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Wenn das Wasser steigt …
oder die Erde sich senkt.

Hilfe für Helfer: Radarbilder von TerraSAR-X.

© DLR

Hochwasser kann man aus dem All hervorragend erkennen – auf Radarbildern. Gewässer und überschwemmte Flächen erscheinen schlicht als schwarze Flächen. Der hochgenaue deutsche Radarsatellit TerraSAR-X kann daher die Ausdehnung eines Hochwassers auf den Meter genau erkennen. Er umkreist die Erde in 515 km Höhe. Wolken, Dunkelheit oder Regen beeinträchtigen ihn (und den Zwillingssatelliten TanDEM-X, der in geringem Abstand genau parallel fliegt) nicht: Radarwellen (hier im X-Band mit 3 cm Wellenlänge) durchdringen nämlich auch Wolken und brauchen kein Licht.

Wasser erkennen. Und auch vieles an Land.

Mit Radarbildern wird mehr sichtbar, als das Auge sieht – denn Objekte reflektieren Radarwellen anders als Licht. Unabhängig von Wolken und Schatten wird nicht das optische Aussehen der Erde erfasst, sondern die Struktur und die Eigenschaften ihrer Oberfläche – eine Art „Bauplan“ der Erde, der laufend aktualisiert wird.

© DLR

Revolutionär: mit den beiden Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X werden erstmals auch Hebungen und Senkungen im Millimeterbereich aus dem All messbar. Für Forscher und Behörden eröffnen sich neue, sensationelle Forschungsmöglichkeiten und Anwendungen: im Katastrophen- und Umweltschutz oder um Menschen vor Gefahren durch einstürzende Gebäude zu warnen.

Zum Beispiel:

  • Drohen alte Bergbauschächte zu kollabieren?
  • Ist eine Geothermie-Bohrung für Risse an Häusern verantwortlich?
  • Senkt sich eine Landschaft durch Grundwasserentnahme, Ölförderung oder Fracking ab?
  • Ist eine Brücke oder ein Gebäude einsturzgefährdet?
  • Kündigen sich Erdbeben in gefährdeten Regionen an?
  • Wie verändert sich die geologische Situation durch ein Erdbeben?
  • Wo entstehen neue Spannungen unter der Erde?
  • Wird ein schlummernder Vulkan wieder aktiv?
  • Ist ein Wald von illegalem Holzeinschlag betroffen?
Der Balkan, Mai 2014. Der Fluss Save im Grenzgebiet zwischen Kroatien und Bosnien und Herzegowina tritt über die Ufer. Mehrere Dämme nahe der Stadt Orašje sind gebrochen. Die Folge: die schlimmsten Überschwemmungen in dieser Gegend seit über 120 Jahren. Im Bild: Die Ergebnisse der vollautomatischen Hochwasserdetektion mit TerraSAR-X, erstellt vom Zentrum für Satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) beim DLR.

© Martinis, S., A. Twele, C. Strobl, J. Kersten, E. Stein, 2013. A multi-scale flood monitoring system based on fully automatic MODIS and TerraSAR-X processing chains. Remote Sensing 5:5598-5619

Vom Satellitenbild zur Hochwasserkarte in weniger als einer Stunde: Bisher wurden Radarsatellitendaten zu Hochwassersituationen mehr oder weniger manuell von einem Bildinterpreten ausgewertet. Das DLR/ZKI hat die Verfahren in den letzten Jahren weiterentwickelt: Satellitenbilder werden jetzt vollautomatisch ausgewertet, mit weiteren Informationen kombiniert und online zum Abruf bereitgestellt.

© Cloudmade, OpenStreetMap contributors; ©2005 USGS/EROS Data Center; © 2014 DLR, 2014 Airbus Defence and Spave / Infoterra GmbH

Santorin. Griechische Insel. Vulkanisch, und nicht ganz inaktiv. Der Umfang des Kraters ist von 2011 bis 2015 um 14 cm gewachsen. Die Hauptinsel (rechts in Blautönen) blieb verschont.

© DLR

Der Berliner Hauptbahnhof. Seine Stahlkonstruktion dehnt sich im Sommer aus. Links horizontale, rechts vertikale Bewegungen. So werden Stellen sichtbar, die die Statiker gut im Auge behalten sollten, um langfristigen Schäden vorzubeugen.

© Stefan Gernhardt, TUM-LMF

Mexiko City. Im Abstand von 4 Monaten senkte sich die der Boden stellenweise um 10 Zentimeter, zu erkennen nur per Radar aus dem All. Eine Ursache: Grundwasserentnahme. Erkenntnis: In den roten Bereichen ist das Risiko für Hauseinstürze massiv gestiegen.

© DLR

Ansicht der Fließgeschwindigkeit des Thwaites-Gletschers in der Antarktis aus Radar-Interferometriedaten. Die roten Bereiche belegen, dass die Fließgeschwindigkeit des Gletschers aufgrund gestiegener Temperaturen höher ist als früher. Weil per Radar auch Eis auf Wasser erkennbar ist, können in Zukunft Schiffe per Satellit vor Eisbergen gewarnt werden.

© DLR

Radar: auf Flughäfen, im All und in Autos.

© Wikipedia

Ein Radargerät sendet elektromagnetische Wellen aus, diese treffen auf Objekte, werden mehr oder weniger stark reflektiert, und diese „Echos“ werden vom Radargerät wiederum empfangen. So werden – unabhängig von Beleuchtung oder Bewölkung – u.a. Konturen sichtbar und die Distanz errechenbar (über die Zeit, die zwischen Senden und Empfangen vergeht). Radar wurde erstmals (und wird natürlich auch heute) eingesetzt, um Flugzeuge oder Schiffe zu orten, für die Wettervorhersage (Niederschlag, Wind, Wolken), heute findet es sich auch in immer mehr Autos (Abstandsradar) – und an Bord von Satelliten.

Die Wahl des Frequenzbereichs des Radar-Senders bestimmt das Einsatzgebiet.

© www.radartutorial.eu

X-Band: 9,6 GHz, Wellenlänge 3,1 cm. Das ist der Bereich, den TerraSAR-X / TanDEM-X nutzt.

© DLR

L-Band: Wird u.a. zur Luftraumüberwachung eingesetzt. Beim Tandem-L-Missionskonzept des DLR wird eine Wellenlänge von 23,6 cm genutzt. Zwei Radarsatelliten im L-Band sollen die Voraussetzungen für die tomographische Erfassung der dreidimensionalen Struktur von Vegetationsgebieten (z.B. Waldhöhen) und Eisgebieten sowie die großflächige Vermessung von Deformationen mit Millimetergenauigkeit oder auch der Bodenfeuchte liefern – und damit zu einem besseren Verständnis des Systems Erde und seiner Dynamik beitragen. Ziel von Tandem-L ist es, die Landmasse der Erde im Wochenrhythmus interferometrisch abzubilden.

Tandem-L ermöglicht die systematische Beobachtung einer Vielzahl dynamischer Prozesse auf der Erdoberfläche. Durch Nutzung neuester Radartechniken können die hohen wissenschaftlichen Anforderungen an Beobachtungsfrequenz, Auflösung und Datenqualität in optimaler Weise erfüllt werden. © DLR

X- und L-Band im Vergleich.

© DLR

Während Radarwellen im X-Band (wie bei TerraSAR-X/TanDEM-X) nur wenige dm-m in die Vegetationsdecke eindringen können und stark reflektiert werden, dringt das L-Band bis zum Boden vor. Nur Radarsysteme mit großer Wellenlänge (L-, noch besser P-Band) können die gesamte Vegetationsdecke durchdringen somit Signale aus allen Bereichen der Vegetation empfangen womit das Volumen der Biomasse bestimmt werden kann.

F-SAR: die Vorteile mehrerer Radar-Frequenzbereiche nutzen.

Waldgebiet Traunstein: F-SAR Aufnahme © DLR

Jedes Radar-Frequenzband hat seine Vorteile, und die lassen sich gemeinsam nutzen. Die Lösung: So viele Frequenzbänder wie gewünscht vom gleichen Satelliten (oder Forschungsflugzeug) aus senden und empfangen. Das bedeutet, dass mehrere Radargeräte an Bord sein müssen – und gerade das wird von Forschern des DLR erprobt, wie hier im Bild an einem Wald bei Traunstein. Das F-SAR System des DLR-Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme erlaubt Messungen in mehreren Wellenlängen gleichzeitig. Um den oberen Bereich der Waldkrone abzutasten, werden Radarsensoren im C-Band und X-Band eingesetzt. Das L-Band hingegen dringt durch die Vegetation und gibt sozusagen den Blick frei auf den Waldboden. In nur einem Überflug kann das F-SAR so verschiedene Ebenen eines Gebiets erfassen – wie hier im Bild bei Traunstein.

© „ACC Sensor“ von Nozilla - Eigenes Werk. Lizenziert unter CC BY-SA 3.0 über Wikimedia Commons

W-Band: 75 – 100 GHz. Autos haben immer öfter Radar an Bord, für die automatische Distanzregelung (ACC) und für Notbremsassistenten. Sie nutzen das das W-Band (konkret: 77 GHz), um die Umgebung zu scannen. Die Wellenlänge ist sehr kurz (um 3 mm), deshalb sind die Antennen sehr klein und passen deshalb z.B. in den Kühlergrill eines Autos. Im Auto liegt die Reichweite bei maximal 150 Meter. Die unangenehme Radar-Technik im Straßenverkehr – Blitzer – nutzt meistens das Ka-Band (26,5–40 GHz) und das K-Band (18–26,5 GHz).

TerraSAR-X – das deutsche Radarauge im All.

Die Radarbilder, die hier bisher zu sehen waren, stammen von TerraSAR-X, einem 2007 gestarteten deutschen Erdbeobachtungssatellit. Er macht mit einem X-Band-Radarsensor, der in verschiedenen Modi betrieben wird, Aufnahmen für Forschung und Entwicklung sowie für wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen. Der Satellit umrundet die Erde in einer Höhe von 514 Kilometern auf einer polaren Umlaufbahn. Mit seiner aktiven Antenne liefert er unabhängig von Wetterbedingungen, Wolkenbedeckung und Tageslicht Radardaten mit einer Auflösung von bis zu einem Meter.

TanDEM-X – die Erde in drei Dimensionen

Mit drei Jahren Abstand folgte TerraSAR-X dessen „Zwillingssatellit“ TanDEM-X. Beide fliegen nur wenige hundert Meter voneinander entfernt in Formation und ermöglichen so zeitgleiche Aufnahmen des Geländes aus verschiedenen Blickwinkeln. Daraus werden präzise Höheninformationen in einem 12-Meter-Raster und mit einer vertikalen Genauigkeit von unter zwei Metern abgeleitet.

© DLR

Das Ziel der Mission TanDEM-X (TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurement) ist ein hochgenaues, dreidimensionales Abbild unserer Erde in einheitlicher Qualität und bislang unerreichter Genauigkeit. Für weite Teile der Erde existieren derzeit nur grobe, uneinheitliche oder lückenhafte Höhenmodelle aus unterschiedlichen Datenquellen und Erhebungsmethoden. TanDEM-X schließt diese Lücken und liefert ein homogenes Höhenmodell als unentbehrliche Grundlage für viele kommerzielle Anwendungen und wissenschaftliche Fragestellungen.

Braunkohletagebau Hambach (nahe Jülich). Hier im Vergleich: das Höhenmodell der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) von 2000 und jenes von TanDEM-X von 2010. Die höhere Genauigkeit und die beträchtlichen Fortschritte in der Abbautätigkeit sind offensichtlich.

© DLR

Reiswachstum beobachten. Im Video: das bis auf wenige Zentimeter genaue Wachstum von Reis auf Feldern an der Türkisch-Griechischen Grenze im Zeitraum Juli bis September 2012. Anhand solcher Auswertungen werden z. B. Landwirte in die Lage versetzt, Landeignung, Düngung und Bewässerung zu bewerten.

© DLR

TerraSAR-X & TanDEM-X Science Service: Daten für die Wissenschaft weltweit.

Klimawandel erforschen: Permafrost-Überwachung des Lena-Deltas in Sibirien.

© DLR


TerraSAR-X und TanDEM-X werden im Auftrag des DLR mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie realisiert. Es sind die ersten deutschen Satelliten, die im Rahmen eines so genannten Public Private Partnerships (PPP) zwischen DLR und Airbus Defence and Space realisiert wurden: Die Nutzung der Daten für wissenschaftliche Zwecke liegt in der Zuständigkeit des DLR. Wissenschaftler aus aller Welt können Projektvorschläge beim DLR einreichen und erhalten Daten zu sehr geringen Kosten, zum Beispiel für Projekte wie die folgenden:

  • Überwachung von Permafrostregionen
  • Eisdickenmessung auf Meeren
  • Biomasse-Monitoring von Regenwäldern
  • Monitoring der Umgebung von Müllkippen
  • Erdrutsch-Studien in Asien
  • Überwachung von Tunnelbau-Maßnahmen
  • Überwachung von Bergbau-Folgen

WorldDEM™: der neue Standard für globale Höhenmodelle

Airbus Defence and Space übernimmt die kommerzielle Vermarktung der Daten. Ein Angebot: WorldDEM™. Die Präzision übertrifft die jedes anderen heute verfügbaren globalen satellitenbasierten Höhenmodells und setzt einen neuen Industriestandard – mit einer kompletten Abdeckung von Pol zu Pol.

© DLR

Zusätzlich gibt es auch das WorldDEM Digital Terrain Model (DTM), das auf dem WorldDEM™ Digital Surface Model (DSM) aufbaut. Vegetation und von Menschen geschaffene Objekte werden entfernt, um ausschließlich die reine Oberfläche der Erde zu zeigen. Solche Daten werden z. B. für den Straßenbau oder das Management von natürlichen Ressourcen benötigt.

Radarechos für mehr Genauigkeit

Um mit TerraSAR-X und TanDEM-X eine so hohe Genauigkeit zu erreichen, ist theoretisch eine Radar-Antenne nötig, die 15.000 Meter lang ist. Die Wissenschaftler wandten deshalb einen technischen Trick an, um mit einer nur fünf Meter langen Antenne auszukommen. Der Satellit (und damit die Antenne) passiert entlang seiner Flugbahn Objekte am Boden. Dabei werden in regelmäßigen Abständen Impulse gesendet und deren Echos empfangen. Die Daten werden dann zur Erde gefunkt, wo die Echos der Radarimpulse in einem Rechenzentrum zu Bildern zusammengesetzt werden. Dieser Rechenprozess wird als „Apertursynthese“ bezeichnet.

© DLR


Technische Daten

Höhe: 5 Meter, Durchmesser: 2,4 Meter
Gewicht: 1,3 Tonnen
Solarzellen: 5,25 Quadratmeter
Stromverbrauch: 800 Watt
Radarantenne: 5 Meter lang, 80 cm breit
Radarfrequenz: 9,65 Gigahertz (X-Band, Wellenlänge 3 cm)
Auflösung: z.B. 10x10 km mit 1x2 m Auflösung oder ein 100 km breiter Streifen mit 16 m Auflösung
Genauigkeit Positionsdaten: 0,5 m
Zeit zwischen 2 Beobachtungen des selben Gebietes: 2 – 11 Tage
Datenrate: max. 300 MBit/s
Start: 15. Juni 2007 (TerraSAR-X) / 21 Juni 2010 (TanDEM-X)
Orbithöhe: 514 Kilometer
Datenempfang, Missionsbetrieb: DLR (Neustrelitz, Oberpfaffenhofen, Weilheim), außerdem: Inuvik (Kanada), Kiruna (Schweden), Svalbard (Norwegen), O'Higgins (Antarktis)



Sekundäre Nutzlasten:

Laser Communication Terminal (LCT): Datenübertragung mittels Laser, bis 5,6 Gbit/Sekunde über 5.000 km. Mit dieser Datenrate könnte man rund 200 HD-Fernsehkanäle gleichzeitig zur Erde schicken. Zum Vergleich: Auf der Erde sind solche Geschwindigkeiten in normalen Glasfaser-Netzwerken auch möglich, haben aber maximal 80 km Reichweite.

Tracking, Occultation and Ranging Experiment (TOR): Hochexakte Bahnbestimmung des Satelliten mit bis zu zehn Zentimetern Genauigkeit auf Basis des Zweifrequenz-GPS-Empfängers IGOR sowie einer Laser-Reflektor-Einheit.

Für den schnellen Überblick:
Sentinel-1A und -1B.

© ESA/ATG medialab

Neben den TerraSAR-Satelliten ergänzen neue Radarsatelliten das Angebot an Daten: Sentinel-1A (seit 2014 im All) und Sentinel-1B (geplant für 2016). Sie sind Teil des europäischen Copernicus-Programms und liefern großflächige, frei verfügbare Daten, mit denen z.B. die Entwicklung von Gletschern oder vulkanischen Feldern beobachtet werden können.

Die Sentinel-1-Satelliten scannen die Erde allerdings nicht wie die TerraSAR-Satelliten im X-Band mit 3 cm Wellenlänge, sondern im C-Band mit 6 cm. Das ist zwar weniger fein aufgelöst, dafür sind die Datenmengen aber geringer und schneller auf der Erde nutzbar, z.B. bei Überschwemmungen. In einigen Forschungsfeldern lassen sich die Daten von X- und C-Band kombinieren, um neue Erkenntnisse zu gewinnen.

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