DE102016104270B4

DE102016104270B4 - Technik zum Erfassen von Schneeprofildaten

Info

Publication number: DE102016104270B4
Application number: DE102016104270.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Foschum; Oliver Fugger; Biggel Stefan; Alwin Kienle; Thomas Pertassek; Gabriel Stefan Tamaian; Georg von Unold
Original assignee: Ums AG
Current assignee: METER GROUP GMBH, DE
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2019-10-17
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: DE102016104270A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke (400), umfassend:Bereitstellen wenigstens eines optischen Anregungssignals, das an einem in Tiefenrichtung der Schneedecke (400) einstellbaren Einstrahlpunkt (123) in der Schneedecke (400) eingestrahlt wird;Erfassen wenigstens einer optischen Messgröße (500), die auf einen von der Schneedecke (400) innerhalb einer vorgegebenen Messumgebung des Einstrahlpunkts (123) remittierten Anteil des optischen Anregungssignals hinweist, wobei als optische Messgröße (500) ein Intensitätsverlauf des von der Schneedecke (400) remittierten Anteils des optischen Anregungssignals in Abhängigkeit vorgegebener Abstände zum Einstrahlpunkt (123) erfasst wird; undBereitstellen der wenigstens einen erfassten optischen Messgröße (500) zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke (400) hinweisenden optischen Parameters.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zum Bestimmen von Schneeprofilen. Ferner umfasst die Erfindung eine Technik zum zentralen Verfügbarmachen erfasster Schneeprofildaten.
Stand der Technik
Schneedecken können aus unterschiedlichen Schneeschichten aufgebaut sein, welche sich hinsichtlich Mächtigkeit, Dichte (Wassergehalt in fester und flüssiger Form), strukturellem Aufbau und Verbundfestigkeit voneinander unterscheiden. Informationen über Verbundfestigkeit und Wassergehalt (oder Feuchtigkeit) von Schneeschichten sind beispielsweise bei der Bewertung der Lawinengefahr eines Terrains von großer Bedeutung. Informationen über die Dichte von Schneedecken oder Schneeschichten sind aber beispielsweise auch für das Wasserressourcenmanagement von Bergregionen von Interesse.
Zur Bestimmung des schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke (also eines Schneeprofils) eines Terrains werden normalerweise eine oder mehrere Schneeprofilgrabungen durchgeführt. Bei Schneeprofilgrabungen wird das sich in Tiefenrichtung der Schneedecke erstreckende Schneeprofil freigelegt, welches den schichtweisen Aufbau der Schneedecke preisgibt. Die jeweiligen Schneeschichten der Schneedecke werden im Schneeprofil sichtbar und können in Hinblick auf Parameter, wie beispielsweise die Härte, Festigkeit, Festigkeit der Schneeschichten untereinander, Schneeart, Kornform, spezifische Oberfläche, Dichte und/oder Feuchtigkeit, untersucht werden. Diese Parameter lassen Rückschlüsse auf meteorologische Einflüsse zur Zeit der Entstehung der jeweiligen Schicht (z.B. Neuschnee, Regen, Wind, Sonneneinstrahlung), aber auch spätere Entwicklungen innerhalb der Schneedecke zu (z.B. Eigendruck, Rekristallisation). Schneeprofilgrabungen stellen allerdings einen starken Eingriff in die zu untersuchenden Schneedecken dar und erfordern einen beträchtlichen Zeitaufwand. Der Zeitaufwand kann je nach Anzahl der benötigten Grabungen zwischen einer halben Stunde und mehreren Stunden variieren. Ferner sind Schneeprofilgrabungen nur in mäßig steilen Terrains durchführbar, da die Gefahr einer Störung des Schneedeckenaufbaus zu groß ist.
Ferner bekannt ist ein als „SnowMicroPen“ oder abgekürzt als „SMP“ bezeichnetes Schneedeckenanalysesystem. Das SMP-Schneedeckenanalysesystem umfasst eine keilförmige Sonde mit einem hochempfindlichen piezoelektrischen Drucksensor, welcher den Sonden-Eindringwiderstand im Schnee misst. Die Sonde wird mit Hilfe einer linearen Antriebseinrichtung in den Schnee gerammt. Der piezoelektrische Drucksensor misst hierbei in Abhängigkeit der Sondeneindringtiefe den Druck, den die einzelnen Schneeschichten auf die Sonde ausüben. Aus den so erfassten Druckwerten können „schwache“ Schneeschichten detektiert werden. Das SMP-Schneedeckenanalysesystem ermöglicht Messungen mit einer Auflösung im Bereich weniger Millimeter, welche schnell und gut reproduzierbar durchgeführt werden können. Nachteilig sind jedoch die hohen Kosten sowie die komplexe Signalinterpretation.
Aus der DE 195 03 017 A1 ist eine Schneeprofilmesssonde zur Messung des Schichtaufbaus einer Schneedecke bekannt. Diese umfasst einen stabförmigen Trägerkörper zur Einführung in eine Schneeschicht und eine an einem Ende des stabförmigen Trägerkörpers angeordnete Messeinrichtung. Die Messeinrichtung kann ein optisches Messsystem umfassen mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger zur Durchführung von Reflexionsmessungen bzw. Absorptionsmessungen. Ferner ist aus der US 6 957 593 B1 eine Technik bekannt, die auf der Grundlage von im Schnee reflektierten Licht auf die Schneebeschaffenheit schließt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Technik zum Bestimmen von Schneeprofilen bereitzustellen, welche wenigstens einen der oben genannten Nachteile beseitigt. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Technik zum zentralen Verfügbarmachen erfasster Schneeprofildaten bereitzustellen.
Kurzer Abriss
Zur Lösung der oben genannten Aufgabe sowie weiterer Aufgaben wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Bestimmen eines schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bereitstellens wenigstens eines optischen Anregungssignals, das an einem in Tiefenrichtung der Schneedecke einstellbaren Einstrahlpunkt in der Schneedecke eingestrahlt wird, des Erfassens wenigstens einer optischen Messgröße, welche auf einen von der Schneedecke innerhalb einer vorgegebenen Messumgebung des Einstrahlpunkts remittierten Anteil des optischen Anregungssignals hinweist, und des Bereitstellens der wenigstens einen erfassten optischen Messgröße zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke hinweisenden optischen Parameters.
In der Offenbarung wird mit dem Begriff „Tiefenrichtung“ jene Richtung in der Schneedecke bezeichnet, die (im Wesentlichen) der Lotrichtung (also der örtlichen Richtung der Schwerebeschleunigung des Erdgravitationsfeldes) entspricht. Die Tiefenrichtung entspricht somit der gewöhnlichen Schneefallrichtung ohne Berücksichtigung von Windeinflüssen. Ferner werden mit den Begriffen „horizontale Richtungen“, „horizontale Abstände“ und „horizontale Ebene(n)“ jene Richtungen, Abstände und Ebenen bezeichnet, welche im Wesentlichen senkrecht zur Tiefenrichtung (also Lotrichtung) verlaufen.
Mit Einstrahlpunkt kann ein im Wesentlichen punktförmiger Bereich in der Schneedecke gemeint sein. Der Einstrahlpunkt kann auf einen lokalen Bereich in der Schneedecke begrenzt sein, welcher in Tiefenrichtung und/oder in zur Tiefenrichtung senkrecht stehenden horizontalen Richtungen geringe Abmessungen aufweist. Die jeweiligen Abmessungen können im Bereich eines oder weniger Millimeter liegen. Das optische Anregungssignal wird somit in der Schneedecke räumlich begrenzt (also lokalisiert) eingestrahlt. Durch die räumliche Begrenzung der Einstrahlung auf einen im Wesentlichen punktförmigen Bereich kann die räumliche Auflösung des Verfahrens verbessert werden.
Mit vorgegebener Messumgebung kann ein den Einstrahlpunkt umgebender, räumlich begrenzter Bereich der Schneedecke (einer Schneeschicht) gemeint sein.
Der Schritt des Erfassens der wenigstens einen Messgröße innerhalb der vorgegebenen Messumgebung umfasst ein Erfassen einer Intensität oder eines Intensitätsverlaufs des von einer Schneeschicht der Schneedecke remittierten Anteils des optischen Anregungssignals in Abhängigkeit vorgegebener Abstände zum Einstrahlpunkt. Zur Erfassung des Intensitätsverlaufs kann die Intensität des remittierten Signalanteils in vorgegebenen (im Wesentlichen) horizontalen Abständen zum Einstrahlpunkt erfasst werden. Die Intensitäten oder der Intensitätsverlauf kann hierbei innerhalb der vorgegeben Messumgebung erfasst werden. Mit remittiertem Signalanteil kann der von der Schneedecke diffus gestreute Anteil des elektromagnetischen Anregungssignals gemeint sein, welcher in Remission erfasst wird. Der für die Erfassung der wenigstens einen Messgröße festgelegte Einstrahlpunkt kann in Tiefenrichtung der Schneedecke variabel eingestellt werden. Mit anderen Worten kann während des Verfahrens der Einstrahlpunkt in Tiefenrichtung der Schneedecke variabel eingestellt werden. Für jeden in Tiefenrichtung neu eingestellten Einstrahlpunkt kann der Schritt des Erfassens der wenigstens einen Messgröße wiederholt werden. Genauso kann der Schritt des Bereitstellens der wenigstens einen erfassten Messgröße zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke hinweisenden optischen Parameters für jeden in Tiefenrichtung neu eingestellten Einstrahlpunkt wiederholt werden. Auf diese Weise kann die Remission des Anregungssignals für verschiedene in Tiefenrichtung der Schneedecke ausgewählte Positionen (also in Abhängigkeit der Tiefe der Schneedecke) erfasst werden. Gleichzeitig kann für jeden neu eingestellten Einstrahlpunkt die gegenwärtige Tiefe des Einstrahlpunkts oder der Messumgebung erfasst werden. Die Tiefe des Einstrahlpunkts oder der Messumgebung kann hierbei bezüglich der Schneedeckenoberfläche gemessen werden. Die entlang der Tiefenrichtung gewonnenen Schneeprofildaten können somit Intensitätswerte und Tiefenwerte umfassen. Aus ihnen kann der Schichtaufbau der Schneedecke tiefenaufgelöst ermittelt werden. Ist die Tiefenauflösung von sekundärem Interesse, so können die bereitgestellten Schneeprofildaten auch nur die gemessenen Intensitätswerte umfassen.
Als optisches Anregungssignal kann wenigstens ein monochromatisches oder polychromatisches Anregungssignal bereitgestellt werden. Das wenigstens eine monochromatische oder polychromatische Anregungssignal kann ein Anregungssignal im sichtbaren Spektralbereich und/oder im (nahen, mittleren und/oder fernen) Infrarotbereich sein. Gemäß einer Variante kann der Spektralbereich für das wenigstens eine monochromatische oder polychromatische Anregungssignal einen Wellenlängenbereich von 10 nm bis 10000 nm, bevorzugt einen Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1000 nm, umfassen. Gemäß einer Variante kann das polychromatische Anregungssignal Licht weniger Wellenlängen (beispielsweise 2 bis 5 verschiedene Wellenlängen) aus dem oben genannten Spektralbereich umfassen. Unabhängig davon, ob das Anregungssignal als monochromatisches oder polychromatisches Signal ausgebildet ist und unabhängig vom ausgewählten Spektralbereich kann das Anregungssignal in Form von Signalpulsen oder als kontinuierliches Signal bereitgestellt werden.
Wird ein polychromatisches Anregungssignal bereitgestellt, so kann die erfasste wenigstens eine Messgröße (Intensitäten oder Intensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Abstand zum Einstrahlpunkt) über den Wellenlängenbereich des Anregungssignals spektral aufgelöst ermittelt werden. Die spektrale Auflösung kann hierbei eine Auflösungsgenauigkeit von ungefähr 1 nm bis 10 nm erreichen. Die Intensität oder der Intensitätsverlauf kann für jeden spektral aufgelösten Wellenlängenbereich oder Wellenlänge des polychromatischen Anregungssignals unterschiedlich sein, da je nach Zusammensetzung und Beschaffenheit der Schneedecke spektrale Bereiche des Anregungssignals unterschiedlich (diffus) gestreut und/oder unterschiedlich stark absorbiert werden.
Die für jeden Einstrahlpunkt erfasste wenigstens eine Messgröße (Intensitäten oder Intensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Abstand zum Einstrahlpunkt) kann dazu herangezogen werden, wenigstens einen auf optische Eigenschaften der Schneedecke hinweisenden optischen Parameter zu bestimmen. Als optischer Parameter können ein auf eine Absorption des Anregungssignals hinweisender Absorptionskoeffizient und/oder mindestens ein auf eine Streuung des Anregungssignals hinweisender Streuparameter bestimmt werden. Der Absorptionskoeffizient kann auf den von einer Schneeschicht der Schneedecke absorbierten Anteil des Anregungssignals hinweisen. Als Streuparameter können ein reduzierter Streukoeffizient und/oder ein eine Streufunktion beschreibender Parameter bestimmt werden. Der reduzierte Streukoeffizient kann auf den durch eine Schneeschicht diffus gestreuten Anteil des Anregungssignals hinweisen. Der eine Streufunktion beschreibende Parameter kann beispielsweise ein Anisotropiefaktor (erstes Legendremoment oder Legendremomente höherer Ordnung) der Streufunktion sein. Sind die Intensitäten oder der Intensitätsverlauf spektral aufgelöst erfasst worden, so können der Absorptionskoeffizient und/oder der Streuparameter über den Wellenlängenbereich des Anregungssignals spektral aufgelöst (also in Abhängigkeit der Wellenlänge des Anregungssignals) bestimmt werden. Die spektrale Auflösungsgenauigkeit für den Absorptionskoeffizient und/oder den Streuparameter kann hierbei wiederum im Bereich von beispielsweise 1 nm bis 10 nm liegen.
Der Absorptionskoeffizient und/oder mindestens eine Streuparameter können mit Hilfe eines mathematischen Modells (z.B. einer Boltzmann-Transportgleichung oder aus einer von der Boltzmann-Transportgleichung als Näherung abgeleiteten Diffusionsgleichung) aus den erfassten abstandsabhängigen Schneeprofildaten (d.h. erfassten Intensitäten oder Intensitätsverlauf in Abhängigkeit vom Abstand zum Einstrahlpunkt) ermittelt werden. Die Lösung der Boltzmann-Transportgleichung oder der Diffusionsgleichung kann analytisch oder numerisch gelöst werden. Die Lösung kann mit Hilfe Neuronaler Netze, Look-Up-Tabellen, geeigneter Fitroutinen (z.B. Levenberg-Marquardt-Verfahren) oder mit Methoden der Multivariaten Datenanalyse (z.B. PCA, PCR, PLS) erfolgen. Wird ein polychromatisches Anregungssignal verwendet, so kann der Absorptionskoeffizient und/oder der mindestens eine Streuparameter mit Hilfe des oben genannten mathematischen Modells und der oben genannten Lösungstechnik spektral aufgelöst (d.h. in Abhängigkeit der Wellenlänge des Anregungssignals) ermittelt werden.
Ferner kann aus dem wenigsten einen optischen Parameter wenigstens ein auf den Aufbau der Schneedecke hinweisender Parameter (kurz Schneedeckenparameter) bestimmt werden. Beispielsweise kann aus dem (spektral aufgelösten) Absorptionskoeffizienten auf die Dichte und den Wassergehalt einer Schneeschicht und/oder auf den Gehalt anderer in der Schneeschicht der Messumgebung enthaltenen Absorber (wie beispielsweise Verschmutzungspartikel) geschlossen werden. Mit Hilfe des Absorptionskoeffizienten kann somit die Schneefeuchtigkeit und Schneeverunreinigung einer in der Messumgebung liegenden Schneeschicht bestimmt werden. Aus dem (spektral aufgelösten) reduzierten Streukoeffizienten kann ein Zusammenhang zur Verdichtung, Struktur, spezifischen Oberfläche und/oder Korngröße einer in der Messumgebung liegenden Schneeschicht hergestellt werden.
Zusätzlich zur optischen Messgröße kann ferner wenigstens eine thermische Messgröße und/oder akustische Messgröße erfasst und bereitgestellt werden. Als thermische Messgröße kann die Temperatur der in der Messumgebung liegenden Schneeschicht erfasst werden. Hieraus kann die Enthalpie und der Aggregatzustand der Schneeschicht bestimmt werden. Als akustische Messgröße kann ein auf ein Aufbrechen von versinterten Schneekristallen hinweisendes akustisches Signal ermittelt werden. Hieraus kann auf die Stabilität der Schneeschicht geschlossen werden.
Stammen die oben genannten Schneeprofildaten (optische Messgröße, thermische und/oder akustische Messgröße) aus unterschiedlichen Tiefen der Schneedecke, so kann mit dem hier beschriebenen Verfahren wenigstens ein auf den schichtweisen Aufbau der Schneedecke hinweisender Parameter tiefenabhängig ermittelt werden. Mit anderen Worten kann der schichtweise Aufbau der Schneedecke rekonstruiert werden.
Alle entlang der Tiefenrichtung erfassten Schneeprofildaten können wenigstens einem zentralen Computersystem und/oder wenigstens einem lokalen Endgerät bereitgestellt werden. Der Schritt des Bestimmens des wenigstens einen optischen Parameters und, optional, der Schritt des Bestimmens wenigstens eines auf den schichtweisen Aufbau der Schneedecke hinweisenden Parameters kann im zentralen Computersystem und/oder wenigstens einem lokalen Endgerät durchgeführt werden. Als lokales Endgerät kann ein Benutzerendgerät, wie beispielsweise ein Smartphone, ein Personal Digital Assistant (PDA) oder ein (tragbarer) Personal Computer, gemeint sein. Mit zentralem Computersystem können ein oder mehrere verteilte Computer in einem globalen Computernetzwerk (Cloud) gemeint sein.
Zur Durchführung der oben genannten Bestimmungsschritte können das Computersystem und/oder das lokale Endgerät jeweils wenigstens einen Datenspeicher zum zentralen Abspeichem aller erfassten Schneeprofildaten sowie von Softwareroutinen zur Durchführung der Bestimmungsschritte umfassen. Ferner können das zentrale Computersystem und/oder das Benutzerendgerät jeweils wenigstens einen Prozessor zur Verarbeitung der Softwareroutinen und der Schneeprofildaten umfassen, um die für den Aufbau der Schneedecke charakteristischen optischen Parameter und Schneedeckenparameter zu berechnen. Die im Computersystem zentral abgespeicherten Schneeprofildaten (und die daraus bestimmten optischen Parameter und Schneedeckenparameter) können beliebigen Dritten zentral zur Verfügung gestellt werden.
Die Schritte des Erfassens und Bereitstellens wenigstens einer (optischen, thermischen, akustischen) Messgröße können mittels einer dafür ausgelegten Messsonde durchgeführt werden. Die Messsonde kann als portable oder als stationäre Messsonde ausgebildet sein. Optional kann die Messsonde auch dazu ausgelegt sein, auf Basis der erfassten Messgrößen wenigstens einen optischen Parameter und, optional, wenigstens einen auf den Aufbau der Schneedecke hinweisenden Parameter zu ermitteln.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Vorrichtung zur Bestimmung eines schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Signalerzeugungseinrichtung zur Bereitstellung wenigstens eines optischen Anregungssignals, wobei die Signalerzeugungseinrichtung dazu ausgebildet ist, das Anregungssignal an einem in Tiefenrichtung der Schneedecke einstellbaren Einstrahlpunkt in der Schneedecke einzustrahlen, und eine Erfassungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, eine optische Messgröße zu erfassen, die auf einen von der Schneedecke innerhalb einer vorgegebenen Messumgebung des Einstrahlpunkts remittierten Anteil des Anregungssignals hinweist, wobei als optische Messgröße ein Intensitätsverlauf des von der Schneedecke innerhalb der vorgegebenen Umgebung remittierten Signalanteils in Abhängigkeit vorgegebener Abstände zum Einstrahlpunkt erfasst wird. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Bereitstellungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine erfasste Messgröße zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke hinweisenden optischen Parameters bereitzustellen.
Die Signalerzeugungseinrichtung kann eine monochromatische oder polychromatische Signalquelle umfassen. Die monochromatische oder polychromatische Signalquelle kann dazu ausgebildet sein, ein monochromatisches oder polychromatisches Anregungssignal im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich zu erzeugen. Als Signalquelle können eine Weißlichtquelle, eine oder mehrere (organische) LEDs, Laserdioden oder eine anderweitige Laserquelle zum Einsatz kommen. Die Signalquelle kann zur Erzeugung eines kontinuierlichen oder gepulsten Anregungssignals ausgebildet sein.
Die Erfassungseinrichtung kann dazu ausgebildet sein, eine Intensität oder Intensitätsverlauf des von der Schneedecke innerhalb der Messumgebung remittierten Anteils des Anregungssignals in Abhängigkeit vorgegebener Abstände zum Einstrahlpunkt zu erfassen. Die Erfassungseinrichtung kann hierfür einen Lichtsensor umfassen, der zur Umwandlung der erfassten Intensitäten in korrespondierende elektrische Signale ausgelegt ist. Als Lichtsensor kann beispielsweise eine Photodiode, CCD-Sensor oder CMOS-Sensor zum Einsatz kommen
Gemäß einer Variante kann die Erfassungseinrichtung zusätzlich einen Spektrographen zur spektralen Aufteilung des erfassten remittierten Signalanteils umfassen. Die spektral aufgelösten Intensitäten des remittierten Signalanteils können dann mit Hilfe des Lichtsensors detektiert werden.
Die Vorrichtung kann ferner eine optische Transmissionseinrichtung umfassen, welche zur Transmission des optischen Anregungssignals und des im Schnee remittierten Anteils des Anregungssignals vorgesehen ist. Die optische Transmissionseinrichtung kann wenigstens ein in der Vorrichtung angeordnetes optisches Fenster umfassen, das im Spektralbereich des Anregungssignals optisch transparent ist. Durch das wenigstens eine Fenster kann einerseits das in der Vorrichtung erzeugte Anregungssignal zum Einstrahlpunkt der Schneedecke und andererseits der von der Schneedecke remittierte Signalanteil zur Erfassungseinrichtung gelangen kann. Optional kann die optische Transmissionseinrichtung ferner eine Fokussiereinrichtung zum Fokussieren des Anregungssignals an einem Einstrahlpunkt sowie eine Ablenkeinrichtung zum Ablenken des fokussierten Anregungssignals umfassen. Ferner kann die Transmissionseinrichtung eine optische Abbildungseinrichtung umfassen, welche dazu ausgelegt ist, den abstandabhängigen remittierten Signalanteil der in der Vorrichtung angeordneten Erfassungseinrichtung zuzuführen.
Gemäß einer Variante ist auch denkbar, dass die optische Transmissionseinrichtung aus mehreren Lichtleitern aufgebaut ist. Wenigstens ein Lichtleiter (sogenannte Anregungsfaser) kann hierbei mit der Signalquelle optisch gekoppelt oder koppelbar sein, um das Anregungssignal zum Einstrahlpunkt zu leiten. Ferner kann wenigstens ein zur wenigstens einen Anregungsfaser beabstandet angeordneter Lichtleiter (sogenannte Detektionsfaser) mit der Erfassungseinrichtung optisch gekoppelt oder koppelbar sein, um den aus der vorgegebenen Messumgebung remittierten Signalanteil der Erfassungseinrichtung zuzuführen.
Die Vorrichtung kann ferner wenigstens eine der folgenden Einrichtungen umfassen: eine Einrichtung zur Erfassung einer thermischen Messgröße in der vorgegeben Messumgebung; und eine Einrichtung zur Erfassung einer akustischen Messgröße in der vorgegebenen Messumgebung. Die Einrichtung zur Erfassung einer thermischen Messgröße kann einen Temperatursensor umfassen, der dazu ausgebildet ist, die Temperatur der Schneedecke in der vorgegeben Messumgebung zu erfassen. Die Einrichtung zur Erfassung einer akustischen Messgröße kann ein Mikrophon umfassen, das dazu ausgebildet ist, ein durch Aufbrechen von versinterten Schneekristallen erzeugtes akustisches Signal zu erfassen. Die Erfassung der thermischen und/oder akustischen Messgröße kann mit der Erfassung der optischen Messgröße parallel (gleichzeitig) erfolgen.
Die Vorrichtung kann ferner einen Positionssensor umfassen, welcher dazu ausgebildet ist, die globale geographische Position der Vorrichtung zu erfassen. Als Positionssensor kann ein GPS-Positionssensor oder ein anderweitiger Positionssensor vorgesehen sein, der auf der Grundlage eines satellitengestützten Positionssystems (z.B. Galileo- oder Glonass-System) Positionsdaten erfasst. Die Positionsdaten können dazu verwendet werden, die erfassten Schneeprofildaten geographischen Messpositionen eindeutig zuzuordnen.
Die Vorrichtung kann ferner eine Erfassungseinrichtung umfassen, die dazu ausgebildet ist, die Tiefe des Einstrahlpunkts (oder der Messumgebung) in der Schneedecke zu erfassen. Die Tiefe kann hierbei bezüglich der Schneedeckenoberfläche gemessen werden.
Die Bereitstellungseinrichtung kann als drahtlose und/oder drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle ausgebildet sein. Sie kann dazu ausgebildet sein, die erfassten (optischen, thermischen, akustischen) Messwerte (sowie die erfassten Tiefenwerte und geographischen Positionswerte) einem Endgerät oder Computernetzwerk bereitzustellen.
Die Vorrichtung kann für den stationären Betrieb ausgelegt sein. Die Vorrichtung kann hierfür eine Befestigungseinrichtung umfassen, welche dazu ausgebildet ist, die Vorrichtung an einer ausgewählten Position eines Terrains (schwimmend) zu befestigen. Alternativ kann die Vorrichtung als tragbares Messgerät (z.B. als tragbare Messsonde) ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Messsystem bereitgestellt, welches eine Vielzahl (also mindestens zwei) der oben beschriebenen Vorrichtungen umfasst, wobei die Vorrichtungen in einem Terrain voneinander beabstandet angeordnet sind. Die Vorrichtungen können in dem Terrain stationär angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein netzartiges Messsystem zur Überwachung des Terrains bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computersystem bereitgestellt, welches dazu ausgebildet ist, mit der oben genannten Vorrichtung oder dem oben genannten Messsystem zu kommunizieren. Das Computersystem ist dazu ausgebildet, die von der Vorrichtung oder dem Messsystem bereitgestellten Schneeprofildaten (Intensitätswerte, Tiefenwerte und, optional, Positionswerte) abzuspeichern und Nutzern zentral zur Verfügung zu stellen.
Figurenliste
Weitere Aspekte, Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen

1 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen von Schneeprofildaten;
2 eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfahrens gemäß der 1;
3a-3c eine Implementierung der Vorrichtung gemäß der 2;
4 ein Flussdiagramm zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen des schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke aus den erfassten Schneeprofildaten;
5 eine Vorrichtung zur Implementierung des Verfahrens gemäß der 4; und
6 eine schematische Darstellung eines Computernetzwerkes, welches zur zentralen Speicherung und Bereitstellung erfasster Schneeprofildaten vorgesehen ist.

Detaillierte Beschreibung
Anhand der 1-3c wird eine Technik zum Erfassen von Schneeprofildaten 500 einer Schneedecke 400 näher erläutert (vgl. Schneedecke 400 in 3a und Schneeprofildaten 500 in 2). Aus den gemessenen Schneeprofildaten 500 kann ein schichtweiser Aufbau der Schneedecke 400 rekonstruiert werden.
Zunächst zu 1: 1 zeigt ein Flussdiagramm 10 eines erfindungsgemäßen Verfahrens 10 zum Messen von Schneeprofildaten 500 entlang einer Tiefenrichtung der Schneedecke 400. Die Tiefenrichtung der Schneedecke entspricht der Lotrichtung (also der zum Erdmittelpunkt zeigenden Richtung) wie oben dargelegt.
In einem ersten Schritt S12 wird ein optisches Anregungssignal im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich bereitgestellt, das an einem einstellbaren lokalisierten Bereich, im Folgenden Einstrahlpunkt 123 genannt, in der Schneedecke 400 eingestrahlt wird (vgl. 3c Einstrahlpunkt 123). Der Einstrahlpunkt 123 ist in der Schneedecke 400 entlang der Tiefenrichtung variabel einstellbar. Auf diese Weise kann die Schneedecke 400 entlang der Tiefenrichtung (sukzessive) abgetastet werden.
Der Einstrahlpunkt 123 ist nahezu punktförmig ausgebildet. Dies bedeutet, dass das optische Anregungssignal sowohl in Tiefenrichtung als auch in einer Ebene senkrecht zur Tiefenrichtung räumlich stark lokalisiert ist. Der Einstrahlpunkt 123 kann in den jeweiligen Richtungen Abmessungen im Bereich von unter einem bis mehreren Millimetern aufweisen. Die starke Lokalisierung des Einstrahlpunktes 123 erhöht die Tiefenauflösung des Messverfahrens.
Als optisches Anregungssignal wird ein monochromatisches oder ein polychromatisches Anregungssignal mit einer oder mehreren Signalwellenlängen im spektralen Bereich von 10-10000 nm, bevorzugt von 400-1000 nm, verwendet. Alternativ kann auch eine Weißlichtquelle zum Einsatz kommen, welche einen spektralen Bereich von 10-1000 nm, bevorzugt von 400-1000 nm, abdeckt.
Auf der Grundlage des für einen vorgegebenen Einstrahlpunkt 123 bereitgestellten Anregungssignals wird in einem zweiten Schritt S14 wenigstens eine optische Messgröße erfasst, die auf einen von der Schneedecke 400 innerhalb einer vorgegebenen Messumgebung des eingestellten Einstrahlpunkts 123 remittierten Anteil des Anregungssignals hinweist. Zusätzlich hierzu kann im Schritt S 14 eine Einstrahltiefe des Einstrahlpunkts 123 (oder der vorgegebenen Messumgebung) bezüglich der Schneedeckenoberfläche erfasst werden. Die Erfassung der wenigstens einen Messgröße (und der Einstrahltiefe) kann für jeden entlang der Tiefenrichtung neu eingestellten Einstrahlpunkt 123 wiederholt werden. Somit umfassen die für jeden Einstrahlpunkt 123 erfassten (gemessenen) Schneeprofildaten 500 den innerhalb der Messumgebung erfassten remittierten Signalanteil und eine dazugehörige Tiefeninformation. Die Tiefeninformation wird zur Tiefenauflösung der erfassten Remissionsdaten verwendet.
Gemäß einer Variante wird als Messgröße die Intensität des von der Schneedecke 400 remittierten Anteils des Anregungssignals in vorgegebenen horizontalen Abständen zum Einstrahlpunkt 123 erfasst. Die Intensität kann beispielsweise in definierten horizontalen Abständen von 1 mm bis 20 mm zum Einstrahlpunkt 123 gemessen werden. Auf diese Weise wird ein Intensitätsverlauf des remittierten Anregungssignalanteils in Abhängigkeit des horizontalen Abstands vom Einstrahlpunkt 123 erfasst. Ist ferner das optische Anregungssignal ein polychromatisches Anregungssignal (z.B. Weißlichtsignal), so kann der remittierte Anteil des Anregungssignals spektral (also wellenlängenabhängig) aufgelöst erfasst werden. Mit anderen Worten wird für jede Wellenlänge oder spektral aufgelösten Wellenlängenbereich der Intensitätsverlauf in Abhängigkeit des Abstandes zum Einstrahlpunkt 123 erfasst (siehe Messdaten 500 in 2, welche den erfassten Intensitätsverlauf (I-Achse) des remittierten Signalanteils spektral aufgelöst (λ-Achse) und in Abhängigkeit vom horizontalen Abstand (d-Achse) zum Einstrahlpunkt 123 zeigen). Aus dem erfassten Intensitätsverlauf in Abhängigkeit des Abstandes zum Einstrahlpunkt 123 und in Abhängigkeit der Wellenlänge des Anregungssignals kann auf die Beschaffenheit der Schneedecke 400 in der vorgegebenen Messumgebung des Einstrahlpunkts 123 geschlossen werden, wie in Zusammenhang mit 4 weiter unten noch ausführlich dargelegt wird.
Gemäß einer Implementierung können im Schritt S 14 zusätzlich zu der erfassten optischen Messgröße wenigstens eine thermische Messgröße und/oder akustische Messgröße erfasst und bereitgestellt werden. Als thermische Messgröße kann die Temperatur der in der Messumgebung liegenden Schneeschicht erfasst werden. Als akustische Messgröße kann ein auf ein Aufbrechen von versinterten Schneekristallen hinweisendes akustisches Signal ermittelt werden.
Gemäß einem weiteren dritten Schritt S16 wird die wenigstens eine erfasste optische Messgröße (und die erfasste Einstrahltiefe) zum Bestimmen des schichtweisen Aufbaus der Schneedecke 400 bereitgestellt. Zusätzlich erfasste akustische und/oder thermische Messgrößen können ebenso zur Bestimmung des schichtweisen Aufbaus der Schneedecke 400 bereitgestellt werden. Die Bestimmung des aus den erfassten Messgrößen schichtweisen Aufbaus der Schneedecke 400 wird mit Hilfe der 4 und 5 weiter unten beschrieben. Die für jeden Einstrahlpunkt 123 erfasste (optische, thermische, akustische) Messgröße und dazugehörige Einstrahltiefe können als digitale Daten bereitgestellt werden. Diese können einem lokalen Endgerät oder einem zentralen Computersystem oder Computernetzwerk zugeführt werden.
Anhand von 2 wird eine Vorrichtung 100 zur Implementierung des in 1 dargestellten Verfahrens weiter beschrieben. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Energiequelle 110, eine Signalerzeugungseinrichtung 120, eine Erfassungseinrichtung 130 zur Erfassung des remittierten Signalanteils, eine Erfassungseinrichtung 140 zur Erfassung einer Einstrahltiefe, einen Positionssensor 150, eine optische Transmissionseinrichtung 190, eine Bereitstellungseinrichtung 160 und einen Speicher 170. Optional kann die Vorrichtung 100 auch einen Temperatursensor 142 und einen akustischen Sensor 144 umfassen (die optionalen Komponenten sind in 2 gestrichelt dargestellt).
Ferner umfasst die Vorrichtung 100 eine Kernfunktionalität 180, die beispielsweise als CPU (zentrale Verarbeitungseinheit) oder Mikroprozessor implementiert sein kann. Die Kernfunktionalität 180 kann ferner einen A/D-Wandler umfassen (in 2 nicht dargestellt), welcher dazu ausgebildet ist, die von den Einrichtungen 120-150 erfassten Messwerte in digitale Signale (digitale Messdaten) umzuwandeln. Die Kernfunktionalität 180 steht mit den Einrichtungen 120-170 in Kommunikation. Sie ist dazu ausgebildet, die Steuerung der Einrichtungen 120-150 und/oder die Verarbeitung der von den Einrichtungen 120-150 erfassten Messdaten vorzunehmen (in 2 durch die Pfeile angedeutet).
Die Energiequelle 110 ist dazu ausgebildet, die Einrichtungen 120-180 mit elektrischer Energie zu versorgen.
Die Signalerzeugungseinrichtung 120 ist dazu ausgebildet, das wenigstens eine optische Anregungssignal bereitzustellen. Die Signalerzeugungseinrichtung kann zur Erzeugung eines monochromatischen oder polychromatischen Anregungssignals im sichtbaren Spektralbereich ausgebildet sein. Das Anregungssignal kann durch die Signalerzeugungseinrichtung 120 in Form von Pulsen (gepulstes Signal) oder als kontinuierliches Signal bereitgestellt werden. Gemäß einer Implementierung kann die Signalerzeugungseinrichtung 120 eine oder mehrere (organische) LEDs oder Laserdioden oder eine anderweitige Lichtquelle umfassen, welche dazu ausgebildet sind, Licht im Spektralbereich zwischen 10-10000 nm, bevorzugt zwischen 400-1000 nm, zu erzeugen.
Die Erfassungseinrichtung 130 ist zur Erfassung des von der Schneedecke 400 remittierten Anteils des optischen Anregungssignals in der Messumgebung des Einstrahlpunktes 123 ausgebildet. Die Einrichtung 130 kann hierfür eine Fotodiode und/oder eine Kamera umfassen. Die Kamera kann als Zeilen- oder Flächensensor ausgebildet sein. Der Zeilen- oder Flächensensor kann als MOS-Sensor oder CCD-Sensor ausgebildet sein. Ferner kann die Einrichtung 130 einen Spektrographen zur spektralen Zerlegung des remittierten polychromatischen Lichts umfassen. Eine Implementierung der Signalerzeugungseinrichtung 120 und der Erfassungseinrichtung 130 wird in Zusammenhang mit 3 weiter unten noch näher beschrieben.
Die Erfassungseinrichtung 140 ist zur Erfassung der gegenwärtigen Tiefe des Einstrahlpunkts 123 (oder der vorgegebenen Messumgebung) bezüglich der Schneedeckenoberfläche vorgesehen. Die Erfassungseinrichtung 140 kann hierfür einen Beschleunigungssensor oder Ultraschallsensor aufweisen, welcher die aktuelle Eindringtiefe (und somit die Messtiefe) der Vorrichtung 100 in der Schneedecke 400 erfasst.
Die optische Transmissionseinrichtung 190 ist dazu vorgesehen, das von der Signalerzeugungseinrichtung 120 bereitgestellte Anregungssignal zum Einstrahlpunkt 123 zu leiten und den remittierten Signalanteil der Erfassungseinrichtung 130 zuzuführen. Wie in Zusammenhang mit den 3a-3c noch ausführlicher beschrieben wird, kann die optische Transmissionseinrichtung 190 in Form mehrerer mit der Signalerzeugungseinrichtung 120 und der Erfassungseinrichtung 130 optisch gekoppelter Lichtleiter ausgebildet sein. Alternativ kann die optische Transmissionseinrichtung 190 ein anderweitiges Abbildungssystem umfassen, welches zur Leitung des erzeugten optischen Anregungssignals an einen Einstrahlpunkt und zur Leitung des remittierten Signalanteils an die Erfassungseinrichtung 130 vorgesehen ist.
Der Temperatursensor 142 ist dazu ausgebildet, die Temperatur der Schneedecke in der vorgegeben Messumgebung zu erfassen. Der akustische Sensor 144 kann als Mikrophon ausgebildet sein. Der akustische Sensor 144 ist dazu ausgebildet, ein durch Aufbrechen von versinterten Schneekristallen erzeugtes akustisches Signal zu erfassen. Die Erfassung der Temperatur und des akustischen Signals kann mit der Erfassung der optischen Messgröße gleichzeitig erfolgen.
Der Positionssensor 150 ist dazu ausgebildet, eine absolute geographische Position der Vorrichtung bezüglich eines globalen Koordinatensystems zu erfassen. Der Positionssensor 150 kann als GPS-, Galileo- oder Glonass-Positionssensor implementiert sein.
Der Speicher 170 ist zur Zwischenspeicherung der von den Einrichtungen 120-140 erfassten (und von der Kernfunktionalität weiterverarbeiteten) Messwerte vorgesehen. Ferner kann der Speicher 140 zur Zwischenspeicherung der vom Positionssensor 150 und vom optionalen Temperatursensor 142 und akustischen Sensor 144 erfassten Messdaten vorgesehen sein.
Die Bereitstellungseinrichtung 160 ist zur Kommunikation der Vorrichtung 100 mit der Außenwelt vorgesehen. Die Bereitstellungseinrichtung 160 kann als drahtlose und/oder drahtgebundene Kommunikationsschnittstelle implementiert sein. Sie kann ein WiFi-Modul, ein GPRS-Modul und/oder eine Bluetooth-Schnittstelle umfassen. Sie ist dazu ausgebildet, die erfassten und digitalisierten Schneeprofildaten 500 (in 2 als spektral aufgelöste Intensitätsverläufe in Abhängigkeit des horizontalen Abstands zum Einstrahlpunkt 123 dargestellt) einem mit der Vorrichtung 100 in Kommunikation stehenden Benutzerendgerät, wie beispielsweise einem Smartphone oder einem PC, oder einem Computernetzwerk zur Verfügung zu stellen.
In Zusammenhang mit den 3a-3c wird eine weitere Implementierung der Vorrichtung 100 beschrieben. Die Vorrichtung 100 umfasst zwei miteinander in Kommunikation stehende Module in Form einer Messsonde 125 und einer Analyseeinrichtung 135. Beide Module sind über ein Kabelelement 115 miteinander verbunden. Die Analyseeinrichtung 135 umfasst im Wesentlichen die Komponenten der oben beschriebenen Signalerzeugungseinrichtung 120 und der Erfassungseinrichtung 130.
Wie aus 3a hervorgeht, ist die Messsonde 125 derart konstruiert, dass sie in die Schneedecke 400 eingeführt werden kann. Es sei bemerkt, dass 3a zu Zwecken der Illustration lediglich einen Ausschnitt der Schneedecke 400 zeigt. Die Messsonde 125 ist stabförmig ausgebildet mit einem zylinderförmigen Körper. Der zylinderförmige Körper weist einen kleinen Zylinderdurchmesser auf, welcher typischerweise im Bereich von 10-30 mm, bevorzugt im Bereich von 10-20 mm liegt. Die Messsonde 125 ist ferner zur Aufnahme mehrerer Lichtleitfasern 122, 132 ausgebildet, die im Kabelelement 115 geführt sind. Wenigstens eine der Lichtleitfasern 122, 132 ist mit der Signalerzeugungseinrichtung 120 des Analysesystems 135 optisch gekoppelt. Diese wenigstens eine Lichtleitfaser 122 wird im Folgenden als Anregungsfaser 122 bezeichnet. Sie ist dazu vorgesehen, das von der Signalerzeugungseinrichtung 120 bereitgestellte Anregungssignal an den Einstrahlpunkt 123 zu leiten (siehe 3c). Alle anderen Lichtleitfasern 132 in der Messsonde 125 sind mit der Erfassungseinrichtung 130 des Analysesystems 135 optisch gekoppelt. Sie sind zur Erfassung des in der Messumgebung des Einstrahlpunkts 123 remittierten Anregungssignals vorgesehen. Sie werden im Folgenden Detektionsfasern 132 genannt.
Die Anordnung der Lichtleitfasern 122, 132 in der Messsonde 125 ist in den 3b und 3c schematisch angedeutet. Demnach sind die Lichtleitfasern 122, 132 parallel zur Zylinderachse des zylinderförmigen Körpers der Messsonde 125 angeordnet. Die Anregungsfaser 122 kann parallel zur Zylinderachse an einer vorgegebenen Position im Inneren des zylinderförmigen Körpers (z.B. entlang der Zylinderachse) verlaufen, während die Detektionsfasern 132 in radialer Richtung in vorgegebenen Abständen zur Anregungsfaser 122 angeordnet sind (siehe 3c). Es versteht sich, dass auch eine andere Anordnung der Lichtleitfasern 122, 132 in der Messsonde 125 denkbar ist. Entscheidend ist nur, dass die Detektionsfasern 132 bezüglich der Anregungsfaser 122 beabstandet angeordnet sind. Die im zylinderförmigen Körper angeordneten Detektionsfasern 132 definieren eine zur Zylinderachse senkrecht stehende Detektionsfläche, welche die horizontale Ausdehnung der Messumgebung festlegt. Sie entspricht im Wesentlichen der Zylindergrundfläche der Messsonde 125.
Anhand der 3b und 3c wird das erfindungsgemäße Messprinzip nochmals verdeutlicht. Das von der Signalerzeugungseinrichtung 120 erzeugte Licht wird an einem Ende in die Anregungsfaser 122 eingekoppelt und am anderen Ende der Anregungsfaser 122 in dem Einstrahlpunkt 123 in die Schneedecke 400 eingestrahlt. Der Einstrahlpunkt 123 kann hierbei in Tiefenrichtung der Schneedecke 400 (z-Richtung in 3b) durch Variation der Eindringtiefe der Messsonde 125 beliebig eingestellt werden. Das eingestrahlte Licht wird vom Schnee diffus gestreut. 3c zeigt mögliche Photonenwege 422, 424 des diffus gestreuten Lichts in der Schneedecke 400 unter Berücksichtigung von Vielfachstreuung. Die in der Messsonde 125 in definierten Abständen zur Anregungsfaser 122 angeordneten Detektionsfasern 132 erfassen all jene Photonen, welche durch eine in der Messumgebung liegende Schneeschicht 401, 402, 403 der Schneedecke 400 remittiert (diffus zurückgestreut) werden. Die remittierten Photonen stammen in der Regel aus einer dünnen Schneeschicht am Einstrahlpunkt 123. In 3b ist die Beprobung der Schneeschicht 402 gezeigt. Die remittierten Photonen werden von den Detektionsfasern 132 erfasst und an die Erfassungseinrichtung 130 geleitet. Die Erfassungseinrichtung 130 erfasst die Photonenzahl und somit die Lichtintensität für jede Detektionsfaser 132. Somit kann die Intensität des remittierten Lichtanteils in Abhängigkeit des Abstands vom Einstrahlpunkt 123 erfasst werden.
Es versteht sich, dass die Vorrichtung 100 anstelle der in 3a gezeigten zweiteiligen Anordnung auch einteilig ausgebildet sein kann. Beispielsweise kann die Analyseeinrichtung 135 in der Messsonde 125 integriert sein. Durch Anordnung der Analyseeinrichtung 135 in der Messsonde 125 kann das Kabelelement 115 entfallen. Ebenso können die oben genannten Anregungsfaser 122 und Detektionsfasern 132 durch an der Messsonde 125 angeordnete, und im Spektralbereich des Anregungssignals und des remittierten Signalanteils optisch transparente Fenster ersetzt werden. In diesem Fall wird das von der Signalerzeugungseinrichtung 120 erzeugte optische Anregungssignal über wenigstens ein Fenster (Anregungsfenster) direkt zum Einstrahlpunkt geleitet. Genauso wird der von einer Schneeschicht 401, 402, 403 remittierte Signalanteil durch wenigstens ein Fenster (dieses kann vom Anregungsfenster verschieden sein) zur Erfassungseinrichtung 130 der Vorrichtung gelangen.
Nachdem eine Messtechnik zum Erfassen von Schneeprofildaten beschrieben wurde, wird nun in Zusammenhang mit dem in 4 dargestellten Flussdiagramm 20 ein Verfahren zum Bestimmen eines tiefenaufgelösten Aufbaus der Schneedecke 400 auf der Grundlage der erfassten Schneeprofildaten 500 (Intensitätswerte des remittierten optischen Anregungssignals, Tiefenwerte, und optionale Temperaturwerte und akustische Signalwerte) näher erläutert.
Zunächst werden in einem Schritt S 16 die erfassten Schneeprofildaten 500 bereitgestellt. Diese umfassen wenigstens die Intensitätswerte des remittierten optischen Anregungssignals sowie Tiefenwerte. Optional können die Schneeprofildaten 500 auch Temperaturwerte und akustische Signalwerte umfassen. Diese Schneeprofildaten 500 können direkt von der Vorrichtung 100 bereitgestellt werden. Alternativ ist auch denkbar, dass die Schneeprofildaten 500 von einer Datenbank eines zentralen Computersystems in einem globalen Computernetzwerk (Cloud) bereitgestellt werden, welches Schneeprofildaten 500 zentral verwaltet.
In einem weiteren Schritt S18 wird dann auf der Grundlage der bereitgestellten Schneeprofildaten 500 wenigstens ein optischer Parameter ermittelt, welcher auf die optischen Eigenschaften der Schneedecke 400 hinweist. Konkret wird mit Hilfe eines mathematischen Modells, das die Ausbreitung von optischer Anregungsstrahlung in einem diffus streuenden Medium beschreibt, aus den erfassten abstandsabhängigen und spektral aufgelösten Intensitätswerten ein Absorptionskoeffizient und/oder reduzierter Streukoeffizient spektral aufgelöst ermittelt. Die Ausbreitung elektromagnetischer Anregungsstrahlung wird mit Hilfe der Boltzmann-Transportgleichung oder einer aus der Boltzmann-Transportgleichung abgeleiteten Diffusionsgleichung beschrieben. Die Lösung dieser Gleichungen unter Berücksichtigung von Randbedingungen (z.B. Geometrie der Messsonde, Abmessung der Messumgebung) kann numerisch oder analytisch erfolgen (z.B. mittels einer Monte-Carlo-Simulation). Die Ermittlung des Absorptionskoeffizienten und/oder des reduzierten Streukoeffizienten aus den erfassten abstandsabhängigen und spektral aufgelösten Intensitätswerten, kann anhand von Neuronalen Netzen, Look-Up-Tabellen, geeigneten Fitroutinen (z.B. LMF) oder mit Methoden der Multivariaten Datenanalyse (z.B. PCA, PCR, PLS) durchgeführt werden.
Der im Schritt S18 ermittelte, spektral aufgelöste reduzierte Streukoeffizient und/oder Absorptionskoeffizient hängt von der Beschaffenheit der Schneedecke 400 in der Messumgebung ab. Im darauffolgenden Schritt S20 wird auf der Grundlage des spektral aufgelösten Absorptionskoeffizienten und/oder reduzierten Streukoeffizienten wenigstens ein auf die Beschaffenheit der Schneedecke 400 in der Messumgebung hinweisender Parameter ermittelt. Beispielsweise ist aus dem spektralen Verlauf des Absorptionskoeffizienten der Wassergehalt der Schneedecke 400 ermittelbar, da dieser im Wellenlängenbereich von 960-1050 nm einen dem Wasser (in fester und flüssiger Form) eindeutig zuordenbaren Absorptionspeak aufweist. Genauso können all jene Absorber ermittelt werden, welche im Spektralbereich des verwendeten Anregungssignals zu einem oder mehreren Absorptionspeaks führen. Ferner kann aus dem reduzierten Streukoeffizienten mit Hilfe des mathematischen Modells auf die Verdichtung, Struktur und/oder Korngröße der Schneedecke 400 geschlossen werden. Sind zusätzlich Temperaturwerte erfasst worden, so kann daraus auf die Enthalpie und den Aggregatzustand der Schneeschicht geschlossen werden. Aus den erfassten akustischen Signalwerten kann auf die Stabilität der Schneeschicht geschlossen werden.
Die Schritte S 18 und S20 können für die Schneeprofildaten 500 einer jeden Messumgebung wiederholt werden. Auf diese Weise kann der schichtweise Aufbau der Schneedecke 400 tiefenaufgelöst ermittelt werden.
Anhand von 5 wird eine Vorrichtung 200 zur Implementierung des in 4 dargestellten Verfahrens erläutert. Die Vorrichtung 200 umfasst eine Einrichtung 230, die zur Bestimmung von spektral aufgelösten Absorptionskoeffizienten und/oder reduzierten Streukoeffizienten auf der Grundlage bereitgestellter Schneeprofildaten 500 (spektral aufgelöste Intensitätswerte des remittierten optischen Anregungssignals) vorgesehen ist. In 5 sind die von der Einrichtung 230 ermittelten und bereitgestellten Absorptionskoeffizienten und reduzierte Streukoeffizienten durch die Abkürzungen µ_a und µ_s' dargestellt. Die Vorrichtung 200 umfasst ferner eine Einrichtung 240, die dazu vorgesehen ist, auf der Grundlage der bereitgestellten Absorptionskoeffizienten µ_a und/oder reduzierten Streukoeffizienten µ_s' die in Zusammenhang mit 4, Schritt S20 weiter oben beschriebenen Parameter zu bestimmen.
Die beiden Einrichtungen 230, 240 können als eigenständige Software- und/oder Hardware-Module ausgebildet sein. Alternativ können die beiden Einrichtungen 230, 240 Teil einer Kernfunktionalität 220 sein, wie in 5 dargestellt. Die Kernfunktionalität 220 kann als CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), Mikroprozessor, oder dezidierte Schaltung (z.B. als ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) oder als FPGA (Field Programmable Gate Array)) implementiert sein.
Optional kann die Vorrichtung 200 einen Speicher 250 und eine Kommunikationsschnittstelle 260 umfassen. Der Speicher 250 ist zum Zwischenspeichern der empfangenen Schneeprofildaten 500 und/oder zum Zwischenspeichern der von den Modulen 230, 240 ermittelten Parameterdaten vorgesehen. Die mit dem Speicher 250 und den Modulen 230, 240 in Kommunikation stehende Kommunikationsschnittstelle 260 ist zum Empfangen von Schneeprofildaten 500 vorgesehen. Sie ist ferner zum Senden der durch die Module 230, 240 ermittelten Parameterdaten vorgesehen. Die Kommunikationsschnittstelle 260 kann hierfür als drahtgebundene und/oder drahtlose Schnittstelle (z.B. GPRS-Modul) ausgebildet sein. Es versteht sich, dass gemäß einer alternativen Ausgestaltung die Kommunikationsschnittstelle 260 und/oder der Speicher 250 auch Teil eines übergeordneten Gerätes sein können (z.B. eines Servers in einem Computersystem oder eines Benutzerendgeräts), in welchem die Vorrichtung 200 implementiert ist. Insbesondere ist auch denkbar, dass die Vorrichtung 200 in der oben beschriebenen Messsonde implementiert ist.
In Zusammenhang mit 6 wird eine Technik zum zentralen Verfügbarmachen der erfassten Schneeprofildaten 500 mit Hilfe eines zentralen Computersystems 1000 weiter erläutert. 6 zeigt ein Computersystem 1000, das in einem globalen Computernetzwerk (Cloud) angeordnet ist. Das Computersystem 1000 umfasst eine oder mehrere Recheneinheiten 1010a-1010d und wenigstens eine Datenbank 1200, welche untereinander kommunikativ verbunden sind. Ferner umfasst das Computersystem 1000 wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle (in 6 nicht dargestellt) zur Kommunikation mit der Außenwelt.
Das Computersystem 1000 ist dazu ausgebildet, über die wenigstens eine Kommunikationsschnittstelle Schneeprofildaten 500 einer oder mehrerer Messvorrichtungen 100 zu empfangen, welche neben Intensitätswerten des remittierten Lichts auch einer jeden Messung zuordenbare Tiefenwerte und globale Positionswerte aufweisen. In 6 werden exemplarisch drei Messvorrichtungen gezeigt. Es versteht sich, dass zur Erfassung der Schneezusammensetzung einer Schneedecke eines oder verschiedener Terrains beliebig viele, voneinander beabstandete Messvorrichtungen 100 zum Einsatz kommen können. Alle erfassten Schneeprofildaten 500 werden zentral im Computersystem 1000 gesammelt. Das Computersystem 1000 ist auch dazu ausgebildet, alle empfangenen Schneeprofildaten 500 gemäß vorgegebenen Datensatzkriterien zu entsprechenden Datensätzen zusammenzufassen und in der Datenbank 1200 abzuspeichern. Als Datensatzkriterien können die erfasste globale Messposition, die Messzeit und/oder anderweitige Datensatzkriterien zum Einsatz kommen.
Ferner ist das Computersystem 1000 dazu ausgebildet, die erzeugten Datensätze Benutzerendgeräten 2000 (PC, Smartphone, Tablet, Navigationsgerät) und/oder zentralen Behördeneinrichtungen 3000 (wie beispielsweise Wetterdiensten, Lawinenwarndiensten, der Bergwacht, Forschungseinrichtungen) zur Verfügung zu stellen, welche mit dem Computersystem 1000 in Verbindung stehen. Der Datentransfer erfolgt hierbei wiederum über die Kommunikationsschnittstelle.
Gemäß einer Variante kann das Computersystem 1000 die oben beschriebene Vorrichtung 200 in einer der Recheneinheiten 1010a-1010d implementieren. Das Computersystem 1000 ist dann auch zur Durchführung des in Zusammenhang mit 4 beschriebenen Verfahrens ausgebildet und kann die ermittelten Parameter den Benutzerendgeräten 2000 (PC, Smartphone, Tablet, Navigationsgerät) und/oder den Behördeneinrichtungen 3000 bereitstellen.
Die hier beschriebene Technik ermöglicht eine schnelle, zuverlässige und hochaufgelöste Analyse von Schneedeckenzusammensetzungen. Die Technik unterliegt keinen äußeren Witterungseinflüssen und kann auch unter extremsten klimatischen Bedingungen eingesetzt werden. Die beschriebene Messvorrichtung zur Erfassung von Schneeprofildaten kann als tragbare Sonde oder als stationäres Messgerät in jedem beliebigen Terrain (auch in steilen Hängen) zum Einsatz kommen. Ferner ermöglicht die zentrale Abspeicherung und Organisation von Messdaten in einem zentralen Computersystem oder globalen Computernetzwerk, diese Daten beliebigen Endnutzern sowie zentralen Behördenstellen zur Verfügung zu stellen. Dadurch, dass Schneeprofildaten aus unterschiedlichen geographischen Positionen und/oder unterschiedlichen Zeiträumen zentral gesammelt und organisiert werden, können genaue Analysen über die Schneezusammensetzung von Terrains durchgeführt werden.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke (400), umfassend: Bereitstellen wenigstens eines optischen Anregungssignals, das an einem in Tiefenrichtung der Schneedecke (400) einstellbaren Einstrahlpunkt (123) in der Schneedecke (400) eingestrahlt wird; Erfassen wenigstens einer optischen Messgröße (500), die auf einen von der Schneedecke (400) innerhalb einer vorgegebenen Messumgebung des Einstrahlpunkts (123) remittierten Anteil des optischen Anregungssignals hinweist, wobei als optische Messgröße (500) ein Intensitätsverlauf des von der Schneedecke (400) remittierten Anteils des optischen Anregungssignals in Abhängigkeit vorgegebener Abstände zum Einstrahlpunkt (123) erfasst wird; und Bereitstellen der wenigstens einen erfassten optischen Messgröße (500) zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke (400) hinweisenden optischen Parameters.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einstrahlpunkt (123) in Tiefenrichtung der Schneedecke (400) variabel einstellbar ist, und wobei der Schritt des Erfassens der wenigstens einen optischen Messgröße (500) für jeden in Tiefenrichtung neu eingestellten Einstrahlpunkt (123) wiederholt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei als optisches Anregungssignal wenigstens ein monochromatisches oder polychromatisches Anregungssignal bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei bei Verwenden eines polychromatischen Anregungssignals eine spektrale Abhängigkeit der wenigstens einen optischen Messgröße (500) innerhalb der vorgegebenen Messumgebung erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner wenigstens einen der folgenden Schritte umfasst: Bestimmen wenigstens eines optischen Parameters auf der Grundlage der erfassten wenigstens einen optischen Messgröße (500); und Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke (400) hinweisenden Parameters auf der Grundlage des wenigstens einen optischen Parameters.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der wenigstens eine optische Parameter ein auf eine Absorption des Anregungssignals hinweisender Absorptionskoeffizient und/oder mindestens ein auf eine Streuung des Anregungssignals hinweisender Streuparameter ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Absorptionskoeffizient und/oder der mindestens eine Streuparameter aus der wenigstens einen optischen Messgröße (500) durch numerisches oder analytisches Lösen einer Boltzmann-Transportgleichung oder Diffusionsgleichung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei aus dem wenigstens einen optischen Parameter wenigstens einer der folgenden, auf den Aufbau der Schneedecke (400) hinweisenden Parameter bestimmbar ist: Schneeverdichtung, Schneestruktur, Schneedichte, spezifische Oberfläche des Schnees, Schneefeuchtigkeit, Schneekorngröße und Schneeverunreinigung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zur wenigstens einen optischen Messgröße (500) wenigstens eine thermische Messgröße und/oder eine akustische Messgröße erfasst und bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine erfasste optische Messgröße (500) wenigstens einem zentralen Computersystem (1000) und/oder wenigstens einem lokalen Endgerät (2000) bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 in Kombination mit Anspruch 5, wobei der Schritt des Bestimmens des wenigstens einen optischen Parameters und, optional, der Schritt des Bestimmens wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke (400) hinweisenden Parameters in einem zentralen Computersystem (1000) und/oder wenigstens einem lokalen Endgerät (2000) durchgeführt wird.
Vorrichtung (100) zur Bestimmung eines schichtweisen Aufbaus einer Schneedecke (400), umfassend: eine Signalerzeugungseinrichtung (120) zur Bereitstellung wenigstens eines optischen Anregungssignals, wobei die Signalerzeugungseinrichtung (120) dazu ausgebildet ist, das Anregungssignal an einem in Tiefenrichtung der Schneedecke (400) einstellbaren Einstrahlpunkt (123) in der Schneedecke (400) einzustrahlen: eine Erfassungseinrichtung (130), die dazu ausgebildet ist, eine optische Messgröße (500) zu erfassen, die auf einen von der Schneedecke (400) innerhalb einer vorgegeben Messumgebung des Einstrahlpunkts (123) remittierten Anteil des optischen Anregungssignals hinweist, wobei als optische Messgröße (500) ein Intensitätsverlauf des von der Schneedecke (400) innerhalb der vorgegebenen Umgebung remittierten Signalanteils in Abhängigkeit vorgegebener Abstände zum Einstrahlpunkt (123) erfasst wird; und eine Bereitstellungseinrichtung (160), die dazu ausgebildet ist, die wenigstens eine erfasste optische Messgröße (500) zum Bestimmen wenigstens eines auf den Aufbau der Schneedecke (400) hinweisenden optischen Parameters bereitzustellen.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 12, wobei die Signalerzeugungseinrichtung (120) eine monochromatische oder polychromatische Signalquelle umfasst.
Vorrichtung (100) nach Anspruch 13, wobei die Erfassungseinrichtung (130) einen Spektrographen zur spektralen Aufteilung des erfassten remittierten Signalanteils umfasst.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 14, ferner umfassend eine optische Transmissionseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, das Anregungssignal zum Einstrahlpunkt (123) zu leiten und den remittierten Signalanteil der Erfassungseinrichtung (130) zuzuführen.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 15, wobei die Vorrichtung (100) ferner wenigstens eine der folgenden Einrichtungen umfasst: eine Einrichtung zur Erfassung einer thermischen Messgröße in der vorgegebenen Umgebung; eine Einrichtung zur Erfassung einer akustischen Messgröße in der vorgegebenen Umgebung.
Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, ferner umfassend eine Einrichtung (140) zur Erfassung der Einstrahltiefe, welche dazu ausgebildet ist, die Tiefe des Einstrahlpunkts (123) in der Schneedecke (400) zu erfassen.
Messsystem, umfassend eine Vielzahl von Vorrichtungen (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 16, wobei die Vielzahl der Vorrichtungen (100) in einem Terrain voneinander beabstandet angeordnet sind.
Computersystem (1000), welches mit der Vorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 17 oder dem Messsystem gemäß in Anspruch 18 kommunikativer Verbindung steht, wobei das Computersystem (1000) dazu ausgebildet ist, die von der Vorrichtung (100) oder dem Messsystem bereitgestellten Schneeprofildaten (500) abzuspeichern und zentral zur Verfügung zu stellen.