Satellitengestützte SAR- Interferometrie und GNSS- Referenzmessungen zur Überwachung flächenhafter Bodenbewegungen

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1 6. ALLSAT OPEN Hannover, 18. Juni 2009 Satellitengestützte SAR- Interferometrie und GNSS- Referenzmessungen zur Überwachung flächenhafter Bodenbewegungen Präsentiert von Dr. Lutz Petrat, Infoterra GmbH

2 Inhalt 1. Infoterra GmbH 2. Radarsatellit TerraSAR-X 3. Prinzipien Satellitengestütztes Bodenbewegungsmonitoring 4. Einsatzbeispiele 4.1 Flutung eines stillgelegten Bergwerks, Deutschland 4.2 Ölproduktion, Oman 4.3 Ölproduktion, Kuwait 4.4 Geothermiebohrung, Staufen 4.5 Aktiver Steinkohlenbergbau, Deutschland 4.6 Lösungsbergbau, Niederlande 5. Schlussfolgerung 6. Diskussion 2

3 Infoterra GmbH Airbus Military Eurocopter ASTRIUM Defence Transport & Security Aircraft Systems Umsatz 2006: 3.2 Mrd. MA (2006): * * France, Germany, UK, Spain, Netherlands 3

4 Radarsatellit TerraSAR-X Erster kommerzieller Radarsatellit mit hoher räumlicher Auflösung (1 m) Start: 15 Juni 2007, weltweite, wetterunabhängige Datenaufnahme, Verlässliche Komplementierung optischer Satelliten- und Flugzeugdaten, Bereitstellung weiterer Geoinformationsprodukte, Folgeprojekt 2009: hochgenaue Erstellung digitaler Geländemodelle durch Nutzung eines zweiten Satelliten TanDEM-X. 4

5 Prinzipien Satellitengestütztes Bewegungsmonitoring Flächenhafte 2D Differentielle Radarinterferometrie (DInSAR) Flächenhafte Bestimmung von relativer Geländehöhe und Bodenbewegung Vorteile: Flächendeckende Aussagen zu Bodenbewegungen Nachteile: Keine oder unzureichende Aussagemöglichkeiten in vegetationsreichem Gelände Eingeschränkte Möglichkeiten, zeitlich variable Bewegungssignale aufzulösen Abbildung: DInSAR Ergebnis Bergbauinduzierter Bodenbewegungen 5

6 Prinzipien Satellitengestütztes Bewegungsmonitoring Punktbasierte Persistent Scatterer Radarinterferometrie (PSI) Punktweise Bestimmung von relativer Geländehöhe und Bodenbewegung Punkte: Starke Radarstreuer (Klippen, Gebäudekanten, künstl. Cornerreflektoren) Vorteile: Analysen zu zeitlich variablen Bodenbewegungssignalen möglich Bei ausreichender Verfügbarkeit von Punktstreuern Aussagen in vegetationsreichem Gelände Abbildung: PSI Ergebnis - Beispiel (Quelle: GAMMA Remote Sensing, Switzerland) 6

7 Flutung eines stillgelgten Bergwerks, Deutschland (a) oooooooo ooooooooooooooooooooooo oooooooo oooooooooo oooooooooooooooooooooo W a s s e n b e r g M y h l ooo R a t h e i m G e r d e r a t h ooooo A l t m ü h l K l e i n g l a d b a c h M i l l i c h H ü c k e l h o v e n D o v e r e n (b) Legende oo Tektonische Störungen Bodenbewegungsrate [m/jahr] 0,000-0,005 0,006-0,01 0,011-0,015 0, ,03 0,031-0,035 0,036-0,04 0,041-0,045 0,046-0,05 0,051-0,055 0,056-0,06 ooooooo W a s s e n b e r g M y h l G e r d e r a t h ooooooooooooooooooooooo oooooooooooooooooooooo oo R a t h e i m oooooo A l t m ü h l K l e i n g l a d b a c h M i l l i c h H ü c k e l h o v e n oooooooooooooooooooo D o v e r e n Abbildung: Bodenbewegungen infolge der Flutung eines stillgelegten Bergwerks (a) DInSAR, (b) high precision optical levelling [Petrat et al., 2005] 7

8 Flutung eines stillgelgten Bergwerks, Deutschland (b) 0,060 (a) Bodenbewegung [m/jahr] 0, ,000-0 (b) W a s s e n b e r g M y h l G e r d e r a t h A l t m ü h l K l e i n g l a d b a c h R a t h e i m M i l l i c h H ü c k e l h o v e n D o v e r e n -0,040 DInSAR Profil (NW-SE) [m] Leitnivellement H i l f a r t h Abbildung: Bodenbewegungen infolge der Flutung eines stillgelegten Bergwerks (a) Profilüberblick, (b) Vergleich von DInSAR und Nivellement [Petrat et al., 2005] 8

9 Ölproduktion, Oman Vert. Bodenbewegung Gleichförmige Bodenbewegungen Hochdynamische Bodenbewegung Abbildung: Ölfeld und Bodenbewegung nach 198 Tagen ermittelt auf Basis TerraSAR-X [Wegmüller et al., 2009] 9

10 Ölproduktion, Oman 0,01 0,005 GPS InSAR after 11 days after 44 days after 66 days after 99 days after 143 days after 176 days Vert. Displacement [m] 0-0,005-0,01-0, ,03-0,035-0,04-0, Date after 198 days Vert. Bodenbewegung Abbildung: Zeitliche Entwicklung großräumiger Subsidenz auf Basis TerraSAR-X [Wegmüller et al., 2009] 10

11 Ölproduktion, Oman from day 0 to day 11 from day 44 to day 55 Legend 11 Days - Vert. Displacement [m] 0,10-0,10 Vert. Displacementrate [m/d] 0,015 0,005 from day 11 to day 22 - from day50 22 to day from day 33 to day ,005-0,015 from day 55 to day 66 Abbildung: Zeitliche Entwicklung kleinräumiger Subsidenz auf Basis TerraSAR-X 11 Days from Start of Observation T 0 from day 88 to day 99 from day 132 to day 143

12 Ölproduktion, Kuwait Legend TerraSAR-X Analysis (01/08-02/09) Vert. Displacements [m] -0, , ,015-0, ,01-0, ,005-0, ,001-0,005 0,006-0,01 0,011-0,015 0,016 - Abb.: DInSAR Bodenbewegungskarte nach Auswertung von 23 TerraSAR-X StripMap Datensätzen zwischen 01/2008 und 02/

13 Geothermiebohrung, Staufen Rathaus Abbildung: Stadtgebiet von Staufen im Breisgau a a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/

14 Geothermiebohrung, Staufen Legend Vert. Bodenbewegung [m] 0,001-0,005 0,006-0,01 0,011-0,015 0, ,03 0,031-0,035 0,036-0,04 0,041-0,045 0,046-0,05 0,051-0,055 0,056-0,06 0,061-0,065 0,066-0,07 0,071-0,075 0,076-0,08 Jul '08 Aug '08 Sep '08 Okt '08 Nov '08 Dez '08 Jan '09 Abbildung: Bodenbewegung 22/07/ /10/2008 a a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/

21 Geothermiebohrung, Staufen Rathaus Bohrungen Legend Vert. Bodenbewegung [m] 0,001-0,005 0,006-0,01 0,011-0,015 0, ,03 0,031-0,035 0,036-0,04 0,041-0,045 0,046-0,05 0,051-0,055 0,056-0,06 0,061-0,065 0,066-0,07 0,071-0,075 0,076-0,08 Abbildung: Detailbetrachtung Überblick a a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/

22 Geothermiebohrung, Staufen Rathaus 0,04 0,03 0,05 0,05 0,03 0,04 0,03 Bohrungen Jul '08 Aug '08 Sep '08 Okt '08 Nov '08 Dez '08 Jan '09 Legend a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/6865 Vert. Bodenbewegung [m] 0,001-0,005 0,006-0,01 0,011-0,015 0, ,03 0,031-0,035 0,036-0,04 0,041-0,045 0,046-0,05 0,051-0,055 0,056-0,06 0,061-0,065 0,066-0,07 0,071-0,075 0,076-0,08 Abbildung: Bodenbewegung 22/07/ /01/2009; Isolinien ermittelt durch Interpolation a 22

23 Geothermiebohrung, Staufen Bewegungsrate: ca. 12 mm/monat 0,03 0,04 0,04 0,03 0,05 D 0,05 0,03 0,08 0,07 Höhenänderung [m] 0,06 0,05 0,04 0,03 0, Datum Abbildung: Zeitreihendarstellung Analysepunkt 3 a a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/

24 Geothermiebohrung, Staufen Abbildung: Radarinterferometrisches Ergebnis mit interpolierten Isolinien a a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/

25 Geothermiebohrung, Staufen Abbildung: Vergleich Radarinterferometrie (Isolinien) / terrestrisches Nivellement (farbig Quelle: Stadt Staufen) a : a Topographische Karte: Landesamt für Geoinformation und Landentwicklung Baden-Württemberg ( vom , Az.: D/

26 Aktiver Steinkohlenbergbau, Deutschland Abbildung: PSI Prozessierungsergebnis in einem Bergbaubereich in NRW Links: Gesamtergebnis (Fringedarstellung); Rechs: Zeitserie der Bodenbewegungen am Nivellementpunkt im Vergleich zu terrestrischen Nivellements [Wegmüller et al., 2008] 26

27 Lösungsbergbau, Niederlande Legend [ Brinewells IPTA Levelling Vert. Surface Movements [mm] Surface Movements [mm] !( !( !( !( !( !( !( !( !( !( !( !( !( !( -9-0!( !( !( Exceeding IPTA Limits Abb.: Bestimmung von Bodenbewegungen im Bereich von Solkavernen Vergleich Interferometric Point Target Analysis (IPTA) / terrestrisches Nivellement [Petrat und Paar, 2006] 27

28 Schlussfolgerung DGNSS Vermessung: hochgenaue Information über Bodenbewegungen an einzelnen, zuvor ausgewählten Punkten Detaillierte Vorinformation über Bewegungsphänomen oder flexibles Vorgehen notwendig Satellitengestützte Radarinterferometrie: flächenhafte Bewegungsinformation bzw. punktbezogene Bewegungsdaten für große Anzahl von Punkten sehr gute Grundlage für Konzeption eines optimierten DGNSS Messnetzes oder eigenständig einsetzbar Satellitengestützte Radarinterferometrie und DGNSS Vermessung kein Wettbewerb zielführend komplementär einsetzbar! 28

29 Diskussion Dr. Lutz Petrat Infoterra GmbH Friedrichshafen, Germany Phone: lutz.petrat@infoterra-global.com 29