Ein geosensornetz-basiertes Monitoring- und Frühwarnsystem für Rutschungen

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1 Ein geosensornetz-basiertes Monitoring- und Frühwarnsystem für Rutschungen A geosensor network based monitoring and early warning system for landslides Kurosch Thuro, John Singer & Judith Festl 1 Zusammenfassung Im Rahmen des Projekts alpewas (= alpine Early Warnig System) wurde in den Jahren ein ökonomisches 3D Überwachungs- und Frühwarnsystem für Hangbewegungen entwickelt, welches auf drei kostengünstigen, innovativen und kontinuierlich arbeitenden Messsystemen für die Überwachung von Deformationen an der Oberfläche und im Untergrund basiert: Time Domain Reflectometry (TDR), reflektorlose Video-Tachymetrie (VTPS) und ein preiswertes Global Navigation Satellite System (GNSS). Diese Messsysteme werden zusammen mit anderen, die typische Triggermechanismen wie z.b. Niederschlag überwachen, in ein Geo- Sensorennetzwerk integriert, das über ein Web Interface einen Fernzugriff auf alle anfallenden Daten nahezu in Echtzeit ermöglicht. Das alpewas System wurde in einer Felderprobung im Bereich der Aggenalm-Hangbewegung (Bayerische Alpen nahe Bayrischzell) installiert und ist seit 3 Jahren kontinuierlich in Betrieb. In diesem Zeitraum wurden, von kleinen Störungen abgesehen, die Messungen zuverlässig durchgeführt und die entsprechenden Daten erfasst. Einige Zeitreihen dieser Messergebnisse werden in vorliegendem Paper kurz vorgestellt. Schlüsselworte: Hangbewegungen, Rutschung, Frühwarnsystem, Geosensornetz, Monitoring, TDR, GNSS, TPS Abstract Mainly in the context of global climate change the awareness of landslide hazards has risen considerably in most mountainous regions worldwide in the last years. National and regional hazard mapping programs were set up in many countries and most of the potentially endangered sites have been identified. Although exclusive geodetic and geotechnical instrumentation is available today, due to some economical reasons only few of the identified potentially risky landslides are monitored permanently. The intention of the alpewas (= alpine Early Warnig System) research project in the framework of the German geoscientific research and development programme Geotechnologies of the Federal Ministry for Education and Research (BMBF) and the German Research Foundation (DFG) is to develop and to test argumentatively new techniques suitable for up to date efficient and cost-effective landslide monitoring. These techniques are combined in a geo sensor network with an enclosed geo database and a developed software package to use the whole system for stakeholder information and early warning purposes. The core of the project is the development and testing of the three innovative measurement systems time domain reflectometry (TDR) for the detection of subsurface displacements in boreholes and reflectorless video tacheometry (VTPS) and a low cost GNSS sensor component for the determination of 3D surface movements. Essential experiences obtained during the project will be described. Key words: Landslides, slide, early warning system, geosensor network, monitoring system, TDR, GNSS, TPS 1 Beschreibung des Projekts alpewas Das Verbundprojekt alpewas Entwicklung und Erprobung eines integrativen 3D-Frühwarnsystems für alpine instabile Hänge hat zum Ziel, ebenso innovative, leistungsfähige wie wirtschaftliche Messtechnologien zu einem Geosensornetz für Überwachungsaufgaben bei Rutschhängen zu integrieren. Das Projekt wurde im Rahmen des Forschungs- und Entwicklungsprogramms Geotechnologien des Bundesministeriums für Bildung und Forschung in Deutschland gefördert. Die auch während der Laufzeit des Projekts in den Alpen und weltweit aufgetretenen Ereignisse bestätigen die Notwendigkeit, die Überwachung von Rutschhängen leistungsfähig und kosteneffektiv zu gestalten, um auch solche Areale permanent beobachten zu können, wo dies prinzipiell zwar zu fordern ist, aber aus Kostenerwägungen bisher unterbleibt bzw. nur eingeschränkt, z. B. durch sporadische Messungen, erfolgt. Mit der Option eines jederzeit möglichen Fernzugriffs auf das Frühwarnsystem wird ein Entscheidungsträger sodann in die Lage versetzt, alle Informationen seines Zuständigkeitsbereiches zentral zur Verfügung zu haben und in Situationen, in denen durch beispielsweise ein Starkregenereignis viele Rutschhänge zur gleichen Zeit bewertet werden müssen, die Gesamtübersicht zu wahren. Gegenstand des Verbundprojekts ist die Erprobung und Weiterentwicklung von drei Messtechniken Time Domain Reflectometry (TDR) Reflektorlose Video-Tachymetrie (VTPS) Low-Cost GNSS Sensorik (Low-Cost GNSS) 1 Prof. Dr. Kurosch Thuro, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, Technische Universität München, Arcisstraße 21, München, Dr. John Singer, M.Sc. Judith Festl, 1

2 sowie deren Zusammenwirken als Frühwarnsystem und ihrer integrierten Auswertung. Das Verbundprojekt alpewas, (Beschreibung siehe auch Thuro et al. (2009), Singer et al. (2009c), definiert sich über 5 Projektphasen: 1. Auswahl und Untersuchung eines Projektstandortes 2. Design und Installation des Frühwarnsystems 3. Lernphase des Frühwarnsystems 4. Probephase des Frühwarnsystems 5. Automatisierung und Optimierung des Frühwarnsystems Im Gebiet Sudelfeld wurde in enger Abstimmung mit dem Bayerischen Landesamt für Umwelt mit der Rutschung Aggenalm ein Projektstandort ausgewählt, der sehr gute Voraussetzungen zur Erprobung neuer Messtechniken im Feldbetrieb unter alpinen Bedingungen bietet. Wie sich zeigte, liegen die gegenwärtigen Bewegungsraten mit ca. 1 cm/a unter den zu Projektbeginn erwarteten Beträgen, so dass hiervon zwar die Festsetzung von Schwellwerten kritischer Bewegungen betroffen ist (Projektphasen 2 und 3), letztlich aber ein Testgebiet vorliegt, wo die Untersuchung neuer Messtechniken ohne größeres Gefährdungspotenzial möglich ist. Im Projekt wurden Software-Applikationen zur Sensor- Ansteuerung, dem Datenmanagement, der komplexen Datenaufbereitung und zur integrativen Datenauswertung entwickelt. Die Überwachung der Aggenalm wird nach Ablauf des Verbundprojekts von den beteiligten Instituten weitergeführt. Eine geologische Übersicht liefern Singer et al. (2009c), das Geosensornetzwerk ist in Thuro et al. (2010) näher erläutert. Nachfolgend wird in Ergänzung zu vorgenannten Publikationen über die drei Messtechniken und die jeweils erzielten Ergebnisse sowie die Zusammenführung und Auswertung der Daten berichtet. 2 Untersuchte Messtechniken 2.1 Time Domain Reflectometry (TDR) Die unterschiedlichsten Parameter der verwendete Kabeltyp (Mess- und Zuleitungskabel) und die Zusammensetzung des Injektionsmaterials (Zementsorte, Bentonit, Zementadditive) haben einen entscheidenden Einfluss auf die Quantifizierung von TDR Deformationsmessungen im Untergrund. Diese wurden in einem umfangreichen Laborprogramm in Form von Kalibrierungsversuchen getestet (Singer et al., 2009b; Singer et al., 2010; Singer, 2010). Sämtliche Ergebnisse der verschiedenen Laboruntersuchungen zusammen mit Erfahrungen von Feldeinsätzen des TDR Messsystems sind in ein Installationshandbuch eingeflossen, in dem für verschiedene geologische Gegebenheiten bzw. für typische Hangbewegungsmechanismen und Geschwindigkeiten ein standardisierter Installationsvorschlag als Kombination aus Kabeltyp und Injektionsmittelzusammensetzung vorgeschlagen wird. Neben der Ausarbeitung und Vervollständigung des Installationshandbuches sind auch Arbeiten bzw. weitere Verfeinerungen an der TDR Deformationsanalyse Software durchgeführt worden. Das an der Hangbewegung Aggenalm installierte TDR Messsystem ist seit November 2008 (Installationsbeginn und Inbetriebnahme September 2008) im Dauerbetrieb und führt Messungen im Stundentakt durch. Das TDR System zeigt sich insgesamt betrachtet als ein zuverlässiges Messsystem. Über den gesamten Zeitraum seit Inbetriebnahme (18 Monate) betrachtet, summiert sich der Datenverlust bedingt durch einzelne Stromausfälle und zu spät erfolgte Datenabfragen (voller Datenspeicher vor Beginn der vollautomatischen Datenabfrage) auf weniger als 18 % der geplanten Messungen. Betrachtet man nur den Zeitraum seit Beginn der vollautomatischen Datenakquise, so beläuft sich der Datenverlust auf etwa 10 %. Der Hauptanteil entfällt hier allerdings auf eine längerfristige Störung im Januar Es ist anzunehmen, dass in Zukunft durch die automatische Datenabfrage, Datenspeicherung und die entwickelte Status Monitor Software eine noch höhere Verlässlichkeit erreicht werden kann, so wie es die Monate Februar bis April 2010 gezeigt haben. Im Feldeinsatz an der Aggenalm hat sich gezeigt, dass die meisten Leitungen (Zuleitungs- und Messkabel, Konnektoren; meist unterirdisch verlegt) sich gegenüber den Witterungseinflüssen, auch im Winter, als stabil bewiesen haben. Bislang konnten keine signifikanten Deformationen mit dem TDR-System im Feldeinsatz an der Aggenalm gemessen werden, so dass die entwickelte Signal- und Deformationsanalyse bisher nur bei der Auswertung von Laborversuchen zum Einsatz kam und getestet werden konnte. Abb. 1 zeigt beispielhaft für die an der Aggenalm installierten TDR Messknoten die Reflexionskoeffizienten Tiefen- Kurven an der unteren Lampl-Alm (KB1), dargestellt als Zeitreihen bezogen auf die Nullmessung im Oktober Bei der TDR Zeitreihe sind noch keine messbaren Deformationen sichtbar, der Reflexionskoeffizient ändert sich über den gesamten dargestellten Zeitraum nicht, nur das leichte, charakteristische Rauschen ist zu erkennen. Diese Messergebnisse können mit denen voon zwei installierten Inklinometermessstellen verglichen werden. Abb. 1: Zeitreihendarstellung der TDR-Messungen (KB1, untere Lampl-Alm). Noch keine Deformation erkennbar. Fig. 1: Time series of a TDR measurement (KB1, lower Lampl-Alm). No deformation visible yet. Ein detaillierter Beitrag zur TDR Messung von Singer et al. befindet sich an anderer Stelle dieses Tagungsbandes. 2

3 18. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum Junge Ingenieurgeologen 2.2 Berlin 2011 Reflektorlose Video-Tachymetrie (VTPS) Im Rahmen des Projekts alpewas bestand das Ziel, mit einem innovativen, zu Projektbeginn für die Deformationsmessung noch weitgehend ungenutzten Instrumententyp erste praktische Erfahrungen im Feldeinsatz zu sammeln; einem Videotachymeter (VTPS Video-Tachymetrisches Positionierungs-System). Gegenwärtig befindet sich mit der Topcon Imaging Station nur ein Instrument auf dem Markt, dessen Videofunktionalität die prinzipiellen Voraussetzungen für die notwendigen Genauigkeiten liefert (Topcon Positioning Systems, 2008). Die ebenfalls mit einer Videokamera ausgerüstete Trimble Spatial Station VX ist dafür aufgrund der zu geringen Auflösung und der Fokussierung nur mit deutlichen Abstrichen geeignet (Trimble Navigation Limited, 2010). Bei beiden Instrumenten ist eine wissenschaftliche Nutzung aufgrund mangelnder externer Anbindungsmöglichkeiten der integrierten Videokamera gegenwärtig nicht möglich. Eine externe Ansteuerung bietet bisher allein ein Prototyp der Firma Leica Geosystems, der in einer Kleinserie von fünf Stück gefertigt wurde. Es besteht aus einem zur IATS2 (Image Assisted Total Station) modifizierten Tachymeter der TPS1200-Reihe und erlaubt vollen Zugriff auf sämtliche Subsysteme (Leica Geosystems AG, 2007). Unterschiedliche baubedingte Einschränkungen, insbesondere hinsichtlich der praktischen Handhabung, müssen im derzeitigen Prototypenstatus noch hingenommen werden und sind für eine spätere Marktreife vom Hersteller zu beseitigen. Dazu gehören u. a. die Bündelung der provisorischen Kabelführung und das vollständige Austarieren des geänderten Fernrohrlayouts. Der Prototyp ist u. a. in Wasmeier (2009b) sowie, zusammen mit seiner umfangreichen und aufwendigen Kalibrierung, in Wasmeier (2009) beschrieben. Dort sind die erreichbaren Genauigkeiten näher untersucht, die im Feldeinsatz im Durchschnitt bei σ < 1 mgon, im Einzelfall jedoch auch bei σ > 2 mgon liegen. Unter Laborbedingungen konnte ein reproduzierbares Genauigkeitspotenzial von < 0,15 mgon nachgewiesen werden. Abb. 2: Verschiebungsmessungen Herbst 2008 bis Herbst 2009 im Testgebiet Aggenalm. Fig. 2: Displacement measurements during fall 2008 to fall 2009 at the Aggenalm test site. Der erstmals in der geodätischen Messpraxis eingesetzte Videotachymeter hat sich zur Bestimmung von Deformationen nicht-signalisierter Objekte vor allem unter kontrollierbaren Messbedingungen, d.h. beim Einsatz in geschlossenen Räumen, bewährt. Im Feldeinsatz wurden bei den operativen Messungen im Rahmen des Projekts merkliche Einschränkungen, vor allem in Hinsicht auf Refraktionseffekte und chaotische atmosphärische Turbulenzen, deutlich. Diese Einflüsse betreffen zwar auch jede Form einer herkömmlichen tachymetrischen Punktanzielung, sind jedoch bei der relativ zeitintensiven Auswertung von videotachymetrischen Bildern und den oftmals sensibel parametrisierten Detektionsalgorithmen besonders kritisch. Weiterführende Entwicklungen in diesem Anwendungsfeld müssen und werden daher dreigeteilt stattfinden, wobei die jeweiligen Ergebnisse auch als Input für die jeweils anderen Zweige dienen: An der Aggenalm wurde das Verfahren benutzt, um mittels polarer Messungen von einem zentralen Punkt aus über den Hang verteilte Objektpunkte in mehreren Messepochen zu erfassen und auf Verschiebungen zu prüfen. Der Ansatz ist damit zunächst einem herkömmlichen Aufbau einer permanenten tachymetrischen Überwachungsmessung ohne Netzbildung identisch. Da ausschließlich natürliche Objektpunkte genutzt werden sollten, sind auf Grund der Exposition des Hangs sowie der langen Schneelage im Sudelfeld keine dauerhaften periodischen Messungen möglich. Insbesondere müssen während der Winter lange Unterbrechungen in Kauf genommen werden, da die Kamera des Instruments bei Temperaturen unter null Grad Celsius nicht einsetzbar ist. In Abb. 2 sind die Messstellen im Testgebiet Aggenalm zu sehen. Eingezeichnet sind die Deformationsvektoren für GNSS und VTPS im Zeitraum Herbst 2008 Herbst Tachymeter-Zielpunkte ohne Bewegungsvektor sind wegen einzelnen Messausfällen nicht in allen Epochen messbar. Sie betragen für die VTPS-Komponente zwischen 3 und 12 mm, welche auf Grund der notwendigen Anbindung des am Hang befindlichen Messpfeilers über teilweise weit entfernte Festpunkte im Stabilbereich zwar nicht als signifikant gelten können, hinsichtlich ihrer Orientierung und im Vergleich mit den GNSS-Ergebnissen plausibel erscheinen. 3 Verbesserung der Hardware, um den Prototypen-Status zu überwinden. Dies ist vor allem eine Aufgabe der Gerätehersteller, die sich jedoch vorrangig an wirtschaftlichen Faktoren orientiert. Es ist daher Aufgabe der Forschung, geeignete Anwendungsbereiche aufzuzeigen und Vorteile und mögliche Schwächen zu evaluieren. Weiterentwicklung geeigneter Algorithmik. Die Zuverlässigkeit und Einsatzbreite von Algorithmen ist zu steigern bzw. speziell auf die Aufgabenstellung der Videotachymetrie anzupassen. Dazu sind ebenfalls weitere Einsatzgebiete zu erschließen und in Pilotprojekten zu bearbeiten. Ein Beispiel hierfür könnte die videotachymetrische Schwingungsmessung sein. Modellierung atmosphärischer Einflüsse. Das Hauptproblem der Beeinträchtigung von videotachymetrischen Messungen, Refraktion und Luftflimmern, ist speziell im Hinblick auf die innovative Geräteklasse neu zu untersuchen und, sofern möglich, durch empirische oder modellhafte Korrekturen zu mindern. Ein entsprechendes Forschungsvorhaben ist in Planung.

4 2.3 Low-Cost Global Navigation Satellite System (LC GNSS) Nach erfolgreichem Start und Verlauf des Testbetriebs der Low-Cost GNSS Überwachungskomponente an der Aggenalm in den Projektphasen 3 und 4 (vgl. Thuro et al., 2009; dort weitere Details) konzentrierten sich die Tätigkeiten in Projektphase 5 auf die Weiterentwicklung der Softwarekomponente. Das Kernstück bildet die modular aufgebaute, auf der graphischen Programmiersprache LabView, National Instruments, basiernde Central Control Application (CCA). Alle Schritte von der Systemintialisierung, Datenaufzeichnung, Prozessierung bis hin zur Weiterverarbeitung bzw. Weiterleitung der Ergebnisse nach einer ersten Qualitätskontrolle werden von der CCA gesteuert (Abb. 3). Mittels drahtloser Datenübertragung werden die Rohdaten aller GNSS Knoten im Geosensornetzwerk an einer zentralen Stelle gesammelt und echtzeitnah ausgewertet. Die gewonnen Informationen der GNSS Knoten (Koordinaten, Qualitätskenngrößen, Statusinformationen) stehen zeitnah in einer MySQL-Datenbank zur integrativen Auswertung zur Verfügung. Das entwickelte Messsystem mit technischen Details ist u. a. in Glabsch et al. (2010a) und Glabsch et al. (2010b) detailliert beschrieben. Abb. 3: Workflow der Central Control Application (Glabsch et al. 2010a). Fig. 3: Work flow of the Central Control Application (Glabsch et al. 2010a). dar. Die Ursachen der längerfristigen Ausfälle waren beispielsweise im Winter 2009/2010 eine Fehlfunktion des Ladereglers bei nur geringer Nachladung durch das Solarpanel, was zu Schäden an den Pufferbatterien und wiederholten Stromausfällen führte. Die Laderegler wurden daher durch ein Modell eines anderen Herstellers ersetzt, so dass diese Fehlfunktion nunmehr beseitigt ist. Derzeit ist die Softwarekomponente nur in der LabView-Entwicklungsumgebung lauffähig. Ein automatisierter Neustart des Systems nach unkontrolliertem Herunterfahren bei wieder intakter Stromversorgung ist daher nicht ohne manuellen Eingriff möglich. Im Rahmen der weiteren Arbeiten soll auch dieser Nachteil behoben werden. Ein Kabelbruch in der Verbindung zur GNSS-Antenne bei Knoten 3 trat im Dezember 2009 auf, wobei eine umgehende Reparatur auf Grund der Bedingungen in den Wintermonaten nicht möglich war. Eine entsprechende Statistik zur Verfügbarkeit aus einer Referenzanwendung am Hornbergl bei Reutte/Tirol (Glabsch et al., 2009) zeigt, dass hier unter noch schwierigeren Bedingungen eine Verfügbarkeit des GNSS Systems von ca. 97 % (Mai 2009 April 2010) erreicht werden konnte. Die Ergebnisse der kontinuierlichen Datenaufzeichnung der GNSS Sensorknoten im Rutschbereich der Aggenalm zeigt Abb. 4. Dargestellt sind jeweils die Lagekomponenten (Rechtswert Y, Hochwert X, wobei die Hangrichtung nahezu dem Rechtswert entspricht) für den Zeitraum Februar 2009 April 2010 als gleitende Mittelwerte über 24 Werte (Knoten 2 und 3) bzw. 48 Werte (Knoten 1). Bei einem gewählten Akquirierungsintervall der Trägerphasen von 15 Minuten entspricht dies einer Filterlänge von 6 bzw. 12 Stunden. Trotz der beschriebenen technischen Probleme und den daraus resultierenden Datenlücken, konnten die längerfristigen Bewegungen der drei Sensorknoten sehr gut erfasst werden. Wie die Zeitreihen insbesondere der Knoten 2 und 3 zeigen, tritt während des Frühjahres (Schneeschmelze) eine Beschleunigungsphase auf. Mutmaßlich bedingt durch die geringe Schneebedeckung des Hanges im Frühjahr 2010 (C) ist kein so deutlicher Anstieg wie im Frühjahr 2009 (A) zu erkennen. Die Auswirkungen eines Starkregenereignisses im Juni 2009 (B) sind ebenfalls zu sehen. Sämtliche Schritte von der Initialierung und Konfiguration (1) über die kontinuierliche Datenaufzeichnung (2) und die parallel erfolgende Near Real Time Processierung (3) bis hin zur Weiterleitung der Ergebnisse (4) werden von der modular strukturierten Softwarekomponente gesteuert. Mit dem aktuellen Stand der im Projekt entwickelten Software ist ein kontinuierlicher, robust laufender Betrieb der GNSS Monitoringkomponente realisiert. Die gegenwärtig noch auftretenden Schwierigkeiten sind überwiegend hardwaretechnischer Art, insbesondere bei der autarken Stromversorgung. Der sichere GNSS Systembetrieb stellt insbesondere im alpinen Winter (teilweises Einschneien der Antennen und Solarpanels über Tage und Wochen) eine Herausforderung A B - -- C -- Abb. 4: Knoten 1 3, Lagekomponente Febuar 2009 bis April 2010, gleitender Mittelwert (6 h) Fig. 1: Sensor 1 3,Horizontal position February 2009 to April 2010, moving average (6 h).

5 Das wesentliche Ziel hierzu war die Entwicklung und Erprobung einer allwetterfähigen Low-Cost GNSS Überwachungskomponente zur kontinuierlichen Erfassung von Bewegungen im Subzentimeterbereich als Beitrag zu einem integrativen Monitoringsystem zur Hangüberwachung. Das System konnte auf Basis von Standardkomponenten für die Sensorik, die Stromversorgung und die Kommunikation im Prototypenstadium erfolgreich an der Aggenalm getestet werden. In der derzeitigen Konfiguration erfordert ein kompletter GNSS Sensorknoten eine Investition von ca Die entwickelte Softwarekomponente (CCA) ermöglicht einen zuverlässigen Systembetrieb. Wenn auch die soweit erreichten Genauigkeiten bei Filterlängen von ca. 6 h bereits Bewertungen des längerfristigen Bewegungsverhaltens auch bei nur kleinen Veränderungen erlauben, ist das Potenzial zur Nutzung einfacher Navigationsempfänger bei Überwachungen noch nicht ausgeschöpft. Für eine verbesserte Frühwarnung ist eine (deutliche) Verkürzung der Filterlängen anzustreben. Insgesamt ist es gelungen, die Nutzung von Low-Cost GNSS Sensorik soweit zu untersuchen und zu entwickeln, dass nunmehr mit einer Einführung dieser Messtechnik in die Praxis begonnen werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass mit dem Ansatz Überwachungen möglich sind, die in der Praxis bisher über Präzisionstachymetrie oder nur mit geodätischen High-End Empfängern bearbeitet worden sind. 3 Datenmanagement und integrative Datenanalyse 3.1 Datenmanagement Mit dem alpewas Control Softwarepaket (Abb. 5) wurde ein modular aufgebautes Softwarepaket entwickelt, dessen Funktionsumfang das gesamte Datenmanagement im Projekt steuert. Das flexible Layout ermöglicht eine optimale Anpassung des Programms mit seinen Teilkomponenten auf das jeweilig zugrunde liegende Messsystem. Eine zentrale Komponente stellt die Open Source MySQL- Datenbank dar. Das Bindeglied zwischen dem Geosensornetzwerk, respektive den im Feld installierten Sensoren und der Datenbank, bilden die sogenannten Sensor-Plugins. Neben der Sensoransteuerung, der Statusüberwachung und dem Auslesen der rohen Messwerte sowie dem Transport der Information über die entsprechende Kommunikationsschiene erfolgt je nach Art der Sensoren eine erste Auswertung, damit neben den Rohdaten (raw data), auch zeitnah verwertbare Informationen (1st level results) in der Datenbank für die anschließende integrative Analyse zur Verfügung stehen. Verschiedene Möglichkeiten der Statusüberwachung geben permanent Rückmeldung über den Systemzustand. Bei Erreichen kritischer Parameter oder bei Ausfällen einzelner Programme oder Sensoren wird der Systemadministrator automatisiert informiert, wodurch sich z. B. der Datenverlust bei Störungen minimieren lässt. Ein praktisches Tool bei der Systemwartung ist der alpewas Live Viewer (Abb. 6). Diese Oberfläche informiert einen Nutzer stets aktuell über den Systemzustand. Darüber hinaus können auch Datenreihen graphisch aufbereitet (verschiedene Filteroptionen und Kombinationen) eingesehen werden. 5 Abb. 5: alpewas Control, Management und Datenanalyse Software. Fig. 5: alpewas control, management and data analysing software. Abb. 6: alpewas Live Viewer mit Sensorenübersicht und Live Webcam. Fig. 6: alpewas Live Viewer with sensor table and live webcam. Eine wichtige Schnittstelle beim Datenzugriff ist der Zugang durch den Endnutzer, der an Informationen zum aktuellen Zustand interessiert ist. Das Datenmanagementkonzept sieht hier Folgendes vor: Eine zeitnahe Spiegelung der Da-

6 tenbank vom Auswerterechner (Master) auf einen zweiten Datenbankserver (Slave), der über eine Internetverbindung hoher Bandbreite verfügt, ermöglicht eine hohe Datensicherheit und einen praktisch unlimitierten parallelen Datenzugriff von mehreren Nutzern. Komplexe und rechenintensive Analysen können somit verlagert werden. Zum Datenaustausch zwischen heterogenen Systemen (Interoperabilität) besteht die Möglichkeit, auf alle Resultate mit den entsprechenden Zugriffsrechten über standardisierte Schnittstellen zuzugreifen. Aktuelle Standards, wie sie in der Sensor Web Enablement (SWE) Iniative des Open Geospatial Consortium (OGC) gefordert werden, um raumbezogene Daten verteilt zugänglich zu machen, sind berücksichtigt. Die Hauptfunktionen des Live Viewers (Abb. 6) sind die permanente Information über den aktuellen Systemzustand sowie die Möglichkeit, erste Ergebnisse in graphisch aufbereiter Form visualisieren zu können. Auf welche Datenbank der Viewer zugreift (Master oder Slave), kann frei gewählt werden. 3.2 Integrative Datenanalyse Seit Februar 2009 liegen Daten der im Testgebiet installierten Sensoren vor und es sind erste Analysen der gewonnen Zeitreihen möglich. Grundlage der nachfolgenden Untersuchungen bildet die Erkenntnis aus früheren Rutschungen an der Aggenalm, dass ein Haupteinflussfaktor der Bewegung das Einwirken starker Niederschläge auf das Gebiet ist. Mit den vorhandenen Daten sind die Zusammenhänge zwischen Niederschlag, Porenwasserdruck und resultierenden Deformationen zu verifizieren. Einschränkend auf diese Betrachtungen wirken sich die derzeit geringen Bewegungsraten an der Aggenalm aus. So wurden bislang durch Videotachymetrie- und Low-Cost GNSS-Beobachtungen Deformationen von etwa 1 cm/a beobachtet. Die TDR-Sensoren zeigen bislang keine Verformungen. Folglich liefern bislang nur die GNSS-Knoten und die vorhandenen Bergwasserspiegelmessungen sowie meteorologischen Daten Informationen für eine Zeitreihenbetrachtung. Auswertbare Zeitreihen mit nur geringen Datenlücken liegen beispielsweise für einen Abschnitt von 60 Tagen zwischen 22. Juni und 22. August 2009 vor. Mit den vorhandenen Daten sind erste optische Vergleiche möglich. Abb. 7 zeigt für das genannte Intervall die aufgezeichneten Niederschlagsereignisse sowie den Porenwasserdruck. Auffällig sind die verzögerten Anstiege des Porenwasserdrucks nach jedem Regenereignis. Durch die noch relativ kurzen Zeitreihen aller relevanten Sensoren, einer überschaubaren Anzahl von Starkregenereignissen und den geringen Bewegungsraten kann das System von Niederschlag, Anstieg des Porenwasserdrucks und anschließender Oberflächenbewegung aus GNSS-Messungen gegenwärtig jedoch noch nicht mittels komplexerer Modelle beschrieben werden. Zunächst soll daher allein die Systemantwort des Porenwasserdrucks auf Regenereignisse näher betrachtet werden. Hierfür werden Kreuzkorrelationen der beiden Messgrößen berechnet. Bei der Analyse für den Gesamtzeitraum ergibt sich eine zeitliche Verzögerung von zwei bis drei Tagen. Ähnliche Auswertungen von Piezometerdaten und GNSS- Beobachtungen zeigen bislang keine signifikante Abhängigkeit, obgleich rein visuell ein ähnliches Verhalten erkannt werden kann. 6 Abb. 7: Niederschlag und Porenwasserdruck im Zeitraum 22. Juni bis 22. August 2009 (gefiltert, 6 h Intervalle). Fig. 7: Precipitation and pore water pressure in the period June, 22 nd to August 22 nd 2009 (filtered, 6 h intervalls). Abb. 8: Niederschlag und Porenwassdruck im Zeitraum 23. Juni bis 3. Juli 2009 mit Kreuzkorrelation. Fig. 8: Precipitation and pore water pressure in the period June, 23 rd to July, 3 rd 2009 with cross corelation. Abb. 8 gibt die Zeitreihen eines zehntägigen Abschnitts (23. Juni bis 3. Juli 2009) wieder, welcher in den ersten beiden Tagen von starken Niederschlägen geprägt ist. Die Kreuzkorrelationsanalyse der beiden Datenreihen liefert ein Maximum des Kreuzkorrelationskoeffizienten bei 2,5 Tagen, als eine Methode der Zeitreihenanalyse stellt sie eine (erste) integrative Auswertemöglichkeit dar. Längere Abschnitte ohne Ausfälle und Störungen einzelner Sensoren sollten die sich andeutende Wirkungskette von Niederschlag-

7 Porenwasserdruck-Oberflächendeformation noch besser interpretierbar und die zeitliche Abhängigkeit der involvierten Triggerfaktoren beschreibbar machen. Dazu wird die Datenaufzeichnung an der Aggenalm auch nach Ende der Förderung im Programm Geotechnologien durch die beteiligten Verbundpartner fortgesetzt. 4 Fazit und Ausblick Die entwickelten Messtechniken TDR und Low-Cost GNSS basieren größtenteils auf bereits auf dem Markt verfügbaren Hardwarekomponenten, während das untersuchte Videotachymeter ein noch nicht auf dem Markt verfügbarer Prototyp der Firma Leica Geosystems ist. Neuentwicklungen bei der Videotachymetrie fanden vor allem bei der Anpassung des Systemlayouts an die Messaufgabe Hangüberwachung sowie bei der Signalanalyse und der Sensoransteuerung statt. Die Leistungsfähigkeit von TDR und Low-Cost GNSS bei der kontinuierlichen Überwachung konnte gezeigt werden. Maßgeblich hierfür sind die entwickelten Softwarekomponenten zum Datenmanagement und zur komplexen Datenaufbereitung. Diese beiden Messtechniken stehen nunmehr an der Schwelle zur Marktreife, wobei das Anwendungsspektrum nicht allein auf Hangrutschungen beschränkt ist, sondern auch auf andere Monitoringaufgaben, z. B. die Bauwerksüberwachung, erweitert werden kann (Singer et al., 2009a). Literatur Glabsch, J.; Heunecke, O.; Schuhbäck, S. (2009): Monitoring the Hornbergl landslide using a recently developed low cost GNSS sensor network. JAG, 3 (3): Glabsch, J.; Heunecke, O.; Schuhbäck, S. (2010a): Überwachung von Rutschhängen mittels Low-Cost GNSS Empfängern im near Real Time Processing. In: Wunderlich, Th. (Hrsg.): Ingenieurvermessung 10. Beiträge zum 16. Internationalen Ingenieursvermessungskurs München, 2010, S , Berlin (Wichmann). Glabsch, J.; Heunecke, O.; Schuhbäck, S. (2010b): Development and testing of a low cost sensor PDGNSS landslide monitoring system using the example of the Aggenalm Landslide in the Bavarian Alps. Altan, O.; Backhaus, R.; Boccardo, P.; Zlatanova, S. (Hrsg.): Geoinformation for Disaster and Risk Management. S Leica Geosystems AG. (2007): Leica TPS1200+ Serie. Informationsbroschüre, Auflage XI.07, 16 S., Herbrugg. Singer, J.; Grafinger, H.; Thuro, K. (2009a): Monitoring the Deformation of a Temporary Top Heading Invert Using Time Domain Reflectometry. Geomechanik & Tunnelbau, 2 (3): Singer, J.; Festl, J.; Thuro, K. (2009b): Computergestütze Auswertung von Time Domain Reflectometry Messdaten zur Überwachung von Hangbewegungen. Marschallinger, R.; Wanker, W. (Hrsg.): Geomonitoring, FE-Modellierung, Sturzprozesse und Massenbewegungen. S Singer, J.; Schuhbäck, S.; Wasmeier, P.; Thuro, K.; Heunecke, O.; Wunderlich, T.; Glabsch, J.; Festl, J. (2009c): Monitoring the Aggenalm Landslide using Economic Deformation Measurement Techniques. Austrian Journal of Earth Sciences, 102 (2): Singer, J. (2010): Development of a continuous monitoring system for instable slopes using Time Domain Reflectometry (TDR). Dissertation, Technische Universität München, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, 189 S., München. Singer, J.; Thuro, K.; Festl, J. (2010): Development and testing of a time domain reflectometry (TDR) monitoring system for subsurface deformations. In: Zhao, J.; Labiouse, V.; Dudt, J.-P.; Mathier, J.-F. (Hrsg.): Eurock 2010 Rock Mechanics in Civil and Environmental Engineering. Proceedings of the European Rock Mechanics Symposium (EUROCK) 2010, Lausanne, Schweiz, Juni 2010, S , Leiden (CRC Press/Balkema). Thuro, K.; Wunderlich, T.; Heunecke, O.; Singer, J.; Schuhbäck, S.; Wasmeier, P.; Glabsch, J.; Festl, J. (2009): Low Cost 3D Early Warning System for Alpine Instable Slopes the Aggenalm Landslide Monitoring System. Geomechanik & Tunnelbau, 2 (3): Thuro, K.; Singer, J.; Festl, J.; Wunderlich, T.; Wasmeier, P.; Reith, C.; Heunecke, O.; Glabsch, J.; St. Schuhbäck (2010): New Landslide Monitoring Techniques Developments and Experiences of the alpewas Project. JAG, 4 (2): Topcon Positioning Systems, Inc. (2008): Topcon Imaging Station - Long-Range Scanning, Imaging and Robotic Total Station. Informationsbroschüre, Revision A., 4 S., Livermore. Trimble Navigation Limited. (2010): Trimble VX Spatial Station - Datasheet. Informationsbroschüre, 4 S., Singapore. Wasmeier, P. (2009a): Grundlagen der Deformationsbestimmung mit Messdaten bildgebender Tachymeter. Dissertation, Technische Universität München, 169 S., München. Wasmeier, P. (2009b): Videotachymetrie - Sensorfusion mit Potenzial. Allgemeine Vermessungs Nachrichten, 2009 (7):

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