Ein integratives 3D-Frühwarnsystem für instabile Hänge

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1 O. Heunecke, K. Thuro, Th. Wunderlich: Ein integratives 3D-Frühwarnsystem für instabile Hänge Vortragender: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Otto Heunecke, Institut für Geodäsie Bremen, 30. September

2 Verbundprojekt Entwicklung und Erprobung eines integrativen 3D-Frühwarnsystems für alpine instabile Hänge (alpewas), BMBF-Programm GEOTECHNOLOGIEN Projektteam K. Thuro, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TUM Th. Wunderlich, Lehrstuhl für Geodäsie, TUM O. Heunecke, Institut für Geödäsie, UniBwM 2

3 Projektziel: Grundgedanke des Monitoringsystems ist die Integration innovativer wie wirtschaftlicher Messtechnologien zu einem Geo-Sensornetz für Rutschhänge. Die Bewegungen am Hang werden punktuell durch Low-Cost GNSS-Empfänger (GNSS) sowie flächenhaft durch reflektorlose Videotachymetrie (TPS) erfasst; die Ermittlung der Bewegungen im Untergrund erfolgt durch das Time-Domain-Reflectometry (TDR) System. Parallel geschieht die Erfassung von Porenwasserdruck und klimatischen Verhältnissen (Niederschlag, Temperatur, Schneehöhen; MET), um die Bewegungen des Hanges auf Abhängigkeiten (Triggermechanismen) zu untersuchen. Teilprojekte: 1: Time Domain Reflectometry (TDR) 2: Reflektorlose Roboter-Tachymetrie (TPS) mit Bildunterstützung 3: Low-Cost GNSS-Überwachungskomponente (GNSS) Die grundlegenden Untersuchungen zu den Messtechnologien sollen insb. auch unter realen Bedingungen erfolgen Auswahl eines geeigneten Projektgebietes Ihre wechselseitige Ergänzung und unter methodischen Gesichtpunkten die integrative Auswertung stehen in einer zweiten Projektphase im Mittelpunkt. Weitere Informationen zum Projekt: 3

4 Risikomanagement, Frühwarnsysteme und Notfallmanagement bei Hangrutschungen Nach dem Ereignis Zeichnung nach einer Vorlage des GFZ Frühwarnsysteme Notfallmanagement Wiederaufbau Akutphase Alarm! Δt "min." Δt P "groß" "groß" Ereignis, z. B. Abgang einer Rutschung Risikomanagement, siehe GEORISK Bayern Prävention Vorbereitung Bewertung Konsequenzen Planung Hilfe für Betroffene Ev. Risikominderung Aufräumarbeiten Überwachung Notfalllogistik Maßnahmen Warnung! Vor dem Ereignis Kontinuierliche Überwachung + Datenanalyse; z. B. alpewas 4

5 Hangrutschungen sind hangabwärts gerichtete, gleitende Bewegungen von Festund/oder Lockergestein. Während der Bewegung auf einer Gleitfläche behält die Rutschmasse den Kontakt zur Unterlage weitgehend bei. Von wenigen cm/jahr bis zu mehreren m/min sind alle Geschwindigkeiten möglich. Die laterale Ausdehnung einer Rutschung ist offen, der Tiefgang reicht von wenigen Dezimetern bis über 100 m. Zur Aktualität des Themas im alpinen Raum: Quelle: 5

6 Auswahl eines Projektgebiet für alpewas: Rutschung Sudelfeld / Aggenalm Wendelstein Rosenheim Rutschung Aggenalm Bayrischzell 6

7 Projektgebiet Sudelfeld Bisherige Kenntnisse zum Bewegungszustand 8 cm Messzeitraum 2001 bis 2007 Quelle: Bayerisches Landesamt für Umwelt (2007) 7

8 Projektgebiet Sudelfeld Geologisches Profil Aggenalm WNW Ehemalige Oberfläche 100 m Vermutete Gleitfläche Oberrät-Dolomit Oberrät-Kalk Kössner-Schichten (Kalk-Mergel-Wechselfolge) Plattenkalk Straße Grafenherberg - Rosengasse ESE Straße Tatzelwurm - Rosengasse 100 m 8

9 Informationen der Webseite: GEORISK das Projekt zur Erfassung der Gefahrenbereiche in Bayern Im GEORISK Dokumentations- und Informationssystem sind Hangbewegungen erfasst. Dabei werden Art, Ausdehnung, Alter und Zustand sowie mögliche zukünftige Entwicklung der Hangbewegungen beschrieben. Für den bayerischen Alpenraum wurden Karten der unterschiedlichen Aktivitätsbereiche erstellt. Die GEORISK-Daten sind eine wichtige Planungsgrundlage für Landratsämter, Straßenbauämter, Wasserwirtschaftsbehörden, Kommunen und auch Private. Sie können über das Bodeninformationssystem Bayern abgerufen werden und sind somit mit aktuellstem Stand jedem verfügbar. Bereits in einem frühen Stadium der Planung können so geeignete Standorte für neue Industriegebiete, Baugebiete oder Straßen gefunden werden, die nicht in durch Felsstürze, Rutschungen oder Erdfälle gefährdeten Bereichen liegen. Im Zuge der Nachhaltigkeit ist es sinnvoller, gefährdete Bereiche von Bebauung freizuhalten als evtl. eintretende Schäden später mit hohem finanziellem Aufwand zu beseitigen. 9

10 Rutschung Aggenalm 10

11 Metainformationen zum Georisk-Objekt Aggenalm 11

12 Methodischer Ansatz zur Überwachung im Projekt alpewas MET Met. alpewas ist ein lokales Geo-Sensornetz: - Sensorik - Kommunikation - Computing 12

13 Verschiebungsmessungen mittels Time Domain Reflectomety (TDR) An einer gequetschten oder gescherten Stelle eines Koaxialkabels wird ein Teil eines gesendeten elektrischen Impulses reflektiert. Die Laufzeit gibt die Tiefe und die Amplitude ist ein Maß für die Verformung dieser Stelle (aufwendige Kalibrierung!). Impuls Rutschmasse Reflexion Koaxialkabel Tiefe Gleitbahn Stabiler Untergrund Änderung der Kabelgeometrie Injektionsgut in Bohrloch Singer, J. & Thuro, K. (2007): Monitoring mit Time Domain Reflectometry (TDR). In: Brunner, F.K. (ed.): Ingenieurvermessung 07 - Beiträge zum 15. Int. Ingenieurvermessungskurs Graz 2007, S

14 Impressionen von den Bohrarbeiten Aggenalm TDR Koaxialkabel Inklinometersonde Inklinometermessungen vs. TDR Gleitfläche Verrohrung Verfüllung des Bohrlochs mit Injektionsgut Vorteile TDR - größerer Messbereich - Messfrequenz frei wählbar - leichter automatisierbar - Installation kostengünstiger (Bohrdurchmesser kleiner, keine Verrohrung) Nachteile TDR - geringere Genauigkeit - nur markante Knicke zu erkennen - keine richtungsmäßige Zuordnung 14

15 Flächenhafte Messungen mittels TPS; eigentlich RL-VTPS: Reflektorlose Videotachymetrie Über die integrierte Kamera eines Videotachymeters werden durch Konturextraktion automatisiert natürliche Ziele (herausragende Felsen, große Steine) identifiziert. Von diesen Zielen wird ein räumlich begrenzter Scan ermittelt. Durch den Vergleich zweier Scans desselben Zieles (3D-Körper) kann eine Prüfung auf Verlagerung erfolgen. 2. Gezielter Scan des Objektes 3. Vergleich zweier Epochen für Körper 1. Auswahl eines Objektes über Kantenextraktion 15

16 Vorteile der Kombination aus reflektorloser Tachymetrie und integrierter Kamera Tachymeter - Hochgenauer Winkelabgriff - Präzise (reflektorlose) Entfernungsmessung, somit Scan-Funktion - Mäßige Scan-Rate; gezielte Bereichswahl gefordert - Vollständig extern steuerbar (RS 232) - Erprobtes und bewährtes Messsystem Integrierte Kamera - hochauflösender CMOS-Farbchip, hier: 5 MPixel bei 2,2 µm Pixelgröße (1mm/Pixel in 100 m Entfernung) - Bei Videotachymetrie idealerweise koaxial zu Okularersatz, fokussierbare Kamera erforderlich (aufwendige Kalibrierung) - Verwendung markanter Objekte bzw. Objektteile als Ziele möglichst unter Verzicht auf Zielmarkierungen, hier z.b. Felsstrukturen, große Steine - Nutzung von Bildanalyse-Funktionen zur eindeutigen Detektion (Textur, Kanten) Bild siehe Beispiele getester Ziele Vision Image Assisted Total Station: Sich selbst geeignete natürliche Ziele suchendes Messsystem 16

17 Untersuchungsgebiet Sudelfeld - Messkonfiguration GNSS Ziel: Nutzung von Low-Cost GNSS Empfängern Nachfolgende Folien zu: - Sensorik - Kommunikation - Stromversorgung 17

18 Nutzung GNSS: RTK vs. NRTP Real Time Kinematic Erzeugung Korrektursignale Referenzstation Korrektursignale, z.b. RTCM, i.d.r. via Datenfunk Rover - Code- und Phasenregistrierung - Empfang Korrektursignale - phasenbasierte Positionsbest. Geringe Eingriffsmöglichkeiten, Konzipiert für Absteckung und Aufnahme Online Monitoring Korrektursignale, z.b. RTCM, i.d.r. via Datenfunk Referenzstation Zentralstation Geringe Eingriffsmöglichkeiten, Konzipiert für Überwachung z.b. NMEA i.d.r. via Datenfunk (berechnete Baseline) Rover Near Real Time Processing, 1 Kanal Zentralstation (binäre) Rohdaten, z.b. via WLAN Vorkonfigurierte Empfänger mit Interface Code- und Phasentracking (z.b. mit 1 Hz über 15 min) - Konvertierung Rohdaten - NRTP, batchgesteuert Umfangreiche Gestaltungsmöglichkeiten, Konzipiert für Überwachung Near Real Time Processing, 2 Kanal Zentralstation (binäre) Rohdaten, z.b. via WLAN Eingriffsmöglichkeiten im laufenden Betrieb (u.a. Ereignissteuerung) Konfiguration der Empfänger, z.b. neuer Elev.-winkel 18

19 GNSS Sensorik Novatel Smart Antennas: Gekapselte Komplettsysteme aus Board und Antenne Novatel Smart Antenna Novatel Smart-V1G Antenna Empfängertyp Superstar II OEM V GNSS GPS GPS + Glonass Anz. Kanäle 12 L1 all-in-view 14 GPS L1 all-in-view 12 GLO L1 all-in-view Genauigkeit Phasenmessung 1 cm rms 0,15 cm rms Gewicht 575 g Messfrequenz Stromversorgung max. 10 Hz V; 1,4 W max. 20 Hz 9-24 V; 1,2 W 115 mm Durchmesser 90 mm Höhe Schnittstellen RS-232 / RS-422 RS-232 / RS-422 / USB Robustheit MIL-STD-810E MIL-STD-810F Konfiguration über serielle Schnittstelle: - Aufzeichnungsrate; - Elevationswinkel; -... Verfügbar seit Okt

20 Kommunikationskomponente I. Zu beachten: - Topographie, Reichweite, Datenmengen Im Feld: Von den Knoten zur Zentralstation - Funktion im Geo-Sensornetz Bridge (Aironet 1300) Cisco Systems WiBox Lantronix AIR-ANT2506 Cisco Systems AIR-ANT1949 Cisco Systems WLAN Standard: b/g WLAN Standard: b/g Antennentyp: Omnidirectional Antennentyp: Yagi Datenrate: bis zu 54 MBps Datenrate: bps Antennengewinn: 5,2 dbi Antennengewinn: 13,5 dbi Sicherheit: WEP, WPA, TKIP Sicherheit: WEP, WPA, TKIP Frequenzbereich: 2,4 GHz Frequenzbereich: 2,4 GHz Serial Port: 1x RS-232, 1x RS-232/422/485 Abstrahlung: 50 Vertikal 360 Horizontal Abstrahlung: 25 Vertikal 30 Horizontal V DC 9-30 V DC Antennengröße: 29,2 * 2,5 cm Antennengröße: 46 * 7,6 cm 11 Watt 2 Watt Gewicht: 1250 g Gewicht: 400 g Gewicht: 140 g Gewicht: 680 g Umgebungstemperatur: - 30 bis + 55 C Umgebungstemperatur: - 40 bis + 70 C Umgebungstemperatur: - 30 bis + 70 C Umgebungstemperatur: - 30 bis + 70 C 20

21 Kommunikationskomponente II. Via Satellit von der Zentralstation zum Büro DSL via Satellit ASTRA 1E skydsl - europaweit weitgehend verfügbar (keine Infrastrukturvoraussetzungen) - interaktive always on -Verbindung - Leistungsfähigkeit: 1024 Kbit/s Downstream 128 Kbit/s Upstream - Kosten: ca. 40 /Monat (Flatrate, je nach Datenmenge) ASTRA 1E Empfohlene Antennendurchmesser 21

22 Autarke Stromversorgung GNSS-Knoten: Pufferbatterie mit Nachladung (solar, fuel cell) Solarpanel AS 80 Sunset Solar-Controller SCD-20 IVT dryfit solar 130 Ah Sonnenschein Brennstoffzelle EFOY 600 Udomi Größe: 120 x 52,6 x 4 cm (L x B x H) Größe: 19,0 x 15,5 x 5,5 cm (L x B x H) Größe: 28,6 x 23,0 x 26,9 cm (L x B x H) Größe: 43,5 x 20,0 x 27,6 cm (L x B x H) Nennspannung: 17,3 V Nennspannung: 12/24 V Spannung: 12 V Spannung: 12 V Max. Leistung: 80 Wp Max. Modulstrom: 20 A Anschluss: A-Pol Nennleistung: 25W Nennstrom: 4,6 A Tiefentlade-Abschaltung: 10,5 V Kapazität: 130 Ah Ladekapazität: 600Wh/Tag Kurzschlussstrom: 4,95 A Eigenstromverbrauch: 10 ma Akku: Blei Methanolverbrauch: 1,1l/kWh Gewicht: 8,2 kg Temperaturbereich: - 25 bis + 40 C Gewicht: 37 kg Gewicht: 7,3 kg (ohne Zubehör) Ermittelter Energieverbrauch GNSS-Knoten: Ermittlung Autonomiefaktor: Gerät Verbrauch [A] CB UB 130[ Ah] 12[ V ] A = = = 565h = 23,5Tage W 0,23[ ] 12[ ] SMART ANTENNA 0,10 V A V A Autonomiefaktor Laderegler 0,02 CB Kapazität [ Ah] WiBox 0,11 W V täglicher Energiebedarf [ Wh] Gesamtsystem 0,23 UB Batterie-Nennspannung [ V] 22

23 Binäre Rohdaten aller GNSS Knoten via WLAN Operator (Host PC) GNSS Datenfluss Central Control Application Initialisierung LabView Internet Verbindung (z. B. TridaVNC) Fernwartung Datentransfer Auswertung Datenaufbereitung Datenzusammenstellung Datenkonvertierung Datenprozessierung GNSS Rohdaten Berechnete Basislinien GrafNav Basislinienberechnung Netzlösung Weitergabe Basislinien GKA-Format (ASCII) b, Σ k bb, k 31, 33, i Auswertung Sukzessives Zusammenstellen Zeitreihenanalyse Duales System 23

24 Low Cost GNSS erste Erfahrungen und Ergebnisse Rohdaten Datenfilterung Gleitender Mittelwert und Polynomapproximation Datenfilterung Gleitender Mittelwert und Polynomapproximation Winterimpressionen vom Hornbergl, Tirol 24

25 Messtechnik Vorteile Nachteile Beitrag Frühwarnsystem, Teilziele alpewas TDR - Low Cost im Vergleich zu Inklinometermessungen - Hohe Messfrequenz leicht realisierbar (Automatisierung) - Kontinuierliches Verfahren - Keine Angabe über Orientierung der Bewegung - Graduelle Deformationen nicht messbar - Geringere Genauigkeit als Inklinometer - Tiefenmessungen, somit Identifikation der Gleitflächen - Optimierung Signalanalyse - Kalibrierung Amplitude Quetschung / Scherung - Definition standardisierter Einbauparameter TPS - Hohe Punktdichte, wobei mehrere Ziele in einem Bild gleichzeitig detektierbar sind - Kein Betreten des Messgebiets erforderlich - Konventioneller Tachymeterbetrieb parallel möglich (Benutzung signalisierter Punkte) - kein Low Cost (und dennoch ökonomisch) - abhängig von den Sichtbedingungen und Tageszeit; periodisches Verfahren - Out-Door-Tauglichkeit zu verifizieren - Berührungslose Erfassung in der Fläche (natürliche Ziele) - Abdeckung nicht instrumentierter Bereiche - Grundlegende Untersuchungen zur automatisierten Konturextraktion, Ableitung 3D-Scans und Algorithmen zur etwaigen Verlagerung von Körpern GNSS - Nutzung Low-Cost Empfänger - Nahe Echtzeit-Auswertung - Kontinuierliches Verfahren - Allwetterfähiges, genaues 3D-Verfahren - Nur für langsame Bewegungen geeignet - Aufwendiges Datenmanagement (aber vollständig zu beherrschen!) - Kontinuierliche Verschiebungen in ausgewählten Punkten - Optimierung Erfassung und Auswertung; somit Steigerung Genauigkeit und Zuverlässigkeit 25

26 Denkbar wäre Die GEORISK-Daten sind somit mit aktuellstem Stand jedem verfügbar. Aktualität? Ein Frühwarnsystem liefert die gewünschte aktuelle Information zum Prozess! Methodischer Ansatz: Weiterentwicklung von alpewas zu einem Sensorweb - Mehrwert durch Verfügbarkeit aktueller Messinformation (für autorisierte Kreise) - Nutzung standardisierter / offener Schnittstellen; siehe z. B. OGC SWE - Anbindung an vorhandene Geodateninfrastrukturen, z. B. GEORISK 26

27 Fazit Frühwarnsysteme für instabile Hänge: - Bedarf an Überwachung von Rutschhängen steigt; nicht nur im Alpenraum. - Kostengünstige und effiziente Monitoringsysteme sind gefragt. - Sinnvolle Integration geeigneter Messverfahren erforderlich. - Auftrieb durch gegenwärtige Diskussion Geo-Sensornetze, Sensorweb. Projektstand alpewas (Laufzeit ): - Laboruntersuchungen TDR, TPS und GNSS (Kalibrierungen etc.) erfolgt. - Bohrungen für TDR abgeteuft, System installiert, erste Messungen erfolgt. - GNSS-Komponente ist installiert und läuft stabil. - Exemplarische Messungen TPS (Nullmessung) bereits erfolgt. - Integrierte Auswertung inkl. Datenfluss (2. Projektphase) in Vorbereitung. 27

28 Hangrutschungen - Observare necessere est! 28 Vielen Dank für Ihr Interesse!