI: 10.23784/HN131-13
Autor/en: Tony Sebastian

Assessment of the efficacy of GNSS-interferometric reflectometry in determining water levels

Accurate and continuous water level monitoring is fundamental in hydrography. While conventional methods such as tide gauges, satellite altimetry and airborne LiDAR remain valuable, they are often constrained by spatial coverage, temporal resolution and operational cost. This study investigates the potential of GNSS-interferometric reflectometry (GNSS-IR) as a complementary method for water level determination in urban, tidally influenced environments. GNSS-IR observations were carried out during multiple sessions in spring 2024 in Hamburg’s HafenCity, using a geodetic GNSS antenna to capture reflected signals from the water surface. The collected data were processed with the open-source software gnssrefl to derive water level estimates. These were subsequently validated against measurements from two nearby tide gauges and interpolated tide levels at the receiver site. Statistical analysis showed strong agreement between datasets, with a correlation coefficient exceeding 0.99 and a root mean square error (RMSE) of 14.9 cm. Despite signal interference from urban infrastructure and vessel traffic, GNSS-IR demonstrated robust performance, confirming its applicability as a cost-effective solution for enhancing hydrographic monitoring in complex coastal environments.

Eine genaue und kontinuierliche Überwachung des Wasserstands ist für die Hydrographie von grundlegender Bedeutung. Herkömmliche Methoden wie Gezeitenpegel, Satellitenaltimetrie und luftgestütztes LiDAR sind zwar nach wie vor wertvoll, doch sind sie häufig durch die räumliche Abdeckung, die zeitliche Auflösung und die Betriebskosten eingeschränkt. Diese Studie untersucht das Potenzial der GNSS-interferometrischen Reflektometrie (GNSS-IR) als ergänzende Methode zur Bestimmung des Wasserstands in städtischen, gezeitenbeeinflussten Gebieten. GNSS-IR-Beobachtungen wurden im Frühjahr 2024 in der Hamburger HafenCity durchgeführt, wobei eine geodätische GNSS-Antenne installiert wurde, um von der Wasseroberfläche reflektierte Signale zu erfassen. Die gesammelten Daten wurden mit der Open-Source-Software gnssrefl verarbeitet, um Wasserstandsschätzungen abzuleiten. Diese wurden anschließend mit Messungen von zwei nahe gelegenen Gezeitenpegeln und interpolierten Wasserständen am Empfängerstandort abgeglichen. Die statistische Analyse ergab eine hohe Übereinstimmung zwischen den Datensätzen, mit einem Korrelationskoeffizienten von über 0,99 und einem mittleren quadratischen Fehler (RMSE) von 14,9 cm. Trotz der Signalstörungen durch die städtische Infrastruktur und den Schiffsverkehr zeigte GNSS-IR eine robuste Leistung und bestätigte seine Anwendbarkeit als kosteneffiziente Lösung zur Verbesserung der hydrographischen Überwachung in komplexen Küstengebieten.

Ausgabe: HN 131, Seite 50–55
DOI: 10.23784/HN131-12
Autor/en: Pavlos Petrogkonas

Untersuchung unterschiedlicher Methoden zur Positionsbestimmung und Verbesserung bei GNSS-Signalverlust in dynamischen Prozessen

Der Fachbeitrag behandelt die präzise Positionsbestimmung bei Echolotmessungen unter Brücken, wo GNSS-Signale gestört oder vollständig blockiert sind. Um genaue Trajektorien zu berechnen, werden GNSS- und Inertialdaten kombiniert und mit Nachprozessierungssoftware wie Qinertia ausgewertet. Drei Methoden werden verglichen: eng gekoppelte Nachprozessierung (TC_PPK), lose Echtzeitkopplung (LC-RTK) und lose Nachprozessierung mit Modellierung (LC_PPP). TC_PPK bietet insgesamt die höchste Genauigkeit, während LC-RTK robuster gegenüber GNSS-Ausfällen ist. Eine Kombination beider Methoden (LC-TC_PPK) liefert unter Brücken die besten Positionsgenauigkeiten. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass der Zugewinn im Endergebnis gering ist, weshalb TC_PPK allein meist ausreichend ist.

This technical paper deals with precise position determination for echo sounder measurements under bridges where GNSS signals are disturbed or completely blocked. To calculate accurate trajectories, GNSS and inertial data are combined and analysed using post-processing software such as Qinertia. Three methods are compared: tightly coupled post-processing (TC_PPK), loose real-time coupling (LC-RTK) and loose post-processing with modelling (LC_PPP). TC_PPK offers the highest overall accuracy, while LC-RTK is more robust against GNSS failures. A combination of both methods (LC-TC_PPK) provides the best positioning accuracy under bridges. In practice, however, it has been shown that the gain in the final result is small, which is why TC_PPK alone is usually sufficient.

Ausgabe: HN 131, Seite 46–49
DOI: 10.23784/HN131-11
Autor/en: Johannes Sischka

Tracking von Korallenlarven für Riffschutz und Forschung

Korallenriffe sind hochdynamische Ökosysteme mit großer Bedeutung für marine Biodiversität und natürlichen Küstenschutz. Eine entscheidende Rolle bei ihrer Regeneration spielen die Korallenlarven – winzige und noch frei schwimmende Organismen, die über Bewegung und Substratwahl die Wiederbesiedlung geschädigter Riffbereiche bestimmen. Am Institut für Chemie und Biologie des Meeres (ICBM) werden tropische Korallenarten gezielt zur Fortpflanzung angeregt, wodurch Larven unter kontrollierten Bedingungen verfügbar sind. Parallel wurde an der Jade Hochschule ein modulares, KI-gestütztes Trackingsystem entwickelt, welches Larvenbewegungen automatisiert und hochauflösend erfasst. Das System basiert auf handelsüblichen Komponenten, ist dokumentiert und flexibel erweiterbar. In einem ersten Versuch mit Leptastrea purpurea konnte es erfolgreich validiert werden. Es ermöglicht differenzierte Analysen der Larvendynamik und bildet die Grundlage für weiterführende Studien zu chemischen, physikalischen oder substratbasierten Einflussfaktoren. Damit eröffnet es neue Wege für standardisierte Experimente in der Riff- und Küstenforschung und trägt somit dazu bei, kleinste Prozesse sichtbar zu machen, die für großräumige ökologische Strukturen entscheidend sind.

Korallenriff | Tracking | Bewegungskoordinaten

Coral reefs are highly dynamic ecosystems with great importance for marine biodiversity and natural coastal protection. A decisive role in their regeneration is played by coral larvae – tiny and still free-swimming organisms that determine the recolonisation of damaged reef areas through movement and substrate selection. At the Institute of Chemistry and Biology of the Marine Environment (ICBM), tropical coral species are specifically stimulated to reproduce, making larvae available under controlled conditions. At the same time, a modular, AI-supported tracking system was developed at Jade University, which records larval movements automatically and in high resolution. The system is based on commercially available components, is documented and can be flexibly expanded. It was successfully validated in an initial trial with Leptastrea purpurea. It enables differentiated analyses of larval dynamics and forms the basis for further studies on chemical, physical or substrate-based influencing factors. It thus opens up new avenues for standardised experiments in reef and coastal research and helps to visualise the smallest processes that are decisive for large-scale ecological structures.

coral reef | tracking | movement coordinates

Ausgabe: HN 131, Seite 42–45
DOI: 10.23784/HN131-10
Autor/en: Tim Pfaus

Georeferenzierung von 3D-Unterwasserstrukturen mittels Photogrammetrie durch wissenschaftliche Taucher

Die Georeferenzierung von 3D-Unterwasserstrukturen mittels Photogrammetrie stellt aufgrund der besonderen Unterwasserbedingungen eine erhebliche Herausforderung dar. Die Studienarbeit untersucht die Anwendung der Photogrammetrie in Unterwasserumgebungen, beschreibt die dabei auftretenden Herausforderungen und zeigt Lösungsansätze zur Datenerhebung auf. Durch Genauigkeitsuntersuchungen und Fehleranalysen mit Hilfe eigens entwickelter Python-Codes sowie der Auswertung in Agisoft Metashape wird die Leistungsfähigkeit der Methode der Datenerhebung unter Wasser mittels Photogrammetrie bewertet.

The georeferencing of 3D underwater structures using photogrammetry poses a considerable challenge due to the special underwater conditions. The thesis examines the application of photogrammetry in underwater environments, describes the challenges that arise and shows possible solutions for data collection. Accuracy tests and error analyses using specially developed Python codes and evaluation in Agisoft Metashape are used to assess the performance of the method of underwater data collection using photogrammetry.

Ausgabe: HN 131, Seite 36–41
DOI: 10.23784/HN131-09
Autor/en: Cassandra Jany

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