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3D model-based estimations of volume and mass of high-energy dislocated boulders in coastal areas of Greece by terrestrial laser scanning

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The focus of this study is to achieve 3D model-based estimations of volume and mass data of high-energy dislocated boulders in selected coastal areas of the Mediterranean as a reliable data set for the application of wave transport equations and modelling approaches. These boulders, transported and deposited inland from the littoral zone by high-energy events, can be identified, e.g., by upside down rock pools, adhering remains of sub-recent marine fauna, algal rims and notches.

Boulders of two coastal areas in western Greece were surveyed within their topographical context using a Riegl LMS-Z420 i laser scanner in combination with a DGPS. 3D reconstruction allows the determination of highly accurate volumetric data, as well as the extraction of further parameters, such as elevation above sea level, inclination and distance to the sea for each boulder. Additionally, density data for each boulder were achieved by measurements of rock samples in the laboratory to be used for mass calculations. Subsequently, all parameters were incorporated into selected wave transport equations, which regard the variable “mass” as a direct input parameter for the calculation of wave heights and velocities needed for boulder dislocation. Our results were compared to conventional data based on the measurement of boulder axes and roughly estimated rock density values in order to test the progress in accuracy of our approach.

Our results show that terrestrial laser scanning in combination with DGPS is capable to derive reliable parameters for wave transport equations. The combination of 3D model-based volume estimations and density measurements provide a better accuracy than achieved by conventional approximations, which are still the common method in scientific studies on boulder dislocation. We found that volume data based on axes measurements together with density approximations result in a considerable overestimation of the mass of dislocated boulders. As a consequence, calculated minimum wave heights and velocities are additionally overestimated, in our case studies by up to 28% and 83%, respectively.

German
Der Schwerpunkt dieses Beitrags liegt auf der Ermittlung von Volumen- und Massendaten für hochenergetisch dislozierte Blöcke in ausgewählten mediterranen Küstenbereichen auf der Grundlage von 3D-Modellen und laborgestützten Dichtemessungen. Diese Daten dienen als verlässliche Basis für die Anwendung ausgewählter Gleichungen zum Wellentransport sowie für Modellierungsansätze. Der landwärtige Transport von Großklasten durch hochenergetische Ereignisse ist durch litorale Indikatoren (zum Beispiel gekippte Rockpools, anhaftende Reste mariner Faunen, Kalkalgensäume, Hohlkehlen) belegbar.

Die Blöcke und ihr Umfeld wurden mittels eines Riegl LMS-Z420 i Laserscanners in Kombination mit einem DGPS an zwei Küstenabschnitten in Westgriechenland vermessen. Die 3D-Rekonstruktion ermöglicht eine genauere Volumenbestimmung sowie die Erfassung weiterer Parameter für jeden Block (z.B. Höhe über dem Meeresspiegel, Inklination und Entfernung zum Meer). Zusätzlich erbrachten Laboruntersuchungen von Gesteinsproben verlässliche Dichteschätzungen für jeden dislozierten Block, die bei den Massenberechnungen verwendet wurden. Anschließend wurden die gewonnenen Parameter genutzt, um mit Hilfe ausgewählter Gleichungen, welche die Variable ,,Masse“ als Parameter berücksichtigen, Überflutungshöhen und Wellengeschwindigkeiten zu ermitteln, die für die Blockverlagerung erforderlich gewesen sein müssen. Die Ergebnisse wurden mit konventionellen Berechnungen auf Basis von Achsenabschätzungen und angenommenen Dichtewerten verglichen, um die Genauigkeit unseres Ansatzes zu testen.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass terrestrisches Laserscanning in Kombination mit DGPS zuverlässige Parameter für Gleichungen zum Wellentransport liefert. Die Kombination von Volumendaten, die aus einem 3D-Modell abgeleitet wurden und gemessenen Dichtewerten erbringt eine bessere Genauigkeit als bisherige Ansätze, die in wissenschaftlichen Studien zur Blockverlagerung Verwendung finden. Weiterhin wird gezeigt, dass Achsenvermessung als Grundlage für die Volumenberechnung kombiniert mit Näherungswerten für die Gesteinsdichte zu einer beträchtlichen Überschätzung der Masse von verlagerten Blöcken führt. Daraus ergibt sich auch eine Überbestimmung der für den Transport von Blöcken erforderlichen Wellenhöhen und -geschwindigkeiten, in unseren Fallbeispielen um bis zu 28% beziehungsweise 83%.
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Keywords: 3D RECONSTRUCTION; HIGH-ENERGY DISLOCATED BOULDERS; TERRESTRIAL LASER SCANNING; VOLUME DETERMINATION; WAVE TRANSPORT EQUATIONS

Document Type: Research Article

Publication date: 01 July 2014

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