Hoch - Shijiazhuang Schwanensee Co., Ltd

Scientific Data Band 9, Artikelnummer: 642 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

HRBS-GLWNB 2020 präsentiert die ersten Open-Source- und hochauflösenden Bathymetrie-, Küstenlinien- und Wasserstandsdaten für die Seen Victoria, Albert, Edward und George in Ostafrika. Für jeden See werden in diesen Daten drei Hauptprodukte für dieses Projekt erfasst. Die Bathymetrie-Datensätze wurden aus rund 18 Millionen akustischen Sondierungen erstellt. Mit hochauflösenden Satellitensystemen und unbemannten Luftfahrzeugen werden über 8.200 km Küstenlinien entlang der drei Seen abgegrenzt. Schließlich werden diese Daten durch die Erstellung von Seeoberflächen-Höhenmodellen verknüpft, die aus GPS- und Höhenmessermessungen stammen. Das Datenrepository umfasst zusätzliche abgeleitete Produkte, darunter Oberflächenflächen, Wassermengen, Küstenlinienlängen, Seehöhen und geodätische Informationen. Diese Daten können verwendet werden, um Entscheidungen über die Zuteilung der Süßwasserressourcen in Afrika zu treffen, die Nahrungsmittelressourcen zu verwalten, auf die viele Millionen Menschen angewiesen sind, und zum Erhalt der endemischen Artenvielfalt der Region beizutragen. Da diese Daten schließlich mit global konsistenten geodätischen Modellen verknüpft sind, können sie in zukünftigen globalen und regionalen Klimawandelmodellen verwendet werden.

Messungen)

Bathymetrie • Küstenlinien

Technologietyp(en)

Echolote • Fernerkundung

Probeneigenschaft – Umgebung

Seegrund • Seeufer

Probenmerkmal – Standort

Afrika • Ostafrika • Uganda • • Tansania • Demokratische Republik Kongo • Viktoriasee • Eduardsee • Albertsee • Georgesee

Die Seen Victoria, Albert, Edward und George liegen in Uganda, Tansania, Kenia und der Demokratischen Republik Kongo (DRK) (Abb. 1). Alle Seen außer Victoria liegen in einer aktiven kontinentalen Bruch- und Riftzone innerhalb des Ostafrikanischen Riftsystems1. Die Seen Albert, Edward und George liegen innerhalb eines Halbgrabens, der durch normale Grabenbrüche gekennzeichnet ist. Der Viktoriasee liegt jedoch in einer lokalisierten Senke in einem relativ tief gelegenen Gebiet zwischen den erhöhten Grabenschultern des östlichen und westlichen Zweigs des Ostafrikanischen Grabenbruchsystems 1.

Studiengebiet. Die kombinierten Untersuchungsgebiete über alle Seen hinweg.

Diese Seen stellen die primären Süßwassereinträge des Weißen Nils dar und enthalten einen Großteil der Süßwasservorräte Ostafrikas. Versuche, die Süßwasserressourcen in den Trockengebieten Ost- und Nordostafrikas besser zu verwalten; Versuche, regional wichtige Fischereien in ganz Ostafrika zu verwalten; Versuche, die endemischen einheimischen Süßwasserarten Ostafrikas zu erhalten; sowie Versuche, verbesserte regionale Klimamodelle zu erstellen, werden alle durch unzureichende detaillierte Informationen über die Wasserressourcen und Eigenschaften dieser Seen behindert. Den aktuellen Geodaten fehlt die räumliche und zeitliche Genauigkeit, um in globale und regionale Modelle integriert zu werden und die Entscheidungsfindung zu unterstützen. Zu den Seen Albert, Edward und George fehlen kohärente Seedaten, während zum Viktoriasee nur begrenzte Daten vorliegen, die jedoch größtenteils aus der Zeit vor fast einem Jahrhundert stammen.

Aus hydrologischer Sicht leiten die Großen Nilseen jährlich durchschnittlich 47 km2 Süßwasser in den Weißen Nil2 an der Nordspitze des Albertsees (Abb. 1). Die Süßwassereinträge aus den Großen Seen des Nils sorgen im Gegensatz zu den größeren, aber saisonalen Süßwassereinträgen aus dem Blauen Nil für einen gleichmäßigen Wassereintrag in das Nilsystem. Das aus diesen Seen fließende Süßwasser liefert einen Großteil des Wasserbedarfs, der für die ganzjährige Landwirtschaft in Norduganda, Südsudan, Sudan und Ägypten benötigt wird. Trotz zahlreicher internationaler Abkommen bleibt das Nilsystem eine Quelle potenzieller internationaler Wasserkonflikte in zahlreichen Ländern3. Die Daten in diesem Repository liefern wichtige Informationen über diese kritischen Seen und ihre Wasserkapazitäten an der Quelle des Nils.

Jeder der vier Seen verfügt über eine blühende lokale Fischerei, auf die Millionen von Einwohnern angewiesen sind. Im Jahr 2019 werden die jährlichen Fänge des Lake Albert und des Lake Edward auf 31.384,8 Tonnen bzw. 32.092,8 Tonnen geschätzt4, und fast alle Küstenbewohner sind für ihren Lebensunterhalt auf diese überlastete Fischerei angewiesen5. Lake George verfügt über eine bedeutende lokale Fischerei mit acht Anlandestellen auf der anderen Seite des Sees und des angeschlossenen Kazinga-Kanals. Auf der anderen Seite des Viktoriasees explodiert die Aquakulturindustrie für Oreochromis niloticus6, parallel zu den etablierten Wildfischereien auf Oreochromis niloticus, Lates niloticus und Rastrineobola argentea. Im Jahr 2014 wurde die Gesamtproduktion aller Fischereien im Viktoriasee auf 650 Millionen US-Dollar7 geschätzt, selbst in einer Zeit rückläufiger Bestände8. Tatsächlich ist der Viktoriasee wahrscheinlich das wichtigste Süßwasserfischereigebiet in Afrika9. Die Daten in diesem Repository liefern dringend benötigte Informationen, um das Management dieser kritischen Fischereien zu unterstützen.

Aus Sicht der Artenvielfalt wird geschätzt, dass 78,2 Prozent der Süßwasserfische im Becken des Viktoriasees endemisch sind. Dieser endemische Prozentsatz ist wahrscheinlich höher, wenn die unbeschriebenen endemischen Haplochromin-Buntbarsche einbezogen werden10. Leider kam es in den letzten 70 Jahren zu einem katastrophalen Rückgang dieser endemischen Haplochrome11,12,13, was zu einem Massensterben im See führte. Schätzungen zufolge waren 1991 zwei Drittel der endemischen Haplochromien im Viktoriasee entweder ausgestorben oder vom Aussterben bedroht14, von schätzungsweise fünfhundert oder mehr einst vorkommenden endemischen Arten13. Allerdings sind die Tiefwasserregionen des Sees, in denen wahrscheinlich die verbleibenden gefährdeten Haplochromin-Arten leben, schlecht abgegrenzt und es fehlen detaillierte Bathymetriedaten der Art, die in diesem Repository bereitgestellt werden.

In den Jahren 2017 und 2020 haben wir ein Projekt durchgeführt, um die Küstenlinien, Bathymetrie, Sedimente und andere damit verbundene Daten für die Seen Victoria, Albert, Edward und Lake George zu kartieren (Abb. 1). Darüber hinaus wurden an allen vier Seen hydroakustische Untersuchungen, Uferlinienabgrenzungen, Wasserstandsmessungen und geodätische Untersuchungen durchgeführt. Die Motivation hinter dieser Datenerhebung bestand darin, Informationen bereitzustellen, die zum Erhalt der einheimischen Artenvielfalt der Seen beitragen und eine nachhaltige Fischerei unterstützen.

Die Untersuchung des Albertsees wurde im Februar 2020 durchgeführt. Die Untersuchungen des Lake Edward und des Lake George wurden im August 2020 durchgeführt. Die Untersuchungen des Viktoriasees wurden zwischen September und November 2017, 2018, 2019 und 2020 durchgeführt. Wir gehen davon aus, dass sie nicht signifikant waren In diesen vier Jahren kam es im Viktoriasee zu morphologischen Veränderungen. Alle Sammelzeiträume entsprechen dem Ende einer traditionellen Trockenzeit und der Übergangszeit zum Beginn einer traditionellen Regenzeit. Der Wasserstand wurde während des Untersuchungszeitraums jedes Sees überwacht. Bei jeder Untersuchung der Seen wurden Benchmarks installiert, mit Ausnahme des Viktoriasees, wo bereits ein Benchmark-Nagel vorhanden war. Während der Lake Albert-Untersuchung wurden unbemannte Luftsysteme (UAS) geflogen, um unsere Methodik zur Küstenlinienabgrenzung zu bewerten.

Der Viktoriasee nutzt weltraumgestützte Höhenmessung, um die Höhe des Sees zu bestimmen. Für die Seen Albert, Edward und George gibt es keine systematische hochpräzise weltraumgestützte Höhenmessung der Seehöhen. Daher werden die Höhen des Albert-, Edward- und George-Sees aus statistischen Analysen der beobachteten Wasserstände abgeleitet.

Für den Lake Albert, den Lake Edward und den Lake George werden die während der Untersuchung erfassten Beobachtungen des visuellen Wasserstands (WL) gemittelt, um die Seehöhe (LE) zu ermitteln, die auch als Projektsondierungsdatum (SDp) bezeichnet wird. Die Methode zur Bestimmung des SDp besteht darin, den WL auf einer Messtafel zu beobachten, die oft als Gezeitentafel oder Messlatte (G) bezeichnet wird und sicher an einem Pfahl oder einer anderen festen vertikalen Struktur befestigt ist, die sich unter der Seeoberfläche erstreckt. Die Teilungen werden dann relativ zum Messgerätnullpunkt (G0) markiert. Der WL wird als der Abstand über oder unter G0 abgelesen, an dem die Wasseroberfläche das Messgerät schneidet.

An jedem See wurde innerhalb der optischen Nivellierentfernung jedes Pegels ein fester, manipulationssicherer Benchmark (Bm) installiert oder in Betrieb genommen, um die Umrechnung von lokalen Wasserständen in ellipsoide Höhen und EGM 2008-Höhen zu erreichen. Zunächst wurde die horizontale und vertikale Position jedes Bm mithilfe des gemessen

Globales Navigationssatellitensystem (GNSS). Anschließend wird der vertikale Abstand zwischen der Benchmark-Höhe (BmE) und G0 mithilfe standardmäßiger optischer oder laserbasierter Vermessungsmethoden gemessen. Dieser Abstand ist der vertikale Spurversatz (VGO).

Die Höhenmethode der Seen ist in Abb. 2 zusammengefasst und in Gleichung definiert. 1. Zu diesem Zeitpunkt ist SDp für die Seen Albert, Edward und George lediglich eine ellipsoide Höhe; Die Ellipsoidhöhe wird mithilfe der Harmonischen Synthese an der horizontalen Koordinatenposition jedes Bm15,16 in EGM:2008 umgewandelt.

Seehöhe (SDp). Dieses Diagramm stellt die Beziehung zwischen den verschiedenen Seehöhenparametern dar, die direkt gemessen (in schwarzem Text), von Instrumenten erhalten (in blauem Text) oder berechnet (in rotem Text) werden.

Gl. 1 - Sondierungsdaten für Lake Albert, Lake Edward und Lake George

SDp ist die Seehöhe oder das Sondierungsdatum des Projekts, Bm ist die Benchmark-Höhe von RTK-GPS, VGO ist der vertikale Pegelversatz, der mithilfe einer optischen Wasserwaage ermittelt wird, und WL ist der Wasserstand, der aus der Pegelanzeige ermittelt wird.

Im Gegensatz zum Lake Albert, Lake Edward und Lake George könnten hydrodynamische Effekte aufgrund der Größe des Victoriasees mit einem maximalen Durchmesser von mehr als 375 km die hydrostatische Annahme, dass die Seeoberfläche gleichmäßig eben ist, leicht zunichte machen. Am Viktoriasee würden Windaufkommen, Staus und der erhebliche Abfluss in den Viktoria-Nil zu hydraulischen Gefällen führen, die dazu führen würden, dass ein einzelner küstennaher Wasserstandsmesser nicht mehr repräsentativ für den Seepegel an vom Pegel entfernten Punkten wäre. Um mithilfe von küstennahen Wasserstandsmessern einen aussagekräftigen SDp für den Viktoriasee zu ermitteln, müssten mindestens drei gleichseitig um den Seeumfang verteilte Stationen errichtet und über längere Zeiträume gleichzeitig betrieben werden. Dieser Ansatz wurde jedoch vor allem aus Kosten- und Logistikgründen als undurchführbar erachtet. Beispielsweise würde die Schaffung eines länderübergreifenden Netzwerks von Messgeräten mindestens das Dreifache der Ausrüstung, das Dreifache des Arbeitsaufwands und das Dreifache der Schulung erfordern.

Der alternative Ansatz nutzt weltraumgestützte Höhenmesserdaten von Jason-3. Diese Methode wurde im Viktoriasee eingesetzt und wird vom USDA G-REALM-Programm17 unterstützt. Jason-3 ist ein Radarhöhenmesser, der im Januar 2017 auf den Markt gebracht wurde. Das Hauptziel von Jason-3 besteht darin, Schwankungen des Meeresspiegels mit einer Genauigkeit von weniger als 2,5 cm bei einem Wiederholungszyklus von 10 Tagen zu ermitteln18. Während Jason-3 den Viktoriasee überquert, kann es anhand zahlreicher Messungen in der Mitte des Sees EGM-2008-Höhen für den See ermitteln. Jason-3 passiert über 150 km des Viktoriasees. Der Sammelweg verläuft etwa von Nyabansari in Tansania bis Bugaia in Uganda. Da das Instrument auf Radar basiert, schränken klimatische Bedingungen die Datenerfassung selten ein. Die von Jason-3 gesammelten Rohhöhenmesserdaten werden zahlreichen Korrekturen unterzogen, bevor die Höhe der Seeoberfläche bestimmt wird, darunter eine trockene Troposphärenkorrektur, eine nasse Troposphärenkorrektur, eine Ionosphärenkorrektur und eine instrumentenspezifische Bias-Anpassung19. Beobachtungen der Seehöhe wurden von Jason-3 während der Untersuchungen des Viktoriasees in den Jahren 2017, 2018, 2019 und 2020 erhalten. Der Durchschnitt der Jason-3-Messwerte aus dem Jahr 2020, der selbst ein Durchschnitt aus vielen hundert Beobachtungen ist, definiert den SDp für Vermessungen des Viktoriasees.

Ein Benchmark des Viktoriasees wird immer noch mit einem Wasserstandsmesser gemessen, um die Integration vergangener und zukünftiger Daten zu ermöglichen, und die Benchmarks sind an die verwendeten Höhenmessermessungen gebunden. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich SDp für den Viktoriasee bereits in EGM:2008, da Jason-3 EGM:2008 im Gegensatz zu ellipsoiden Höhen verwendet, sodass keine harmonische Synthese erforderlich ist, wie dies für die anderen Seen der Fall ist.

Entlang jeder der Küstenlinien der drei Seen wurden Benchmarks für Lake Albert (BmA), Lake Edward (BmEd) und Lake George (BmG) installiert. Jeder Benchmark befindet sich im Umkreis von wenigen Metern und in Sichtweite einer Wasserstandsmesslatte. Für den Viktoriasee wurde ein bereits vorhandener Benchmark-Nagel (BmV) oberhalb des Messgeräts verwendet. Abgesehen vom Viktoriasee ist jeder installierte Benchmark eine Messingscheibe mit 8 cm Durchmesser und der Aufschrift LEAF II. Jeder installierte Benchmark wurde mit einem verdrehten Stahlbewehrungsstab etwa 15 cm in einer größeren Betonplatte verankert. Der Standort jedes Benchmarks wurde mithilfe einer langfristigen GNSS-Mittelung ermittelt, die von einem Hemisphere-GNSS-Empfänger mit angewendeten großflächigen Korrekturen des satellitengestützten Erweiterungssystems Atlas erfasst wurde. Beobachtungen ohne Korrektursignal wurden verworfen. Der GPS-Empfänger erfasste auch die ellipsoidische Höhe, die auf den Millimeter genau aufgezeichnet wurde. Bei der Konvertierung der Benchmark-Ellipsoidhöhen in die EGM 2008 WGS 1984-Version wurden die harmonischen Synthesekoeffizienten verwendet, die vom EGM-Entwicklungsteam der US-amerikanischen National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) bereitgestellt wurden15,16.

BmA wurde am 31.01.2020 im UPDF Marine-Gelände in Mbegu, etwa 6,5 km ostnordöstlich von Kaiso, Uganda, an der Ostseite des Lake Albert installiert. An sieben Tagen zwischen dem 01.02.2020 und dem 20.02.2020 wurde die horizontale Position des Benchmarks von einem GNSS-Empfänger mit integrierter Mittelwertbildung aufgezeichnet. Das GPS-Gerät ermittelte den Durchschnitt der horizontalen Standorte beim Benchmark, bis eine Zuverlässigkeit von 95 Prozent erreicht war. Darüber hinaus wurde die ellipsoide Höhe auf der Oberfläche des Lake Albert während des gesamten Untersuchungszeitraums erfasst und mithilfe des vertikalen Messversatzes und der Wasserstandswerte an die Referenzhöhe angepasst. Die Gesamtzahl der vertikalen Beobachtungen beträgt 35.550.

BmEd wurde am 13.02.2020 am Fischlandeplatz im Dorf Katwe, Uganda, am nördlichen Ende des Edwardsees installiert. In Teilen des 05.08.2020, 10.08.2020, 13.08.2020 und 15.08.2020 wurde alle 5 Sekunden ein X-, Y- und Z-GPS-Standort aufgezeichnet, was insgesamt 11.242 Beobachtungen ergibt.

BmG wurde am 11.08.2020 am Landeplatz in Kahendero, Uganda, auf der Westseite des Lake George installiert. Am 13.08.2020 wurde alle 5 Sekunden ein X-, Y- und Z-GPS-Standort aufgezeichnet, was insgesamt 2.663 Beobachtungen entspricht. Leider verfügt BmG nicht über eine uneingeschränkte 360°-Sicht auf den Himmel und erfordert möglicherweise weitere Verbesserungen.

Für den Viktoriasee wird ein bereits vorhandener Benchmark-Nagel (BmV) am Eisenbahndock in Jinja, Uganda, verwendet. Der Nagel befindet sich direkt über der Wasserstandsanzeige und ist mit einem weißen X markiert. In Teilen des 22.03.2021 und des 23.03.2021 wurde alle 5 Sekunden ein X-, Y- und Z-GPS-Standort aufgezeichnet, insgesamt also 6.842 Beobachtungen. Dennoch wurden, wie bereits erwähnt, Höhendaten für den tatsächlichen SDp verwendet.

Wenige Meter von jedem Benchmark entfernt war ein Wasserstandsmessstab entweder installiert oder bereits vorhanden. Für den Viktoriasee (GV), den Albertsee (GA) und den Edwardsee (GE) wurden bereits vorhandene Messgeräte verwendet. Am Lake George (GG) wurde für die Dauer der Feldeinsätze ein temporärer Pegel eingerichtet.

GA ist ein Stabmaß unbekannter Herkunft. Der Stab besteht aus einem einfachen quadratischen Eisenrohr mit bemalten Dezimeterintervallen, die in 5-cm-Schritten unterteilt sind. Die 100-cm-Unterteilung am oberen Ende des Messgeräts wurde am 31.01.2020 relativ zur BmA (Abb. 2, YBG) mithilfe einer optischen Wasserwaage vermessen. Zwischen dem 01.02.2020 und dem 20.02.2020 wurden zwölf Seespiegelbeobachtungen gesammelt. Der Wasserstand variierte während der gesamten Untersuchung nur um 6 cm. Der Durchschnitt der 12-Tagesmessungen wurde verwendet, um den SDp für die bathymetrische Untersuchung des Lake Albert zu definieren.

GE ist ein vom ugandischen Wasserministerium installiertes Langzeitmessgerät. Bei dem Messgerät handelt es sich um ein Stufenmessgerät, das aus drei separaten Betonpfeilern mit zunehmender Höhe besteht, an denen im Zentimeterbereich abgestufte Messstreifen angebracht sind. Der Wasserstand am Pegel im Verhältnis zum BmEd wurde am 10.08.2020 mit einer optischen Wasserwaage erfasst. Die zweimal täglichen Beobachtungen des Seespiegels wurden während des elftägigen Vermessungsvorgangs zwischen dem 05.08.2020 und dem 22.08.2020 fortgesetzt. Der Wasserstand variierte während der gesamten Untersuchung nur um 3 cm. Der Durchschnitt der 11 täglichen Messwerte wurde verwendet, um den SDp für die bathymetrische Untersuchung des Lake Edward zu definieren.

GG ist ein temporäres Messgerät, das für die Dauer von Feldeinsätzen installiert wird. Bei der Lehre handelt es sich um eine einfache Holzlehre mit aufgemalten Zentimeterabständen, die an einem verzinkten Stahlrohr verankert ist, das zwischen 1 m und 2 m in den Untergrund gerammt wird. Der Wasserstand am Pegel im Verhältnis zum BmG wurde am 12.08.2020 mit einer optischen Wasserwaage erfasst. An den beiden Tagen der hydrografischen Untersuchung sowie am Tag vor und nach der Untersuchung wurden einmal täglich Beobachtungen des Seespiegels durchgeführt. Das Wasser war während der gesamten Untersuchung stabil. Die beiden durchschnittlichen Tageswerte wurden verwendet, um den SDp für die bathymetrische Untersuchung des Lake George zu definieren.

GV ist ein vom ugandischen Wasserministerium installiertes Langzeitmessgerät. Das Messgerät verfügt über abgestufte Messmarkierungen im Zwei-Zentimeter-Bereich. Der Nullpunkt des Pegels, bezogen auf den BmV, wurde am 22.03.2021 und 23.03.2021 erhoben. Da BmV und GV auf denselben horizontalen Koordinaten liegen, ist eine Nivellierung nicht erforderlich. Wasserstandsbeobachtungen dieses Messgeräts wurden während der Untersuchung nicht genutzt, da der Jason-3-Höhenmesser zur Bestimmung der Seehöhe des Viktoriasees verwendet wurde. Stattdessen werden zur Berechnung des Wasserstands die nächsten vier Jason-3-Messwerte über die Erhebungsdaten hinweg verwendet. Der Wasserstand schwankte bei der bathymetrischen Untersuchung 2017 um 4 cm, bei der Untersuchung 2018 um 9 cm, bei der Untersuchung 2019 um 5 cm und bei der Untersuchung 2020 um 13 cm. Als SDp wird der Wasserstand 2020 verwendet, um eine möglichst weitgehende zeitliche Konsistenz über alle Seen in der Datenbank hinweg zu gewährleisten.

Tabelle 1 enthält den SDp jedes Sees in den gängigsten Gravitationsmodellen und alle Eingabeparameter für die Seehöhenmodelle. Der SDp für Lake Edward beträgt 915,77 m (EGM08), der E/SDp für Lake George beträgt 915,74 m (EGM08), und der SDp für Lake Albert beträgt 622,18 m (EGM08) und der SDp für Lake Victoria beträgt 1136,92 m (EGM08). ). Unsicherheitsmaße werden in der technischen Validierung angegeben.

Die hydroakustische Untersuchung des Lake Albert wurde über einen Zeitraum von 14 Tagen zwischen dem 1. Februar 2020 und dem 20. Februar 2020 durchgeführt. Die hydroakustische Untersuchung des Lake Edward wurde über einen Zeitraum von 10 Tagen zwischen dem 4. August 2020 und dem 22. August 2020 durchgeführt. Am 13. August 2020 und am 14. August 2020 fand die hydroakustische Untersuchung des Lake George während einer Pause der Lake Edward Survey statt. Die hydroakustische Untersuchung des Viktoriasees fand täglich zwischen dem 8. September 2017 und dem 7. Oktober 2017, dem 10. September 2018 und dem 9. Oktober 2018, dem 15. September 2019 und dem 13. Oktober 2019 und schließlich zwischen dem 20. Oktober 2020 und dem 25. November 2020 statt . Die Sondierungen des Viktoriasees aus den Jahren 2017, 2018 und 2019 wurden vertikal korrigiert, um sie an die Wasserstände von 2020 anzupassen. Das Vorjahr wurde um 1,28 Mio. (0,03 Mio., 95 CI), 0,975 Mio. (0,06, 95 CI) bzw. 1,025 Mio. (0,05 Mio., 95 CI) angepasst.

Die Transektentwürfe für die hydroakustische Untersuchung basierten auf der lokalen Topographie, der verfügbaren Bathymetrie und Kostenüberlegungen. Sowohl der Albertsee als auch der Edwardsee wiesen dominante Reliefmuster auf, die vom kongolesischen Hochland im Westen bis zum ugandischen Plateau im Osten reichten und eine tiefe U-Form senkrecht zum Albertine Rift bildeten. Die Vermessungstransekte wurden so konzipiert, dass sie dieser Achse des Hochreliefs über den Albertine Rift folgen. Lake George und Lake Victoria weisen keine erkennbaren Reliefmuster auf, da es sich bei beiden um relativ flache Becken handelt, die auf flachen Ebenen liegen. Daher wurden die Untersuchungsentwürfe optimiert, um einen angemessenen Teil dieser beiden Seen zu erfassen und gleichzeitig die Kosten zu minimieren.

Über den Lake Albert, den Lake Edward und den Lake George wurde ein 9 m langes Forschungsschiff mit V-Boden und geringem Tiefgang mit einer ugandischen Besatzung in Jinja, Uganda, eingesetzt. Das zur Erfassung der Sondierungen verwendete Echolot war ein Zweifrequenz-Echolot mit integriertem Datenlogger, externem GNSS-Empfänger und einem kombinierten Niederfrequenz- (33 kHz) Hochfrequenz- (200 kHz) Wandler. Beide Frequenzen waren während der Vermessung betriebsbereit und wurden aufgezeichnet, aber nur das Hochfrequenzsignal wurde verarbeitet, um die Sondierungen von Lake Albert und Lake George zu erstellen. Mehr als 90 Prozent des Edwardsees nutzten ebenfalls das Hochfrequenz-Echolot, in Gebieten über 90 m Tiefe wurde das Instrument jedoch auf Niederfrequenz umgestellt. Basierend auf den Wasserproben, die durchschnittlich zweimal pro Transekt durchgeführt wurden, wurde eine Anpassung der Schallgeschwindigkeit vorgenommen. Die Kalibrierung wurde vor dem ersten Einsatz durchgeführt.

Für Lake Albert, Lake Edward und Lake George wurde die Software Hydromagic 9.1 verwendet, um die akustischen Sondierungen aufzuzeichnen und in tabellarischen X-, Y- und Z-Formaten zu verarbeiten. Das Echogramm des Echolots wurde in Echtzeit auf einen Laptop ausgegeben. Eine spezielle 12-Volt-Batterie, die von einem 60-Watt-Solarpanel auf der Kabinendecke versorgt wird, versorgt die gesamte Ausrüstung mit Strom. Die Positionen wurden mit einer an das Echolot angeschlossenen Mehrfrequenz-GNSS-Antenne ermittelt. Der Wandler war auf einer Verlängerungsstange aus Aluminium montiert, die die GNSS-Antenne direkt über dem Wandler trug. Die Antenne empfing Korrektursignale des L-Band-Satellitenerweiterungssystems (SBAS) von Atlas, die eine präzise Positionierung ermöglichen.

Die Sondierungen des Victoriasees wurden vom Hecktrawler RV Lake Victoria Explorer von Mitgliedern der Hydroacoustics Regional Working Group der Lake Victoria Fisheries Organization gesammelt. Diese Gruppe hat ihren Sitz in Jinja, Uganda, Kisumu in Kenia und Mwanza in Tansania. Diese Gruppe hat seit 1999 im Rahmen eines etablierten Protokolls20 dreiundzwanzig akustische Untersuchungen des Viktoriasees durchgeführt. Die RV Explorer ist ein 17 m langes Forschungsschiff mit V-förmigem Rumpf und einem Tiefgang von 1,8 m. Das im RV Explorer verwendete Echolot ist ein Zweifrequenzsystem, das mit 70 kHz bzw. 120 kHz arbeitet. Die Wandler sind auf einem hervorstehenden Instrumentenkiel unter dem Boot montiert und werden über das elektrische System des Schiffes mit Strom versorgt. Die Kalibrierung wurde unmittelbar vor jeder täglichen Umfrage durchgeführt. Der in diesem System verwendete GPS-Logger ist nicht differenziell korrigiert.

Für den Viktoriasee wurde die Software Echoview 8.0 verwendet, um die Sondierungen aufzuzeichnen und in tabellarischen X-, Y- und Z-Formaten zu verarbeiten. Nachdem das Rauschen aus dem Rohsignal entfernt und Anpassungen zur Korrektur des Strahlwinkels vorgenommen wurden, wurden die ersten Seebodensondierungen mithilfe des Algorithmus für den besten Bodenkandidaten21 ermittelt. An jedem Kalibrierungsort wurde eine CTD-Sonde eingesetzt, um die lokalen Umgebungsbedingungen zu ermitteln. Zur Vorhersage der Schallgeschwindigkeit wurde die durchschnittliche Wassertemperatur am Kalibrierungsort in das System eingegeben. Das Kalibrierungsprotokoll für die Vermessung des Viktoriasees ist in den Standardarbeitsanweisungen für hydroakustische Untersuchungen am Viktoriasee20 detailliert beschrieben.

An allen Seen verarbeitete entweder ein zertifizierter Küsteningenieur oder eine Person mit einschlägigem Fachwissen die Echogramme des Echolots. Der Prozess umfasst im Wesentlichen die Erkennung des durchschnittlichen Bodens im Echogramm und die Digitalisierung durch kleine Spitzen und Vertiefungen, die durch die Bewegung des Bootes verursacht werden. An windstillen Tagen ist eine enge Auslegung erforderlich, oft reicht auch die automatisierte Entnahme des Seebodens aus. An Tagen mit rauem Wasser ist eine manuelle Digitalisierung der Spur erforderlich. Manchmal wird das Signal von allem reflektiert, was sich auf seinem Weg zum Boden befindet, einschließlich suspendierter Sedimente, Trümmer, Tiere, Unterwasservegetation, Schlamm, Schlamm oder einer härteren verdichteten Schicht unter einer weicheren Oberflächenschicht. Der Digitalisierungsprozess beseitigt solche Anomalien und glättet Aussetzer und andere Störungen. Schließlich wird die digitalisierte Spur zur Verwendung in GIS und anderer Software in tabellarische Sondierungen exportiert. Abbildung 3 zeigt die Sondierungen über alle Seen hinweg.

Projektsondierungen. Alle Sondierungen auf allen Seen.

Für Lake Albert, Lake Edward und Lake George enthalten die ausgegebenen räumlichen und tabellarischen Daten Folgendes: das Datum der Sondierung, die horizontale Position der Sondierung und die korrigierte Tiefe unter Verwendung einer lokal überprüften Schallgeschwindigkeitsanpassung sowohl für Hochfrequenz- als auch für Niederfrequenz-Sondierungen, sofern zutreffend, die Schiffsgeschwindigkeit zum Zeitpunkt der Sondierung, das Schiff Kurs zum Zeitpunkt der Sondierung und ein Feld, das angibt, ob das GNSS bei jeder Sondierung im unkorrigierten oder korrigierten Modus betrieben wurde. Für den Viktoriasee enthalten die ausgegebenen räumlichen und tabellarischen Daten das Datum der Sondierung, die Zeit der Sondierung, die horizontale Position der Sondierung, die korrigierte Tiefe unter Verwendung einer lokal verifizierten Schallgeschwindigkeitsanpassung und ein Feld, das angibt, ob das GNSS vorhanden war Betrieb im unkorrigierten oder korrigierten Modus für jede Sondierung. Die Tiefe Null entspricht dem LE/SDp für jeden See, wie bereits definiert.

Am Albertsee wurden 290.018 Sondierungen gesammelt (Tabelle 2), was 53 Sondierungen pro Quadratkilometer ergab. Über den Lake Edward wurden 225.528 Sondierungen gesammelt (Tabelle 2), was 101 Sondierungen pro Quadratkilometer ergab. Über den Lake George hinweg wurden 59.281 Sondierungen gesammelt (Tabelle 2), was einer Dichte von 211 Sondierungen pro Quadratkilometer entspricht. Schließlich wurden am gesamten Viktoriasee 17.958.859 Sondierungen gesammelt (Tabelle 2), was einer Dichte von 269 Sondierungen pro Quadratkilometer entspricht. Das Wasservolumen und die mittlere Tiefe werden mithilfe der eingeschränkten Delaney-Triangulation berechnet, während die maximale Tiefe die tiefste Sammelsondierung ist. Die zusammenfassenden Informationen zur Bathymetrie jedes Sees sind in Tabelle 2 aufgeführt und werden mit Werten aus der (WLD) World Lakes Database22 verglichen, sofern nicht anders angegeben.

Für jeden der Seen haben wir hochauflösende Küstenlinien aus Weltraumbildern in einer Kombination von 15 m, 10 m, 5 m, 3 m, 50 cm und 30 cm erstellt. Genauigkeitsstatistiken wurden mithilfe von UAS-abgeleiteten Bildern bei 10 cm erstellt.

Sentinel-2 dient der Kartierung und Überwachung der Wasserbedeckung, Binnenwasserstraßen und Küstengebiete24. Die grundlegenden weltraumgestützten Bilder, die zur Abgrenzung der Küstenlinien über den Lake Albert, den Lake Edward und den Lake George verwendet werden, sind Sentinel-2. Sentinel-2 ist ein weitreichendes, hochauflösendes (HR) Multispektralbildgebungssystem der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das aus zwei Satelliten besteht, die in derselben Umlaufbahn fliegen, jedoch um 180° phasenverschoben sind23. Das System trägt eine optische Instrumentennutzlast, die dreizehn Spektralbänder abtastet: vier Bänder mit einer Auflösung von 10 m, sechs Bänder mit einer Auflösung von 20 m und drei Bänder mit einer Auflösung von 60 m25. Die vier Bänder mit einer Auflösung von 10 m sind auf die Wellenlängen 0,490 µm, 0,56 µm, 0,665 µm bzw. 0,842 µm zentriert. Diese Wellenlängen entsprechen den blauen, grünen, roten und nahen Infrarotanteilen des elektromagnetischen Spektrums. Diese spektralen Eigenschaften von Sentinel-2 ermöglichen Farbkompositionen und Falschfarbenkompositionen jedes Sees mit einer Auflösung von 10 m. Da das radiometrische Signal im Nahinfrarotband außerdem fast vollständig vom offenen Wasser absorbiert wird, kann es bei der Abgrenzung einer Wasser-Land-Randgrenze hilfreich sein.

Die zur Beschreibung der Küste des Lake Albert verwendeten Sentinel-2-Datengranulate sind:

S2B_MSIL1C_20190403T080609_N0207_R078_T36NUH_20190403T110906, S2B_MSIL1C_20190503T080619_N0207_R078_T36NTG_20190503T112849, S2B_MSIL 1C_20190503T080619_N0207_R078_T36NTH_20190503T112849, S2B_MSIL1C_20190503T080619_N0207_R078_T36NUG_20190503T112849

Die Sentinel-2-Datengranulate, die zur Abgrenzung der Uferlinie des Lake Edward verwendet werden, sind:

MSIL1C_20170702T081009_N0205_R078_T35MRV_20170702T082404, MSIL1C_20170821T080959_N0205_R078_T35MQV_20170821T082855

Das zur Beschreibung der Küste des Lake George verwendete Sentinel-2-Datengranulat ist:

S2B_MSIL1C_20191229T081239_N0208_R078_T35NRA_20191229T100818

Die grundlegenden weltraumgestützten Bilder, die zur Beschreibung der Küste des Viktoriasees verwendet werden, sind Landsat-8. Landsat-8 ist ein hochauflösendes (HR) multispektrales Bildgebungssystem des USGS/NASA. Landsat-8 nutzt einen Push-Broom Operational Land Imager und einen thermischen Infrarotsensor, um Daten mit einer räumlichen Auflösung von 30 Metern im sichtbaren und nahen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums zu sammeln. Die relevanten Bänder bei einer Auflösung von 30 m sind das blaue Band zwischen 0,45 µm und 0,51 µm, das grüne Band zwischen 0,53 µm und 0,58 µm, das rote Band zwischen 0,64 µm und 0,67 µm und das Nahinfrarotband zwischen 0,85 µm µm bis 0,88 µm. Da das Infrarotband fast vollständig von offenem Wasser absorbiert wird, kann es bei der Abgrenzung einer Wasser-Land-Randgrenze hilfreich sein. Darüber hinaus befindet sich ein panchromatisches 15-m-Band zwischen 0,64 µm und 0,67 µm und wird zum Pansharpen der 30-m-Bänder verwendet, um die Merkmalsdigitalisierung mit einer Auflösung von 15 m zu ermöglichen. Diese spektralen Eigenschaften von Landsat-8 ermöglichen bei Pan-Sharpene Farb- und Farb-Infrarot-Komposite des Viktoriasees mit einer Auflösung von 15 m.

Die Landsat-Daten sind unten aufgeführt.

LC81700602020049LGN00, LC81700602021003LGN00, LC81700612020001LGN00, LC81700612020049LGN00, LC81700622020017LGN00, LC81700622020049LGN00. LC81710602020040LGN00, LC81710602021026LGN00, LC81710612020040LGN00, LC81710622020040LGN00, LC81720602020047LGN00

In hochdynamischen Vegetationsgebieten, in denen Sentinel-2 oder Landsat-8 keine klare Küstenlinie abgrenzen können, wurden Bilder mit sehr hoher Auflösung (VHR) aufgenommen und verwendet (Tabelle 3). Beispielsweise werden im südlichen Feuchtgebiet des Albertsees sowohl in der Demokratischen Republik Kongo als auch in Uganda 50-cm-Weltbild-2- (WV2) und 30-cm-Weltbild-3-Bilder (WV3) anstelle von Sentinel-2 (Tabelle 3) verwendet, da es in dieser Region kurzlebige schwimmende Gräser gibt , Unterwasservegetation, und zeigt daher eine reflektierte Signalantwort in den Nahinfrarotbändern der Satellitenbilder. Daher weisen die Feuchtgebiete des Albertsees eine wesentlich höhere Auflösung auf als der Rest der Uferlinie des Albertsees.

Schließlich wurde ein UAS mit Submeterauflösung (SMR) über den Lake Albert geflogen, um die Positionsgenauigkeit der Küstenlinien zu ermitteln. Nachdem die Genauigkeitsstatistiken berechnet waren, wurden die UAS-Daten wieder in die Küstenlinien dieser Gebiete integriert. Diese von UAS abgeleiteten Küstenlinien sind die Regionen um Kaiso, Butiaba und Ntoroko am Albertsee in Uganda.

Der erste Schritt der Küstenlinienabgrenzung bestand in der Auswahl der erforderlichen Satellitenszenen. Die ausgewählten Szenen mussten die folgenden Kriterien erfüllen, über den Seen größtenteils wolkenfrei sein und über geeignete Flaggen verfügen, die auf qualitativ hochwertige Daten hinweisen. Die Standorte ESA Copernicus Hub und USGS GLOVIS wurden durchsucht, bis die Bilder die oben genannten Kriterien erfüllten. Die ausgewählten Körnchen wurden dann nur in die blauen, grünen, roten und nahinfraroten Bänder unterteilt, und die Landsat-8-Bilder wurden pangeschärft. Nach der Zusammenstellung wird jedes 4-Band-Raster als Farb-IR-Komposit und als sichtbares Farbkomposit dargestellt. Vor Beginn der Digitalisierung wurde die Auflösung für alle Seen auf 1:20.000 festgelegt, mit Ausnahme des Viktoriasees, der auf 1:30.000 festgelegt war.

Es wurden Fischnetze gebaut, die den gesamten See abdeckten. Die Küstenlinie in jeder Zelle des Fischnetzes wird im Heads-up-Verfahren manuell digitalisiert. Der erste Durchgang jeder Zelle digitalisiert die äußere Uferlinie des Sees. Der zweite Durchgang jeder Zelle digitalisiert alle Inseln in der Zelle und der dritte Durchgang digitalisiert potenzielle küstennahe Hindernisse. Sobald jede Zelle vollständig ist, überprüft ein zweiter Kartograph die Digitalisierung und sendet alle Fragen an den ursprünglichen Digitalisierer zurück, um die erforderlichen Aktualisierungen vorzunehmen. Der letzte Schritt besteht darin, alle einzelnen Küstenlinienzellen des Fischnetzes zu einem einzigen Ganzen für jeden See zu kombinieren und dann die Topologie des konstruierten Küstenlinienmerkmals zu überprüfen.

Unter Verwendung der Tobler-Maßstabs- und Auflösungsregel26 ist es möglich, eine Küstenlinie zu erstellen, die aus den 10-m-Sentinel-2-Bildern einen Maßstab von ungefähr 1:20.000 und aus den Landsat-8-Bildern einen Maßstab von 1:30.000 hat, und zwar unter Verwendung geeigneter Fehlerüberwachung und -kontrolle. Die Planet Scope-Bilder würden bei einer Auflösung von 3 m einem Verhältnis von 1:6.000 entsprechen, die WV2-Bilder bei einer Auflösung von 50 cm würden einem Verhältnis von 1:1000 entsprechen, die WV3-Bilder bei einer Auflösung von 30 cm würden einem Verhältnis von 1:600 entsprechen, die UAS-Bilder bei einer Auflösung von 10 cm würde 1:200 entsprechen. Aus diesen Gründen können die Küstenlinien der Lakes Albert, Edward und George mit einer Auflösung von mindestens 10 m oder einem Produkt im Maßstab 1:20.000 betrachtet werden. Die Küste des Viktoriasees kann mit einer Auflösung von mindestens 15 m oder als Produkt im Maßstab 1:30.000 betrachtet werden. Wir geben die gröbste Auflösung als die Auflösung der Küstenlinie des gröbsten Instruments an, aber große Teile der Küstenlinien weisen mit weniger groben Instrumenten eine höhere Auflösung auf.

Wir finden, dass die Oberfläche des Lake Edward, des Lake Albert, des Lake George und des Lake Victoria 2.241.119.039 m2, 5.423.949.967 m2, 281.121.696 m2 bzw. 66.792.882.259 m2 beträgt. Wir finden, dass die Küstenlängen des Lake Edward, des Lake Albert, des Lake George und des Lake Victoria 241.395 m, 484.454 m, 89.204 m bzw. 3.063.755 m betragen. Die zusammenfassenden Informationen für die Uferlinie jedes Sees sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Daten werden mit der Global Self-Consistent, Hierarchical, High-Resolution Geography Database (GSHHG)27 verglichen, die als die derzeit beste verfügbare konsistente Datenbasis für diese Seen gilt27.

Die Sondierungen wurden mit Eye4Software Hydromagic oder Echoview Software Pty Ltd, Echoview-Software, gesammelt und verarbeitet. Das für den Lake Albert, den Lake Edward und den Lake George verwendete Sondierungssammelsystem war das CEESystems CEESCOPE. Hochfrequenzsondierungen für Lake Albert, Lake Edward und Lake George wurden mit einem 200-kHz-Wandler von CEE Systems erfasst. Die Niederfrequenzsondierungen für den Tiefwasserteil des Lake Edward wurden mit einem 33-kHz-Wandler von CEE Systems erfasst. Das vor 2020 am Viktoriasee eingesetzte Sondierungserfassungssystem war ein Simrad EK 60 Zweifrequenz-Echolot mit einem Abstrahlwinkel von 7°, verbunden mit einem 70-kHz- und 120-kHz-Allzweck-Doppelwandler, hergestellt von Kongsberg Maritime AS. Für 2020 wurde das Sondierungserfassungssystem auf ein Simrad EK80 Zweifrequenz-Echolot umgestellt, das mit denselben Frequenzen arbeitete. Das am Lake Albert, Lake Edward und Lake George verwendete GNSS-System war ein Novatel Hemisphere GPS. Das Hemisphere Atlas-System lieferte die SBAS L-Band GPS-Echtzeitkorrektur. Das Hemisphere Atlas-System lieferte die SBAS L-Band GPS-Echtzeitkorrektur. Das am Viktoriasee verwendete GNSS-System war ein GPS der Globalsat Technology Corporation.

ESRI ArcGIS ArcPro28, GDAL/OGR29 und QGIS30 wurden verwendet, um alle horizontalen Koordinatenübertragungen durchzuführen, geostatistische Analysen durchzuführen, kartografische Ausgaben zu erstellen, Küstenlinien zu digitalisieren, die Sondierungen nachzubearbeiten und die Sondierungen zu analysieren. Zur Verarbeitung und Transformation der SDp-GPS-Daten wurde Microsoft Excel verwendet. Die Harmonic-Synthese-Transformation für die Datenkonvertierung in EGM 2008 wurde im Harmonic Synth WGS 84 Fortran-Code durchgeführt, der von der NGA15 bereitgestellt wurde.

Sentinel-2 und PlanetScope waren die primären Datenquellen für die Satellitenbilder. Das SenseFly EBee + UAS31 mit der SODA-Vermessungskamera32 wurde verwendet, um die Daten zu fliegen und dann die Genauigkeit der Küstenlinienabgrenzung zu bewerten. Für die Planung und den Flug aller UAV-Missionen wurde die Software SenseFly Emotion33 verwendet. Pix4D34 wurde zur Verarbeitung aller UAV-Bilder verwendet.

Tinfour 2.7.135 zur Triangulierung massenhafter Bathymetriesondierungen und zur Berechnung der mittleren Tiefe und des mittleren Volumens jedes Sees.

HRBS-GLWNB 2020 ist als Geodaten-Repository in einem Harvard Dataverse unter https://dataverse.harvard.edu/dataverse/GLWNB-2020 öffentlich verfügbar. Die Vektordaten liegen im offenen Shapefile-Format und die Rasterdaten im offenen GeoTiff-Format vor. Tabellendaten sind im CSV-Format verfügbar. Aufgrund der großen Dateigröße sind einige Datensätze komprimiert. Die Daten sind nach Lake und Datentyp organisiert.

Alle Sondierungen für alle Seen sind im Vektorpunkt- und Tabellenformat verfügbar36. Zu den Attributen gehören die tatsächliche Sondierung, die horizontale Position der Sondierungen, der GPS-Status der Sondierungen und andere Zusatzdaten wie Datum und Uhrzeit der Sondierung. An diesem Standort sind auch Bathymetriekarten verfügbar, die aus den Sondierungen abgeleitet wurden36.

Alle Seehöhen- (SDp), Benchmark- und Wasserstandsinformationen liegen in Punkt- und Tabellenformaten vor37. Alle Daten werden in ellipsoiden Höhen und EGM 84, EGM 96 und EGM 08 bereitgestellt. Die Daten sind nach See und Datentyp organisiert. Zu den Attributen gehören der tatsächliche Nullpunkt des Seespiegels für jeden See, die horizontale Position des Benchmarks, der zum Ableiten des Nullpunkts des Seespiegels verwendet wird, jeder GPS-Punkt, der in den Benchmark-Standort eingespeist wird, und die Gravitationsversätze, die zum Konvertieren der Höhe jedes Sees von einer ellipsoiden Höhe in eine Höhe verwendet werden Erdgravitationsmodell. Jede Seeuferlinie ist als Vektorpolygon38 verfügbar. Das Repository enthält Geometadaten für jeden Datensatz.

Die Schätzung der Unsicherheit erfolgt nach einem dualen Ansatz. Definieren Sie zunächst die Unsicherheit jeder Komponente und versuchen Sie, sie zu messen, und kombinieren Sie diese Unsicherheitsmaße dann zu einem einzigen statistischen Maß für die Unsicherheit, das für den gesamten Datensatz gilt, oder erstellen Sie, wenn möglich, eine Stichprobe der Daten mit höherer Wahrheitsgehalt und verwenden Sie diese Stichprobe mit höherer Wahrheitsgehalt, um Bewerten Sie die Unsicherheit der Bevölkerung mithilfe einer Kreuzvalidierung.

Die LEU-Unsicherheit ist die kombinierte Unsicherheit der vertikalen Positionen der Benchmarks, der Wasserstandswerte, des Fehlers, der bei der Datenübertragung zwischen den beiden entsteht, und der Übertragung ellipsoider Höhen an EGM 2008.

Das 99-Prozent-Konfidenzintervall für jede Ellipsoidhöhe der Benchmarks wird unten ausgedrückt und als Ellipsoidunsicherheit (EU) verwendet.

Die optische Pegelunsicherheit (OLU) in vertikalen Millimetern ist die Quadratroute der in Kilometern gemessenen Entfernung multipliziert mit sechzig39. Die kombinierte Entfernung vom Lake Albert-Benchmark zum optischen Niveau und vom Lake Albert-Messwert zum optischen Niveau wird auf 20 m geschätzt, was zu einem potenziellen maximalen Nivellierfehler von 0,008 m führt. Die kombinierte Entfernung vom Lake Edward-Benchmark zum optischen Niveau und vom Lake Edward-Messwert zum optischen Niveau wird auf 20 m geschätzt, was zu einem potenziellen maximalen Nivellierfehler von 0,008 m führt. Die kombinierte Entfernung vom Lake George-Benchmark zum optischen Niveau und vom Lake George-Messwert zum optischen Niveau wird auf 40 m geschätzt, was zu einem potenziellen maximalen Nivellierfehler von 0,012 führt. Der optische Messfehler des Viktoriasees beträgt 0 m, da sich der Standort des Messgeräts an der gleichen horizontalen Stelle wie der Bezugspunkt befindet und der Höhenmesser zur Bestimmung des SDp verwendet wird.

Es wird davon ausgegangen, dass es sich bei jeder einzelnen WL-Unsicherheit (WLU) um die Skalenunsicherheit der Hälfte der Abstufung jedes Messgeräts handelt, die 0,025 m für den Lake Albert und 0,005 m für den Lake Edward, den Lake George und den Lake Victoria beträgt.

Jason-3 ist ein relativ neuer Höhenmesser und seine Anwendung auf Binnengewässer ist noch jünger, die Auswertung terrestrischer Gewässer befindet sich jedoch in der Entwicklung. Über dem Issyk-Kul-See wird die absolute Abweichung von Jason-3 mit −28 mm ± 40 mm StD40 angegeben. In zahlreichen französischen Flüssen liegt der RMSE zwischen 0,20 m und 0,30 m41, und das Instrument ist für eine Genauigkeit von 2,5 cm ausgelegt42, und dieser Wert wird als Gesamt-LEU für den Viktoriasee verwendet.

Für Lake Albert, Lake Edward und Lake George wird die LEU-Unsicherheit mithilfe der Root Sum of the Squares GUM-Methode43 (Gleichung 2) berechnet. Für den Viktoriasee ist die LEU lediglich die Unsicherheit der Höhe des Jason-3-Sees, da sowohl der Benchmark als auch der Pegel umgangen werden (Gleichung 2).

Gl. 2 – SDP-Unsicherheit

wobei LEU = Gesamt-SDp-Unsicherheit, V = Viktoriasee, A = Albertsee, E = Eduardsee, G = Georgesee, EU = ellipsoidische Unsicherheit, OLU = optische Füllstandsunsicherheit, WLU = Wasserstandsmessunsicherheit.

Die bedeutendste Unsicherheit ist wahrscheinlich die Unsicherheit der Umwandlung des Erdgravitationsmodells (EGMu), die durch die Verwendung der gezeitenfreien sphärischen harmonischen Koeffizienten16 entsteht, und diese Unsicherheit bleibt für diskrete Standorte unbekannt. Das erklärte Ziel von EGM 2008 lässt einen globalen Fehler der Kommission für quadratische Geoidwellen von ±15 cm zu, und Gebiete mit qualitativ hochwertigen Gravitationsdaten wurden auf Unsicherheiten zwischen ±5 und ±10 cm geschätzt16. Lake Albert, Edward und George weisen unbekannte EGMU-Unsicherheiten auf. Die LEU für den Viktoriasee beträgt 2,5 cm, was mit der gemeldeten Unsicherheit des Jason-3-Höhenmessers42 übereinstimmt, und die Höhenmesserdaten sind bereits auf EGM 200817 kalibriert. EGMU ist wahrscheinlich bereits in die LEU für den Viktoriasee integriert.

Die LEU für den Albertsee beträgt 0,05 m zuzüglich der zusätzlichen unbekannten EGMU. Die LEU für Lake Edward beträgt 0,01 m zuzüglich der zusätzlichen unbekannten EGMU. Die LEU für Lake George beträgt 0,16 m zuzüglich der zusätzlichen unbekannten EGMU. Der LEU für den Viktoriasee beträgt 2,5 cm.

Der Hersteller gibt die Nenngenauigkeit eines 200-kHz-Gebers mit 0,01 m zusätzlich zu ±0,1 Prozent der Tiefe an. Wir verwenden diesen Wert für alle Seen, obwohl für einen kleinen Teil des Eduardsees der 33-kHz-Geber und für den Viktoriasee ein 120-kHz-Geber verwendet wurde. Tabelle 5 gibt die Werte der Echolotunsicherheit Ues für repräsentative Wassertiefen an. Die maximale Unsicherheit des Strahlwinkels, Uba, kann mithilfe einer einfachen trigonometrischen Beziehung (Gleichung 3) in Bezug auf die Tiefe ausgedrückt werden, was zu dem Wert in Tabelle 5 führt. Die Neigung oder Bewegung eines Schiffes ändert den Winkel des akustischen Strahls und führt ihn ein Schrägbereichsfehler in der gemessenen Tiefe. Wenn der Nick- oder Rollwinkel die akustische Strahlbreite des Wandlers überschreitet, kann es zu Signalverlusten kommen. Dabei wurden die Lücken durch die Digitalisierung geschlossen. Die akustische Strahlbreite des Signals vom 200-kHz-Wandler beträgt 5 Grad. Die Schiffsneigung überschritt selten einige Grad, der Rollwinkel konnte jedoch an ungewöhnlich unruhigen Tagen für kurze Zeiträume 5 Grad überschreiten.

Gl. 3 Unsicherheit des Abstrahlwinkels

Der am Viktoriasee verwendete Geber ist dauerhaft fest montiert, sodass nur eine einzige Messung des anfänglichen Tiefgangs unter dem Wasserspiegel (TD0) erforderlich ist. In allen anderen Seen wurde der TD0 in ruhigem Wasser jeden Tag auf 1 cm genau gemessen, wenn die Montageeinheit auf dem Boot installiert wurde. In einigen Fällen musste TD0 gemessen werden, wenn die Wasseroberfläche von kleinen Wellen beeinflusst wurde. Eine weitere Auswirkung auf die Tiefgangsunsicherheit waren Schwankungen des Tiefgangs des Schiffs mit der Geschwindigkeit und in gewissem Maße auch Änderungen der Verdrängung, wenn Treibstoff verwendet wurde. Auch Rotationsbewegungen des Schiffs führen zu Schwankungen im Tiefgang. Um diesen Effekt zu minimieren, wurde versucht, die Umverteilung der Ausrüstung und der Besatzungsbewegungen auf ein Minimum zu beschränken, was sich in der Praxis jedoch gelegentlich als schwierig erwies.

Die Obergrenze der TD-Varianz wird physikalisch durch die Bootskonstruktion und die Montagemethode des Wandlers bestimmt. Es wurde beobachtet, dass bei Fahrt mit Vermessungsgeschwindigkeit jede Schiffsbewegung, die den Tiefgang um mehr als etwa + 20 cm veränderte, entweder den Geber aus dem Wasser heben würde, was für den Hydrographen sofort erkennbar gewesen wäre, oder ein Überlaufen des Wassers verursacht hätte der Heckspiegel, was für die Besatzung sofort erkennbar gewesen wäre. Um diese Unsicherheiten zu berücksichtigen, wird die maximale Ungewissheit des Wandlertiefgangs, Utd, auf die physikalischen Grenzen des Bewegungsbereichs des Wandlers, also 20 cm, geschätzt.

Die gemessene Tiefe ist eine lineare Funktion der Schallgeschwindigkeit im Wasser. Die Schallgeschwindigkeit in Süßwasser wird hauptsächlich von der Wassertemperatur beeinflusst: Niedrigere Temperaturen führen zu geringeren Geschwindigkeiten, höhere Temperaturen zu höheren Geschwindigkeiten. Standardisierte Formeln liefern genaue Schallgeschwindigkeiten als Funktion der Temperatur. Da während der Untersuchungen keine Temperaturprofile erfasst wurden, wurden alle Sondierungen unter der vereinfachenden Annahme einer einzigen, konstanten Schallgeschwindigkeit nachkalibriert.

Nach der Kalibrierung der Sondierungen wurden verschiedene Messungen der tatsächlichen Temperaturen der vier untersuchten Seen verwendet, um die maximale Geschwindigkeitsunsicherheit Usv aufgrund von Schwankungen der Schallgeschwindigkeit abzuschätzen. Die maximal gemessenen Temperaturen reichten von 21,60 °C im Viktoriasee im Jahr 2018 bis 30,1 °C im Albertsee im Jahr 202044. Dieser Bereich entspricht einer Schallgeschwindigkeit im Bereich von 1486 m/s bis 1508 m/s. Da die gemessene Tiefe linear von der Schallgeschwindigkeit abhängt, hat der Usv die gleichen Prozentsätze wie die Fehler der Schallgeschwindigkeit, die zwischen −1,1 Prozent und 0,4 Prozent liegen. Der in Tabelle 5 angegebene Einzelwert von Usv als Funktion der repräsentativen Tiefen wird als Maximum des absoluten Bereichs von ±Usv oder 1,1 Prozent geschätzt.

Auch hier wird die kombinierte Sondierungstiefenunsicherheit (Usc) mithilfe der Root Sum of the Squares GUM-Methode43 (Gleichung 4) berechnet. Nicht berücksichtigte Fehler beziehen sich auf die abnehmende Treibstoffbelastung im Laufe des Tages und andere Bootsstabilitätsparameter wie die Anzahl und den Standort der Besatzungsmitglieder.

Gl. 4 – Unsicherheit klingen

Während des Lake Albert-Einsatzes kam es über mehrere Tage hinweg zu Unterbrechungen des GNSS-L-Band-Korrektursignals, das etwa 20 Prozent der Zeit ausfiel. Infolgedessen gab es am Albertsee 59.287 GPS-Koordinatenpaare ohne Differenzsignal und 233.504 GPS-Koordinatenpaare mit Differenzsignal. Es wurde beschlossen, die 59.287 GPS-Koordinatenpaare ohne Differenzsignal beizubehalten. Die folgende Methodik wurde entwickelt, um diesen Unterschied zu quantifizieren und als Entscheidungshilfe für die Einbeziehung der unkorrigierten GPS-Daten neben den korrigierten GPS-Daten zu dienen. Es ist zu beachten, dass dieser Abfall des L-Band-Signals nur die horizontale Position der Sondierungen verändert, da die Tiefe von hydroakustischen Geräten übernommen wird und der SDp mithilfe eines Messgeräts und eines Benchmarks ermittelt wurde.

Aus der gesamten Datenpopulation wurden zwei Stichprobentransekte mit einer Länge von insgesamt 34 linearen Kilometern mit zeitweiligem Verlust der Differenzialkorrektur extrahiert. Zunächst wurden alle 3.816 horizontalen Koordinatenpaare auf diesen beiden Transekten mit einem differentiellen Korrektursignal linear verbunden. Diese Verbindung wird als die Linie der besten Anpassung definiert. Es handelt sich lediglich um eine euklidische Verbindung zwischen jedem Paar korrigierter GPS-Koordinatenpaare. Anschließend wurden dieser Zeile die 4.714 GPS-Horizontalkoordinatenpaare ohne vorhandene Differenzialkorrektur hinzugefügt. Diese unkorrigierten Punkte passten nicht genau auf die beste Anpassungslinie, liegen jedoch häufig auf beiden Seiten dieser Linie. Schließlich wurde der Abstand von den GPS-Horizontalkoordinatenpaaren ohne Differenzialkorrekturen zum linearen Merkmal berechnet, das aus den GPS-Horizontalkoordinatenpaaren mit Differenzialkorrektur erstellt wurde. Der mittlere Versatz der unkorrigierten horizontalen GPS-Koordinatenpaare von den korrigierten horizontalen GPS-Koordinatenpaaren betrug 0,13 m. Der maximale Unterschied, der über die 34 km lange Probe gefunden wurde, beträgt nur 1,45 m. Da keine Binning-Methode versuchen sollte, diese Daten auf der horizontalen Ebene unter einem Meter zu analysieren, wurden die unkorrigierten horizontalen Koordinatenpaare beibehalten.

Wir tasten die Küstenlinien ab, indem wir eine Darstellung der Küstenlinien mit höherer Auflösung verwenden. in diesem Fall eine UAS-abgeleitete Küstenlinie. Wir gehen davon aus, dass das UAS mit einer Auflösung von 10 cm die Küstenlinie genauer lokalisiert als ein weltraumgestütztes System mit einer Auflösung von 10 m oder 30 m. Die Verwendung von Daten mit höherer Auflösung ist eine herkömmliche Methode, um die Standortgenauigkeit eines Kartenmerkmals zu ermitteln. Das UAS wurde zwischen dem 1. und 20. Februar 2021 entlang 102 Luftkilometern des ugandischen Teils der Uferlinie des Albertsees geflogen und mit der gleichen Methode wie die ursprüngliche Seeuferlinie zu einer linearen Küstenlinie verarbeitet.

Alle ursprünglichen Eckpunkte der fertiggestellten Uferlinie des Lake Albert wurden extrahiert. Die Eckpunkte außerhalb des UAS-Flugbereichs wurden verworfen. Anschließend wurden die Standorte der Scheitelpunkte der ursprünglichen Küstenlinie mit ihrer Entfernung zu den UAS-Küstenlinien verglichen. Als Anker werden Scheitelpunkte gewählt, da diese die Orte sind, an denen ein Analyst durch Setzen eines Punktes feststellt, dass die Küstenlinie vorhanden ist. Die Küstenlinie selbst ist lediglich die mechanische Verbindung aller vom Analytiker gesetzten Eckpunkte. Die Scheitelpunkte der ursprünglichen Küstenlinie lagen innerhalb von 14,46 m ± 0,52 (CI 95, n = 8826) von den UAS-Küstenlinien. Das heißt, der durchschnittliche Unterschied der Küstenlinien liegt deutlich innerhalb von anderthalb Sentinel-2-Pixeln. Dieses Maß an Küstenunsicherheit gilt für Lake Albert, Edward und George. Wenn der Viktoriasee das gleiche Maß an Küstenlinienunsicherheit aufweist wie die anderen drei Seen, entspricht dies 21,69 m für den Viktoriasee.

Alle horizontalen oder vertikalen Maßeinheiten sind Meter, Quadratmeter oder Kubikmeter, sofern nicht anders angegeben.

Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die Geodaten des Viktoriasees auf EPSG:102024 und die Geodaten des Lake Albert auf EPSG:32636. Es wird auf die Geodaten des Lake Edward verwiesen

EPSG:32735. Lake George ist in EPSG:32636 und EPSG:32736 aufgeteilt, EPSG:32636 wird jedoch als Referenzstandort verwendet und der größte Teil des Lake liegt auf der Nordhalbkugel. Daher liest bestimmte Software die Koordinaten für Lake George möglicherweise als außerhalb der Grenzen. Konvertieren Sie in diesem Szenario Lake George in EPSG:102024 oder ein anderes geeignetes Koordinatensystem oder verwenden Sie alternativ Breiten- und Längengrade. Sofern nicht anders angegeben, beziehen sich die vertikalen Daten auf die offizielle EGM 2008 WGS 1984-Version16.

Diese Daten sind in offenen Formaten verpackt und können direkt in FOSS-GIS-Software wie QGIS, GRASS, GDAL/OGR und kommerziellen Paketen wie ArcGIS, GeoMedia und Manifold verwendet werden. Wir ermutigen zukünftige Forscher, den Lake George-Benchmark und das bereitgestellte Lake Elevation Level weiter zu verfeinern.

Der Fortran-Code zur Erzeugung der WGS 84-Geoidwellen mithilfe der sphärischen harmonischen Synthese von EGM2008 ist bei NGA15 erhältlich und kann unter https://earthinfo.nga.mil/index.php?dir=wgs84&action=wgs84 heruntergeladen werden Repository.

C++-Code zur Generierung der WGS 84-Geoidwellen von EGM 84 und EGM 96 ist Teil des GeographicLib-Projekts45 und steht zum Download zur Verfügung: https://geographiclib.sourceforge.io/html/GeoidEval.1.html.

Der Java-Code zum Wiederholen der Volumen- und mittleren Tiefenberechnungen ist im GitHub Tinfour-Repository unter https://github.com/gwlucastrig/Tinfour hinterlegt und vom Repository aus verlinkt.

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Die Umfragen wurden von Forschern des National Fisheries Resources Research Institute (NaFIRRI) von Uganda, des Kenya Marine and Fisheries Research Institute (KMFRI), des Tanzania Fisheries Research Institute (TAFIRI) und der Lake Victoria Regional Hydroacoustic Working Group des Lake Victoria durchgeführt und koordiniert Victoria Fisheries Organization, die University of Denver, die Boston University, die Salisbury University, Emerald Ocean Engineering LLC und Gulf Coast GIS LLC. Die Finanzierung für den Lake Albert und den Lake Edward wurde von der African Development Bank (AfDB) über das Nile Basin Initiative – Nile Equatorial Lakes Subsidiary Action Program (NBI-NELSAP) im Rahmen des Lakes Edward and Albert Integrated Fisheries and Water Resources Management Project (LEAF II) erhalten Projekt). Die Finanzierung der Lake Victoria-Umfrage 2017 erfolgte durch die National Science Foundation (NSF) unter der Fördernummer v. Die Finanzierung der Lake Victoria-Umfragen 2018, 2019 und 2020 erfolgte teilweise durch die Deutsche Gesellschaft für Internationale Zusammenarbeit (GIZ) GmbH Responsible Fisheries Business Ketten (RFBC) Projektnummer 16.0126.9–102.00. Die Finanzierung für Lake George erfolgte durch entsprechende Beiträge von NaFIRRI, Emerald Ocean Engineering LLC und Gulf Coast GIS LLC. Wir möchten dem jeweiligen Bootskapitän und der Besatzung jedes Schiffes sowie dem örtlichen Personal danken, das an jedem Standort geholfen hat. Wir danken der Marine Nationale der Demokratischen Republik Kongo und den UPDF Marines von Uganda für ihre Sicherheit. Wir möchten der Besatzung des LEAF-II-Patrouillenboots von Lake Edward dafür danken, dass sie uns Nottreibstoff gebracht hat. Wir danken Herrn Isingoma Philbert für die täglichen Wassermessungen am Lake Edward. Wir danken USDA, NASA/PODAAC, AVISO, NOAA und der TU-Delft/NOAA RADS-Datenbank für die Bereitstellung der altimetrischen Datensätze und Parameter TOPEX/POSEIDON, Jason-1, Jason-2/OSTM, GFO und SARAL zur Verwendung bei der Festlegung des Wasserspiegels für den Viktoriasee. Abschließend müssen wir Planet, ESA und USGS für die Bereitstellung von PlanetScope-, Sentinel-2- und Landsat-Bildern danken, die in dieser Datenkonstruktion verwendet wurden.

Abteilung für Küstenstudien, East Carolina University, Greenville, NC, 27858, USA

Stuart E. Hamilton & Noah Krach

Emerald Ocean Engineering LLC, 107 Ariola Drive, Pensacola Beach, FL, 32561, USA

David D. McGehee

Kenya Marine and Fisheries Research Institute (KMFRI), Kisumu Center, Kisumu, Kenia

Chrispine Nyamweya, Collins Ongore, Amina Makori und Venny M. Mwainge

National Fisheries Resources Research Institute (NaFIRRI), Postfach 343, Jinja, Uganda

Richard Mangeni-Sande, Esther Kagoya, Henry Ocaya, Bairon Mugeni und Elias Muhumuza

Tanzania Fisheries Research Institute (TAFIRI), PO Box 475, Mwanza, Tansania

Benedict B. Kashindye, Mboni Elison, Sophia S. Shaban und Enoch Mlaponi

Institut für Geographie und Geowissenschaften, Salisbury University, Salisbury, USA

Noah Crash

Fischereibüro, Kenya Fisheries Service, Nairobi, Kenia

Zachary Ogari

Lake Victoria Fisheries Organization (LVFO), Postfach 1625, Jinja, Uganda

Anthony Taabu-Munyaho & Robert Kayanda

Busitema University Maritime Institute, Namasagali, Uganda

Vianny Natugonza

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Hamilton war der leitende Wissenschaftler für Lake Edward und Lake George und der zweite Hydrograph am Lake Albert. In allen Seen ist er für GIS, Fernerkundung, analytische Kartographie und Datenintegrationsmethoden verantwortlich. Hamilton war Mitgestalter der Benchmark- und Wasserstandsmethoden für Lake Albert, Lake Edward und Lake George und entwarf die Methoden für Lake Victoria. Er entwickelte das Verfahren zur Höhenmessung des Wasserstandes am Viktoriasee. Er war Mitgestalter der Fehler- und Unsicherheitsvalidierungen für alle Seen. Er entwarf die UAS-Flüge, flog die UAS und verarbeitete die UAS-Daten. Er leitete die Küstenlinienzeichnung über alle Seen hinweg. Hamilton hat den Artikel geschrieben und das Datenrepository erstellt. McGehee war der leitende Wissenschaftler für Lake Albert und verarbeitete alle Sondierungen für Lake Albert, Lake Edward und Lake George. Er war Mitgestalter der Benchmark- und Wasserstandsmethoden für alle Seen mit Ausnahme des Viktoriasees. Er war Mitgestalter der Fehler- und Unsicherheitsvalidierungen für alle Seen. McGehee verfasste Teile des Aufsatzes mit besonderem Schwerpunkt auf Fehler und Unsicherheit. Nyamweya leitete das Design der Transektvermessung, die Erfassung akustischer Daten und die akustische Analyse des Viktoriasees. Er half beim Verfassen des Manuskripts mit den Sondierungen des Viktoriasees. Ongore war Leiter des Hydrographieteams am Viktoriasee und lieferte Umgebungsdaten zur Definition von Parametern in der Datenerfassungssoftware sowie Umgebungsdaten zur Kalibrierung der Echolote. Makori hat das EK60-Sondierungssystem kalibriert und die Echoview-Kalibrierungsdateien aktualisiert. Sie verarbeitete Bathymetriedaten aus den hydroakustischen Untersuchungen des Viktoriasees. Mangeni-Sande entwarf Transekte und entwickelte R-Skripte für die Analyse der hydroakustischen Daten für den Viktoriasee. Kagoya überprüfte die Konsistenz der Exportparameter aus Echogrammen in Echoview für Untersuchungen am Viktoriasee. Kashindye klassifizierte Regionen und Ereignisse auf Echogrammen und überprüfte die Integrität des vom Echolot erkannten Endergebnisses mithilfe von Echoview für die Daten des Viktoriasees. Elison sammelte, verarbeitete und exportierte verarbeitete Echogramme als CSV-Dateien für weitere Analysedaten für den Viktoriasee. Shaban sammelte Daten, verarbeitete die akustischen Rohdateien und validierte die akustisch ermittelte Seetiefe in Echoview für die Umfrage 2020. Mlaponi war Leiter der biologischen Abteilung und lieferte in allen Erhebungen Metadaten für akustische Transekte und Probenahmestationen. Mwainge verarbeitete Rohdateien in Echoview für die hydroakustische Untersuchung des Viktoriasees 2019 und bereitete Exporte für die Bathymetrie vor. Ocaya sammelte und verarbeitete die Wassertemperaturdaten, die für die Anpassung der Schallgeschwindigkeit in allen Seen außer dem Viktoriasee verwendet wurden. Krach verarbeitete die Sentinel-2-Küstenbilder für Lake Albert und Lake Edward und führte die Digitalisierung der Lake Albert-Küstenlinie durch. Er verarbeitete auch die Landsat-Bilder für den Viktoriasee und digitalisierte die Küstenlinie des Viktoriasees. Ogari führte die Digitalisierung der Küstenlinien für Lake Edward und Lake George durch. Mugeni sammelte die Sondierungssammlung am Lake George. Anthony Taabu-Munyaho leitete das Design der Lake Victoria-Vermessung und die Interpretation der Sondierungsdaten. Robert Kayanda richtete das akustische Datenerfassungssystem (EK60) ein und entwickelte eine Echoview-Vorlage für die akustische Datenverarbeitung des Viktoriasees. Muhumuza unterstützte Ocaya bei der Erfassung der Wassertemperaturdaten und war ausgebildeter Spotter für die UAS-Flüge. Natugonza half bei der Erfassung aller Sondierungsdaten für den Viktoriasee und führte die erste Verarbeitung der Echogramme des Echolots für den Viktoriasee durch.

Korrespondenz mit Stuart E. Hamilton.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Hamilton, SE, McGehee, DD, Nyamweya, C. et al. Hochauflösende Bathymetrien und Küstenlinien für die Großen Seen des Weißen Nilbeckens. Sci Data 9, 642 (2022). https://doi.org/10.1038/s41597-022-01742-3

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Eingegangen: 03. September 2021

Angenommen: 30. September 2022

Veröffentlicht: 22. Oktober 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41597-022-01742-3

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