Flugspur über Grund

Was das Werkzeug beantwortet

Aus einer geloggten Flugspur soll an jeder Stelle ablesbar sein, wie hoch über dem Gelände geflogen wurde – nicht über Meer, sondern über dem, was tatsächlich darunter liegt: Fels, Baumwipfel, Gebäude. Dazu drei Ausbaustufen:

• Punktweise Auswertung. Für jeden GPS-Punkt der Bodenabstand gegen das Oberflächenmodell, als Profil und als eingefärbte Spur.
• Korridor. Ein seitlicher Puffer um die Spur, ausgewertet auf die höchste Geländehöhe quer zur Flugrichtung – die Reserve, wenn die Linie um ein paar Dutzend Meter danebenliegt.
• Versetzen. Dieselbe Spur starr auf einen anderen Exit legen, drehen und über Grund verankern – um zu sehen, ob die geflogene Linie an einer neuen Wand überhaupt aufgeht.

Daten und Bezugssysteme

Die zwei Umrechnungen, die über alles entscheiden

Ein GPS-Log liegt in WGS84, die swisstopo-Raster in LV95 (EPSG 2056) mit Höhen im Gebrauchshorizont LN02. Beides muss angeglichen werden, sonst rechnet man einen Bodenabstand aus zwei verschiedenen Welten:

• Lage: EPSG 4326 → EPSG 2056. In QGIS das Projekt-KBS auf 2056 setzen und den Layer mit Reprojizieren dauerhaft umrechnen. Für den schnellen Weg ohne QGIS reichen die Näherungsformeln von swisstopo, die auch dieser Prototyp beim Laden einer Datei verwendet – sie sind auf etwa einen Meter genau.
• Höhe: Hier entscheidet, was im Log steht. Ellipsoidische Höhen – viele Uhren und rohe GNSS-Logger – liegen in der Schweiz rund 45 bis 52 m über dem Gebrauchshorizont. Wer diese Reduktion überspringt, liest den Bodenabstand um genau diesen Betrag zu hoch ab. Ein FlySight schreibt dagegen hMSL, also bereits auf das Geoidmodell des Empfängers bezogen; zu LN02 bleiben nur noch wenige Meter Unterschied. Sauber wird beides über den swisstopo-Dienst REFRAME, pragmatisch über einen festen Versatz je Sprunggebiet.

FlySight als Datenquelle

Der Prototyp liest beide Gerätegenerationen. Version 1 schreibt eine CSV mit zwei Kopfzeilen – Spaltennamen, dann Einheiten. Version 2 stellt jeder Zeile ein Schlüsselwort voran: $VAR für Geräteangaben, $COL und $UNIT für Spalten und Einheiten je Sensor, $DATA als Trenner, danach die Messzeilen mit $GNSS.

Ein Log mit 5 Hz genügt für die Auswertung im Tal; für die ersten Sekunden an der Wand ist die höhere Rate des FlySight 2 deutlich besser, weil bei 40 m/s zwischen zwei Sekundenpunkten bereits 40 m Strecke liegen.

Wie der Bodenabstand entsteht

Für jeden Spurpunkt P(E, N, H) wird die Geländehöhe aus dem Raster bilinear interpoliert – also aus den vier umliegenden Zellen gewichtet, statt aus der nächstgelegenen. Das vermeidet Treppenstufen im Profil:

AGL(P)      = H(P) − DOM(E, N)

Korridor:   für jeden Punkt i die Normale n zur Flugrichtung,
            Abtastung s = −b/2 … +b/2 in Schritten von 5 m
            AGL_korridor(i) = H(i) − max( DOM(E + s·nₑ , N + s·n_n) )

Klassen:    kritisch  < 25 m
            knapp     25 – 60 m
            Reserve   60 – 150 m
            frei      > 150 m

Die Schwellen sind im Prototyp frei einstellbar – jede Linie, jeder Anzug und jede Erfahrungsstufe hat andere. Der Korridorwert ist bewusst pessimistisch: er nimmt die höchste Geländehöhe im Querschnitt, nicht den Mittelwert.

Versetzen auf eine andere Wand

Die Spur wird als starrer Körper behandelt. Relativ zum Exit gespeicherte Offsets (Δe, Δn, Δh) werden um den Winkel φ gedreht und am neuen Exit angesetzt; die Höhe hängt sich an das dortige Gelände:

E' = E_exit + Δe·cos φ + Δn·sin φ      (φ = Abflugkurs, im Uhrzeigersinn)
N' = N_exit − Δe·sin φ + Δn·cos φ
H' = DOM(E_exit, N_exit) + Exitabstand + Δh

Was dabei bewusst nicht mitgerechnet wird: Luftdichte auf anderer Höhe, Wind, Thermik, Talwind am neuen Ort. Eine versetzte Spur zeigt die Geometrie der Linie, nicht deren Flugbarkeit.

Den Track in Phasen zerlegen

Ein Logfile enthält selten nur den Sprung: Anmarsch, Warten am Exit, Packen und Rückweg stehen mit darin. Die Auswertung braucht deshalb zuerst eine Zerlegung in Phasen, wie sie auch die verbreiteten Trackwerkzeuge vornehmen – BASEline und Skyderby arbeiten mit denselben Merkmalen. Der Prototyp erkennt sie aus Sinkrate und Horizontalfahrt, über eine Sekunde geglättet:

Die Phasen bestimmen, was überhaupt ausgewertet wird: Der Bodenabstand zählt zwischen Exit und Öffnung, denn am Absprung ist er naturgemäss null und unter dem Schirm gelten andere Massstäbe. Enthält eine Datei mehrere Sprünge, wird jeder einzeln erkannt.

Das Exitprofil im Massstab 1:1

In der BASE-Praxis wird ein Exit mit dem Entfernungsmesser vermessen: Distanz und Winkel zu markanten Punkten der Wand ergeben ein Profil, über das die geflogene Linie gelegt wird. Beide Achsen tragen denselben Massstab, deshalb ist die 45°-Diagonale die 1:1-Linie – der Punkt, an dem die zurückgelegte Strecke dem Höhenverlust entspricht. Wie tief unter dem Exit dieser Punkt liegt, ist die gebräuchlichste Kennzahl für die Bewertung eines Abgangs.

Genau dieses Profil lässt sich aus swissSURFACE3D erzeugen, ohne eine Wand zu vermessen: Der Geländeschnitt vom Exit in die Flugrichtung tritt an die Stelle der Lasermessung, und statt einzelner Zielpunkte steht eine durchgehende Kontur zur Verfügung. Der Prototyp zeigt in dieser Ansicht zusätzlich das Gelände unmittelbar unter der Spur – bei einer gekrümmten Linie weicht es vom geraden Schnitt ab, und diese Differenz ist es, die den Bodenabstand am Ende ausmacht.

Der Workflow in QGIS

1. Raster beschaffen. swissSURFACE3D-Kacheln für das Sprunggebiet über die Download-Konfiguration von swisstopo beziehen (CSV-Liste der Links), herunterladen und mit gdalbuildvrt gelaende.vrt *.tif zu einem virtuellen Raster zusammenfassen. Das VRT lädt nur, was gerade gebraucht wird – Kachelmosaike bleiben so handlich.
2. Projekt aufsetzen. Projekt-KBS auf EPSG 2056 – CH1903+ / LV95. VRT laden, unter Projekteigenschaften → Höhen als Geländequelle setzen, damit das Höhenprofil-Werkzeug es kennt.
3. Spur importieren. GPX über Layer → Vektorlayer hinzufügen (Sublayer track_points), dann Reprojizieren nach 2056 und als GeoPackage speichern. Höhe aus dem Feld ele in ein Feld h_ln02 überführen, Geoid-Korrektur abziehen.
4. Gelände abgreifen. Processing → Rasterwerte abfragen (Sample raster values) mit dem Punktlayer und dem VRT. Ergebnis: neues Feld dom an jedem Spurpunkt.
5. Bodenabstand berechnen. Feldrechner, neues Feld agl: "h_ln02" - "dom". Symbolisierung: abgestufte Farben auf agl mit den eigenen Klassengrenzen, Linienstärke 1,2 mm.
6. Korridor aufspannen. Punkte zu Pfad → Linienlayer. Darauf Puffer mit halber Korridorbreite, Endkappen flach, aufgelöst. Für den Worst Case: Zonale Statistik des Puffers über das DOM mit Statistik max, oder feiner: die Linie in Abschnitte teilen (Linien teilen nach Maximallänge), je Abschnitt puffern und einzeln auswerten.
7. Profil zeichnen. Werkzeug Höhenprofil (ab QGIS 3.26): Geländequelle als Fläche, Punktlayer der Spur als zweite Profilquelle. Gibt genau die Doppelansicht aus dem Analyse-Tab.
8. Versetzen. Processing → Verschieben (Translate) mit Offset in Metern, danach Drehen (Rotate) um den neuen Exit als Ankerpunkt. Anschliessend Schritte 4 und 5 erneut – am schnellsten als Modell im Grafischen Modellierer, das Verschiebung, Drehung, Abfrage und Feldrechner in einem Durchgang erledigt.

Dasselbe als PyQGIS-Skript

In der Python-Konsole von QGIS ausführbar; ersetzt die Schritte 4 bis 6 für eine beliebige Zahl von Flügen.

from qgis.core import QgsRasterLayer, QgsVectorLayer, QgsPointXY
import math

dom  = QgsRasterLayer('/daten/gelaende.vrt', 'DOM')
trk  = QgsVectorLayer('/daten/flug.gpkg|layername=spur', 'Spur', 'ogr')
prov = dom.dataProvider()
GEOID, KORRIDOR, SCHRITT = 49.3, 80.0, 5.0   # m

def dom_h(e, n):
    v, ok = prov.sample(QgsPointXY(e, n), 1)
    return v if ok else None

trk.startEditing()
for i, f in enumerate(trk.getFeatures()):
    p = f.geometry().asPoint()
    h = f['ele'] - GEOID                      # ellipsoidisch -> LN02
    g = dom_h(p.x(), p.y())
    f['agl'] = None if g is None else h - g

    # Querprofil: Normale aus der lokalen Flugrichtung
    nb = trk.getFeature(f.id() + 1 if f.id() + 1 < trk.featureCount() else f.id() - 1)
    q  = nb.geometry().asPoint()
    dx, dy = q.x() - p.x(), q.y() - p.y()
    L = math.hypot(dx, dy) or 1.0
    nx, ny = -dy / L, dx / L                  # Normale
    hoch = g or -9999
    s = -KORRIDOR / 2
    while s <= KORRIDOR / 2:
        v = dom_h(p.x() + s * nx, p.y() + s * ny)
        if v is not None:
            hoch = max(hoch, v)
        s += SCHRITT
    f['agl_korridor'] = h - hoch
    trk.updateFeature(f)
trk.commitChanges()

Die Felder agl und agl_korridor müssen vorher als double angelegt sein. Für grosse Logs lohnt es sich, das Raster einmal in ein NumPy-Array zu lesen statt pro Punkt zu samplen – bei 10 Hz und mehreren Minuten Flug ist das der Unterschied zwischen Sekunden und Minuten.

Was die Auswertung nicht kann

• Bewuchs altert. Die LiDAR-Befliegung liegt je nach Kachel einige Jahre zurück; Bäume wachsen, Schläge ändern sich. Das Aufnahmejahr steht in den Metadaten der Kachel.
• Schnee und Firn im Aufnahmezeitpunkt heben die Oberfläche an – im Hochsommer liegt der Fels tiefer als das Modell.
• Dünne Strukturen wie Seilbahnkabel, Masten oder einzelne Äste sind im 0,5-m-Raster nicht zuverlässig abgebildet. Für diese Objekte bleibt die Punktwolke die Quelle.
• Zeitversatz im Log: Ein GPS-Punkt ist ein Mittel über ein Messintervall; bei 40 m/s liegen zwischen zwei 1-Hz-Punkten 40 m Strecke. Für Wandnähe braucht es 5 bis 10 Hz.
• Ausserhalb der Schweiz gelten andere Datensätze. Für Chamonix etwa RGE ALTI und LiDAR HD des IGN im Bezugssystem RGF93 / Lambert-93 (EPSG 2154), für Norwegen die Høydedata des Kartverket. Das Verfahren bleibt identisch – nur Raster, Koordinatensystem und Höhenbezug werden ausgetauscht.
• Eine versetzte Spur ist eine Geometrieübung. Sie sagt, ob die Linie räumlich passt – nicht, ob sie mit dem dortigen Anzug, Wind und Abgang zu fliegen ist.

Nächste Schritte

• Mehrere Flüge übereinander – Streubreite der eigenen Linie über eine Saison, mit dem Minimum aller Spuren als Hüllkurve.
• 3D-Ansicht über die QGIS-3D-Kartenansicht oder Qgis2threejs, Spur als Röhre mit dem Bodenabstand als Farbe.
• Erreichbarkeitsfläche statt Einzelspur: von jedem Punkt aus mit einer angenommenen Gleitzahl rückwärts gerechnet, welche Landeplätze noch erreichbar sind.
• Feste Klassengrenzen pro Anzug als gespeicherte Profile, damit verschiedene Setups vergleichbar bleiben.