Tiefenmessung am Ammersee in Zusammenarbeit mit OpenSeaMap

Idee

Schon seit längerer Zeit ist unsere Surprise mit Echolot, GPS und Kartenplotter ausgerüstet. Bei den vielen Fahrten auf dem Ammersee entstand die Idee, die Daten zu sammeln und sinnvoll zu nutzen. Immerhin sind wir fast jeden zweiten Tag mit dem Schiff unterwegs, und ich hatte mich ja schon vor vielen Jahren mal mit Messverfahren im Flachwasserbereich beschäftigt, wenn auch auf ganz andere Art. Zufällig waren wir über das Wassertiefen-Crowdsourcing Projekt bei OpenSeaMap (OSM) gestolpert, da wir ja auf dem Plotter auch deren freie Seekarte nutzen. OpenSeaMap ist ein »Ableger« von OpenStreetMap, nutzt für die Karten an Land auch deren Daten, was sie somit — neben der hohen Aktualität duch viele aktive Nutzer — auch optisch deutlich von offiziellen Seekarten oder Kartenmaterial der Plotterhersteller abhebt.

Versuche mit SL2 und USBtin liefern zumindest kartographische Fortschritte

Für unseren B&G-Kartenplotter (Modell Zeus II) empfielt das OSM-Tiefenmessprojekt, die Tiefendaten im sogenannten SL2-Format mitzuloggen. Dies ließ sich leicht bewerkstelligen, allerdings konnte der Algorithmus auf dem OSM-Server aus den ersten, im Juni 2017 hochgeladenen SL2 Dateien keine Wassertiefen extrahieren. Nach Rückfrage bei Open-Seamap entwickelte sich ein intensiver Kontakt, in dessen Folge es mir gelang, anhand der von OSM revers engeneerten Dokumentation des SL2 Formats und der byteweisen Analyse der Daten mit od den Grund festzustellen: Unser B&G-Kartenplotter kann zwar die über NMEA-2000 empfangene Wassertiefe anzeigen, bei der Auswahl der Datenquelle für den SL2 Export steht aber nur der direkte Eingang am Plotter selbst, an dem üblicherweise ein teures Fischradar für Angler angeschlossen werden kann, zur Verfügung und notiert somit in 99% der Fälle 0.0 Meter als Wassertiefe und markiert diesen Wert als ungültig. Andere Daten wie Position, Zeit, Geschwindigkeit durchs Wasser oder über Grund, Wassertemperatur usw. werden — im Rahmen der laienhaft überprüfbaren Genauigkeit — korrekt ausgegeben. So konnten wir schöne Plots von der 24-Stunden Regatta 2017 und 2018 erzeugen, unter anderem die gemessenen, unkalibrierten Höchstgeschwindigkeiten von 9,0 kn über Grund und 10,0 kn durchs Wasser (2017 schafften wir bei durchgehend 5 Bft West in 24 Stunden gut 8 Runden um den See, gut 120sm, also einen Schnitt von rund 5kn Fahrt über Grund).
Die eben von den 24 Stunden Regatten bekannten Temperaturmessbojen des Bayerischen Landesamts für Umwelt (siehe auch deren Bild links, zum Vergrößern anklicken), die bislang in keiner Seekarte eingezeichnet sind, konnte ich am 24. August 2017 mittels SL2 Datei einmessen. Am 14. Mai 2019 haben wir die Bojen erneut besucht und einige eigene Bilder gemacht (in Kürze mehr).
Ebenfalls in keiner Seekarte zu finden ist das kleine Wrack, vermutlich ein altes Kajak, das in etwa 2,7 Metern Tiefe vor dem Stegener Bojenfeld liegt (Das Lot zeigte beim Schwojen um das Wrack — wir hatten uns mit dem langen Bootshaken am Wrack eingehängt — in dem Bereich 2,41m, bei Pegelstand 16cm (Tagesmittelwert) unter mittlerem Wasserstand und ca. 30cm Sensortierfe ist der Grund hier also etwa 2,87m tief, das Wrack schaut geschätzt 10–20cm aus dem Sand). Wir haben dieses zufällig bei Messfahrten am 7. Mai 2019 (bei flautenbedingt spiegelglattem Wasser unter Motor) entdeckt (genaue Position und ggf. Bilder folgen). Mittlerweile ist es mir auch gelungen, die beiden Bojen und das Wrack in die online-Seekarte bei OSM einzutragen.
Zu Saisonende 2017 versuchten wir, mit Hilfe eines CAN nach USB Interfaces (»USBtin«) Daten mit einem Laptop zu lesen. Dies ergab jedoch keine auswertbaren Daten, es kamen immer dieselben Bytefolgen, die jedoch keinen dokumentierten NMEA-2000 oder CAN Objekten entsprachen (NMEA-2000 ist eine Variante des CAN-BUS Protokolls das u.a. auch zur Kommunikation der Elektronik im Automobilbau verwendet wird). Schon die reine Datenmenge war sehr gering im Vergleich zu der erwarteten Informationsvielfalt der verschiedenen Sensoren am BUS. Eine weitere Untersuchung hierzu ist immer noch ein Fernziel, vor allem um weitere Werte auszulesen und z.B. eine Art »Polardiagramm im regulären Betrieb« für die Surprise zu erstallen.

Zielführend: GPX

Als regelmäßiger Gast auf der »Calamari«, der Bavaria 41 eines Freundes, hatte ich im November 2017 und September 2018 bei Törnende die gefahrenen Tracks/Routen vom dortigen Garmin-Plotters extrahiert (GPX-Datei, ein leicht zu lesendes, auf XML basierendes Datenformat), um später Plots daraus zu erzeugen. Bei der Analyse dieser Daten im Anschluss an den zweiten Törn war mir aufgefallen, daß neben der Position meist auch die Wassertiefe an den Routenpunkten vermerkt ist. Also was liegt näher, auch am B&G mal einen GPX-Export zu versuchen.
Etwa zur gleichen Zeit besuchten mich Markus und Cornelia, Markus ist einer der Organisatoren des Wassertiefenprojekts bei OSM und wir machten gemeinsam einen Ausflug mit der Surprise, wobei wir zur Vergleichsmessung seinen selbsgebauten Sensor (Autoreifenschlauch, NMEA-0183 basierte Elektronik in wasserdichter, tupperartiger Box, siehe Bild rechts und die zugehörige Beschreibung im OpenSeaMap-Wiki) hinterherzogen. Dank Flaute konnten wir am 11. Oktober 2018 in Ruhe unter E-Maschine die Flachwasserbereiche (etwa die 1 Meter Tiefenlinie) am Nordende des Ammersees zwischen Buch Süd und Eching abfahren. Die Ergebnisse können sich durchaus sehen lassen: Es gibt nur geringe Abweichungen zwischen den Sensoren, sowohl im Bezug auf die Position/zurückgelegte Strecke, als auch bezüglich der gemessenen Wassertiefen selbst (wer den Plot der gemessenen Wassertiefen beider Sensoren lieber in 3D ansehen mag: hier).

Immer mehr neue Daten ...

Fleissiges Datensammeln im Oktober 2018 und zu Saisonstart 2019 verschafft uns mittlerweile einen ordentlichen Bestand an Messfahrten. Selbst die Webcam des HSC hat einige der Fahrten beobachtet (z.B. Bild rechts, Surprise im Hintergrund in der Bildmitte bei der Überfahrt über die Herrschinger Bucht am Abend des 30. Oktober). Zu Saisonende 2018 hatte ich die Tiefe des Gebers durch Vergleich der in der GPX-Datei gespeicherten Wassertiefen mit Tiefenmessungen mit Meterstab neben dem Schiff, das zu dieser Zeit am Clubsteg lag, auf ca. 30 cm unter der Wasseroberfläche als Referenzebene bestimmt. Tageweise Korrektur der Messwerte im Bezug auf die offiziellen Mittelwerte des Pegels Stegen (hier ist auch ein Vergleich mit realen Wasserstandhöhen angegeben, die weitestgehend beim Pfingsthochwasser 2013 und per Meterstab vermessen wurden, einsortiert zwischen die offiziellen Bezugswerte des Pegels) ergibt relativ zum mittleren Seepegel (532,99 Meter über Normalnull) brauchbare Messergebnisse. Eine quasi-»Interpolation« (Bild links) auf den gesamten See mittels »nearest neighbor« zeigt, daß gerade im Süden noch größere Lücken vorhanden sind. Nur in einigen Regionen, wie im Uferbereich vor dem SCIA, wo die U-Boote ihre Kiele kurbeln und die Motten durchstarten, sind durch fleißiges Messen gute Ergebnisse vorhanden und erlauben eine verlässlichere Interpolation.
Es gibt also noch viel zu tun!
Trotz der Angabe auf den OpenSeaMap-Seiten, GPX Daten seien verwendbar, können diese anscheinend derzeit (noch) nicht automatisch verarbeitet werden, wie versuchsweise hochgeladene GPX-Dateien von Surprise und Calamari zeigen. Weiterhin sind (Stand Anfang Mai 2019) auf den OSM-Karten vom Ammersee nur einige wenige Messpunkte in Umgebung des Bucher Dampferstegs von einer der NMEA-0183 Dateien des Autoreifen-Sensors zu finden, entstanden bei unserer Kampagne vom 11. Oktober. Markus hat diese testweise hochgeladen. Erst nach einem Bugfix seitens OSM werden jetzt alle hochgeladenen GPX Tracks angezeigt, endlich!

Pegelkorrekturen

Da die meisten bisherigen Fahrten bei etwa mittlerem Wasserstand durchgeführt und viele Orte auch nur einmal besucht wurden, ist es schwierig, den Effekt der Pegelkorrekturen zu quantifizieren. Ein wenig sieht man aber doch: Verteilt man auf einem regelmäßigen Gitter Kreise mit rund 10 Metern Durchmesser über den See, so sind derzeit (Messungen bis 15. Mai 2019) in 7911 dieser Kreise mindestens 5 Meßpunkte zu finden (häufig natürlich entlang nur einer Messspur ähnlicher Tiefe). Der Tiefenunterschied zwischen dem tiefsten und seichtesten Messpunkt innerhalb desselben dieser Kreise beträgt im Mittel über diese Kreise vor Pegelkorrektur 29.2 cm, danach 28.3cm, die Standardabweichung innerhalb der Kreise im Mittel 36mm vor und 35mm nach Pegelkorrektur. Immerhin im häufig vermessenen Bereich vor dem Clubsteg sieht man ohne Korrektur einige deutliche Ausreißer, die nach der Korrektur verschwinden! Nach Messungen im aktuellen Hochwasser wird der Unterschied sicher viel deutlicher zu erkennen sein.

Hochwasser 2019

Mitte Mai 2019 ist der Wasserstand am Ammersee von wenig unterhalb des mittleren Seespiegels innerhalb von 48 Stunden um rund einen dreiviertel Meter gestiegen. Dies ermöglicht es — bei hochgezogenem Schwert, dann hat die Surprise nur ca. 80cm Tiefgang — bis nahezu an die sonst auf dem Ufer stehenden Büsche heranzufahren (soweit überhängende Äste von Bäumen nicht ins Rigg ragen). Die direkte Uferlinie zwischen Schondorf und Herrschinger Bucht inclusive der Flachwasserstellen am Nordende des Sees zwischen den im Sommer vom FKK-Club bevölkerten Inseln und dem Stegener Gemeindesteg sowie am Rieder Eck konnten so schon in den ersten Tagen des Hochwassers ausgiebig kartiert werden (Trackabstände zwischen 50 und 100 Metern, überfahren von bekannten Untiefen oder unklaren Stellen). Erste Ergebnisse hier

Verbesserte Interpolation

Eine Interpolation mit Gauß Gewichtung nahelegender Messpunkte brachte aufgrund der sehr unregelmäßigen Messpunktaufteilung leider nicht die gewünschte Verbesserung, daher war der nächste Versuch eine Interpolation der jeweils nächstgelegenen Punkte in 16 Vollkreis-Sektoren mittels Gewichtung 1/Abstand, siehe Bild rechts.
In der neuesten Version (Bilder ab 2.6., siehe unten) werden auch noch die Eckpunkte des manuell ermittelten Polygons der See-Außengrenze als weitere "Messwerte" der Wassertiefe 0 bei Normalwasserstand verwendet. Vor allem im Süden des Sees, wo große Flächen aufgrund des Naturschutzgebietes nicht befahren werden dürfen, liefert das ein realistischeres Bild.
Darauf basierend lässt sich über die relative Änderung der Wassertiefe zwischen benachbarten Gitterpunkten die Steilheit des Seebodens in Prozent ermitteln (siehe Ergebnisbilder unten). Gewichtet man den Messpunktabstand mit der Seebodensteilheit und dem Abstand zur Boje (Fahrtentfernung) ergibt sich eine Karte mit Messlücken nach Dringlichkeit und Erreichbarkeit.

OpenSeaMap Entwicklertreffen

Vom 3. bis 5. Oktober 2019 fand ein OpenSeaMap Entwicklertreffen am Ammersee statt. Zwei Tage lang wurden auf der Surprise Messungen durchgeführt und Prototypen des neuen NMEA-2000 Datenloggers getestet. Abends ergaben sich viele erfolgversprechende Diskussionen zur weiteren Entwicklung der Services für Wassersportler. Markus hat im OpenSeaMap-Entwickler-Wiki einen detailierten Bericht verfasst. Der Datenlogger stellt auch ein eigenes WLAN zur Verfügung, das eine Visualisierung vieler Schiffsparameter am Laptop (Web-Browser) oder Mobilgerät (Android-App) sowie die Konvertierung in NMEA-0183 (Text-)Dateien ermöglicht. Schon jetzt ist das Gerät in einem tollen Zustand und sicher für viele Hobbyskipper interessant, ganz zu schweigen von der Möglichkeit fü Tiefenmessprojekte wie das Teilprojekt Wassertiefen auf OpenSeaMap.

Ausblick

Nächste Schritte sind eine nochmals verbesserte Interpolation (verschiedene Gewichtungen und Sektorzahlen) sowie viele weitere Messfahrten, gerade in den Flachwasserbereichen beim aktuellen Hochwasser. Eine NEMA-0183 Konvertierung einzelner Messtage für den OSM-Upload ist dank des GPX Reader Bugfixes jetzt nicht mehr nötig). Fortsetzung folgt ...
Neueste Ergebnisse (jetzt mit Tracks von 24h- und Südwind-Regatta 2019)

Messlücken
(Abstand nächster Punkt)
Stand: 8.9.2019
gut 360'000 Messpunkte

Aufgefüllt
Nearest Neighbour
Stand: 8.9.2019

Interpoliert
16 Sektoren 1/d
Stand: 8.9.2019

Aufgefüllt
Farbskala bis 10 Meter
Stand: 8.9.2019

Aufgefüllt
ohne Pegelkorrektur
Stand: 8.9.2019

Steilheit Grund (%)
16 Sektoren 1/d
Stand: 8.9.2019

gewichtete Messlückenkarte
(steilheitsgewichteter Linienabstand
in Vielfachen der Bojenentfernung)

Stand: 8.9.2019

Aufgefüllt
Nearest Neighbour
Farbskala bis 3 Meter
Zoom: Vor dem SCIA
Stand: 25.5.2019

desgl. ohne Pegelkorrektur
Stand: 25.5.2019
Bilder anklicken zum vergrößern

Anderl, im Mai 2019
Link zur Version dieses Textes bei OpenSeaMap
Für alle, die es gerne etwas technischer lieben, hier eine Untersuchung, mit der ich zeige, warum es selbst in unseren Breiten am sinvollsten ist, Solarzellen von an der Boje schwojenden Booten an Deck waagrecht zu legen.
Weitere Links: Skipperguiede, TeamSurv, Navionics-Kartey