Von der Terrestrik zum Radarverfahren - Geomonitoring bei der RAG - Volker Spreckels. RAG Aktiengesellschaft

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1 Von der Terrestrik zum Radarverfahren - Geomonitoring bei der RAG - Volker Spreckels 1

2 Übersicht Verfahren und Sensoren im Geomonitoring bei RAG UAV-Photogrammetrie Aero-Photogrammetrie & Airborne Laserscanning (ALS) DigitalGlobe TurboSquid MDA Optische und Radar-Satellitenauswertung Indoor-Photogrammetrie DLR Leitnivellement Hochpräzise permanente, statische und Echtzeit - GNSS-Messungen Stromübergangsnivellement ZEISS Feinnivellement 2

3 RAG in NRW und im Saarland LANDKREIS STEINFURT Ibbenbüren WESEL Auguste Victoria 2018 West DUISBURG 2018 Prosper- Haniel ESSEN Servicebereich Belegschaft BOTTROP RAG Montan Immobilien RECKLINGHAUSEN HERNE DORTMUND Unternehmenssitz HAGEN Regionalverwaltung Saar SAARLOUIS SAARLAND Bergwerk Niederlassung Saar SAARBRÜCKEN Städte 3

4 Anpassung im Steinkohlenbergbau Rückführung Förderkapazität Mio. t Anpassung Zahl der Bergwerke Anpassung Belegschaft Das Unternehmen schrumpfte von 2007 bis 2015 um 2/3. ca

5 Aufgaben der RAG nach Stilllegung der Bergwerke 5

6 Aufgaben der RAG nach Stilllegung der Bergwerke RAG Geodaten 6

7 Zentrales Geodatenmanagement der RAG 7

8 Zentrales Geodatenmanagement der RAG Web- & Intranet-Dienste Webdienste (Intranet): Leitnivellement Luftbildarchiv Rissarchiv Schachtkataster Bürgerinformationsdienst BID für Rahmen-/Sonderbetriebsplan Bereiche 8

9 Zentrales Geodatenmanagement der RAG Digitale Service-Akte D S A 9

10 Geomonitoring bei RAG Kombination der Verfahren für die Arbeiten des Aktiven Bergbaus - Echtzeit-GPS, Ingenieurnivellement Monitoring d. Grubenwasseranstiegs - Feinnivellement - GNSS-Monitoring (ALLSAT/Alberding) - Radarinterferometrie (PSI) Monitoring im Altbergbaubereich - UAV-Photogrammetrie => Sensor => GPS-Referenz - Aero-Photogrammetrie & ALS => 3D-Punktwolken Datenhaltung in der GeoMon 4D-Punktdatenbank 10

11 Geomonitoring bei RAG Exkurs zu den Sensoren / Verfahren /Techniken für das Geomonitoring - Radarinterferometrie (PSI) - UAV-Photogrammetrie => Sensor => GPS-Referenz 11

12 Radar-Satelliten Seit 1999: RAG Forschungsprojekte, FE 0572 GeoMon / FE 0746 S@tMon / FE 0760 ABSMon Einsatz im Tagesgeschäft ESA ESA JAXA DLR MDA 12

13 Radarinterferometrie -Differentielle SAR-Interferometrie (dinsar) - Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) C-Band: λ = 5,6 cm Verwendete Satelliten: λ Zyklus: : ERS-1 / ERS-2 C-Band 35 Tage Archivdaten verfügbar : ENVISAT C-Band 35 Tage Archivdaten verfügbar. ESA ESA ab Mitte 2010: Radarsat-2 C-Band 24 Tage Kein Archiv!! Direktbestellung. ab 2015: Sentinel derzeit nur Datenbeschaffung ESA MDA Verfahren: Stadt Land Erfassungsbereich C-Band dinsar gut ausreichend 0 cm bis ca. 8 cm / Zyklus C-Band PSI gut gut - befriedigend ca. 7-8 cm / Jahr 13

14 Grundvoraussetzungen für die Präzise Radarinterferometrie Aktuelles Digitales Geländemodell DGM25 (Landesvermessungsverwaltung): 25 m - Raster NEXTMap-DGM (Intermap Technologies): 5 m - Raster andere, z.b. europäisches EU-DEM Referenzmessungen (Nivellement, GPS). Corner-Reflektoren zur Georeferenzierung. Für zuverlässige PSI Auswertungen werden etwa 30 Radar-Szenen benötigt. RAG verwendet 3-Jahres- Zeitscheiben mit ca. 45 Szenen und 2 Jahren Überlappung in den Auswertungen Korrekturen: Orbit, Atmosphäre, differentielles Interferogramm Orbit- Korrektur Atmosphärenkorrektur korrigiertes differentielles Interferogramm Erfahrenes, gut ausgebildetes Personal für die Auswertungen und Interpretation der Ergebnisse! 14

15 Persistent Scatterer / Corner-Reflektoren Großer CR Mittlere CR Kleiner CR TerraSAR X-Band ENVISAT C-Band ALOS L-Band 15

16 Corner-Reflektoren Dr. M. Schäfer, TU Clausthal 16

17 Ausrichtung der Corner-Reflektoren CR Ausrichtungen auf verschiedene Satellitenorbits von TerraSAR-X ENVISAT ALOS 17

18 Alternative: Compact Active Transponder (Thales, ehem. S-E-A)? CAT1 - CR10 CAT3 - CR30 CAT sind kleiner und unauffälliger als CR, aber wartungsintensiver (Akkulaufzeit, Uhrdrift) 18

19 Kombination terrestrisches & fernerkundliches Konzept 19

20 Untersuchung zur Inneren Genauigkeit der PSI 3-CR Cluster, Wulfen Orthophoto mit Lage der CR, überlagert mit dem Radar-Intensitätenbild: PS sind als helle Pixel in der Bodenauflösung von 20m erkennbar, liegen nahe den Corner-Reflektoren. Diese Konstellation dient der Abschätzung der inneren Genauigkeit des Radarverfahrens zum Satellitenüberflug über die Höhendifferenzen aus - Präzisions-Nivellement - stat. Chokering-GPS - PSI 20

21 Natürliche Corner-Reflektoren: Persistent Scatterer PS Nur die Lage von Corner-Reflektoren kann eindeutig bestimmt werden. Corner-Reflektoren dienen zur Über- Prüfung der Georeferenzierung. Corner-Reflektoren dienen als Kontrollpunkte für Höhenänderungsauswertungen. Persistent Scatterer zb liegen an / auf Gebäuden. Ein Persistent Scatterer leitet sich aus einer Ansammlung mehrerer Rückstreuer mit einem Hauptstreuer ab. In unterschiedlichen Auswertungen / aus unterschiedlichen Orbits liegen PS i.d.r. nie am gleichen Ort! 21

22 Notwendigkeit eines guten Höhenmodells Mit dem NEXTMap Höhenmodell mit 5 m-rasterweite wurde eine Verbesserung der Georeferenzierungsgenauigkeit von ~25 m (SRTM) auf ~3 m erreicht Radarbilder und DGK5 SRTM X-/ -C NEXTMap Dr. D. Walter, TU Clausthal Dr. D. Walter, TU Clausthal 22

23 Geomonitoring bei RAG - Radarinterferometrie Exkurs zu den Sensoren / Verfahren /Techniken für das Geomonitoring - UAV-Photogrammetrie => Sensor => GPS-Referenzmessungen 23

24 Geomonitoring bei RAG Sensor für UAV-Photogrammetrie FOVEON-Chip SIGMA Kameras sind mit dem FOVEON- Chip ausgerüstet SIGMA Bei GSD = 1 cm wird mit dem FOVEON- Chip eine Lage- und Höhengenauigkeit von +/- 1 cm erreicht. GSD = Ground Sample Distance FOVEON (Bodenauflösung) 24

25 Geomonitoring bei RAG Sensor für UAV-Photogrammetrie FOVEON-Chip SIGMA Kameras sind mit dem FOVEON- Chip ausgerüstet SIGMA Bei GSD = 1 cm wird mit dem FOVEON- Chip eine Lage- und Höhengenauigkeit von +/- 1 cm erreicht. GSD = Ground Sample Distance FOVEON (Bodenauflösung) 25

26 Geomonitoring bei RAG GPS-Antennen zur Passpunktmessung für UAV Echtzeit-GPS-Messungen - mit Standard-Antennen: +/- 2 bis 3 cm in Lage und Höhe - mit 3G+C oder Chokering-Antennen: +/- 1 cm in Lage und Höhe Entspricht der UAV-Blockgenauigkeit bei GSD = 1 cm Leica Fraunhofer/navXperience 26

27 Geomonitoring bei RAG GPS-Antennen zur Passpunktmessung für UAV Echtzeit-GPS-Messungen - mit Standard-Antennen: +/- 2 bis 3 cm in Lage und Höhe - mit 3G+C oder Chokering-Antennen: +/- 1 cm in Lage und Höhe Entspricht der UAV-Blockgenauigkeit bei GSD = 1 cm Leica Fraunhofer/navXperience 27

28 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg 28

29 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg Niv Auf Anordnung der BR Arnsberg, Abteilung 6 Bergbau und Energie in NRW - monatliche Nivellements über dem Primus-Sprung 29

30 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg GNSS RAG und ALLSAT erstellten ein Low-Cost GNSS-Monitoring Feld - permanente Beobachtungen - relative Veränderungen in Lage und Höhe ALLSAT ALLSAT ALLSAT ALLSAT 30

31 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg GNSS Über das Alberding A07- Webportal können die Stationen abgerufen werden. 12 / 24 Stunden-Mittelwerte Relative Verschiebung in N-S O-W Höhe 31

32 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg Radar (PSI) Im RAG Forschungsprojekt ABSMon ( ) wurden von der TU Clausthal radarinterferometrische Persistent Scatterer-Auswertungen (PSI) aus Radarsat-2 Szenen 06/ /2015 durchgeführt. Die resultierenden Höhenänderungen in [mm/jahr] sind farbig dargestellt. [mm/jahr] Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: GNSS-Punkte Eine aktuelle PSI-Auswertung erfolgt derzeit bei der TU Clausthal. 32

33 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg GeoMon-DB Verschneidung der Höhenänderungswerte in der GeoMon-Punktdatenbank der RAG. Hier Leitnivellement und PSI Für die GNSS-Ergebnisse werden Importfunktionen entwickelt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: GNSS- Punkte Radarsat-2 PSI, 5 Jahre [mm/jahr] GNSS 5 Wochen Leitnivellement 2010, 2012,

34 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg GeoMon-DB PSI-Zeitraum 7 Monate [mm/jahr] Verschneidung der Höhenänderunswerte in der GeoMon-Punktdatenbank der RAG. Hier Leitnivellement und PSI Für die GNSS-Ergebnisse werden Importfunktionen entwickelt. Orange Dreiecke: Leitnivellement Magenta-farbene Kreise: Punkte GNSS 5 Wochen GNSS- 34

35 Geomonitoring bei RAG Monitoring Grubenwasseranstieg Königsborn 35

36 Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) mit Radarsat-2 Erfassung relativer Höhenänderungen für die ehem. BW Ost, Westfalen, Königsborn 36

37 Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) mit Radarsat-2 Erfassung relativer Höhenänderungen für die ehem. BW Ost, Westfalen, Königsborn Relative Bodenbewegungen Juni 2010 bis Nov Restsenkungen Hebungen 37

38 Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) mit Radarsat-2 Erfassung relativer Höhenänderungen für die ehem. BW Ost, Westfalen, Königsborn 38

39 Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) mit Radarsat-2 Vergleich der Höhenänderungen über dem Hebungsbereich des BW Königsborn (SW -> NO) 2 cm 1 cm 2 cm 2 cm Vermessung (Nivellement) Radar (PSI) 2 cm 1 cm 39

40 Geomonitoring bei RAG Monitoring im Altbergbau - Erfassung & Monitoring von tagesbruchgefährdeten Bereichen Aero-Photogrammetrie Airborne Laserscanning (ALS) UAV-Photogrammetrie 3D-Punktwolken 40

41 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS 2014 & 2015 Luftbildaufnahmen UltraCam Falcon mit GSD 2,5 cm UltraCam Falcon 2,5 cm GSD und simultan zusätzlich ALS Ableitung einer 3D - Punktwolke aus UltraCamX-Bildern - mit 30 Mrd. Punkten (Dateigröße 1 TB / Rechendauer 6 Wochen) - Punktdichte von bis zu Punkten / m² (alle 2,5 cm ein 3D Punkt) Schwarze Punkte: Tagesöffnungen / Schächte, RAG-Berechtsame Grün: Bildflug 2014 Rot: Bildflug 2015 ALS 2015 Blau: UAV, halbjährl. seit Nov

42 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS Aero-Photogrammetrie: 3D-Punktwolke mit 2,5 cm GSD für ca. 30 km² 3D-Punktwolke aus UltraCam Falcon Luftbildern 2015, 2,5 cm GSD 30 Milliarden Punkte Dateigröße 1 TB Rechendauer 6 Wochen Punktdichte bis zu Punkten / m² 42

43 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS ALS: 3D-Punktwolke ca. 40 Punkte / m² Aerophotogrammetrie: 3D-Punktwolke mit 2,5 cm GSD Kombination der 3D-Punktwolken aus Bildflug und ALS 43

44 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS ALS Höhendifferenzen der einzelnen Flugstreifen, nach wiederholter Anpassung durch Dienstleister [m] 44 44

45 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS ALS Höhendifferenzen der einzelnen Flugstreifen, nach wiederholter Anpassung durch Dienstleister [m] 45

46 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS ALS Höhendifferenzen der einzelnen Flugstreifen, nach wiederholter Anpassung durch Dienstleister [m] Bis zu 35 cm Unterschied in der Lage zwischen den einzelnen ALS Flugstreifen 46

47 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS ALS Höhendifferenzen der einzelnen Flugstreifen, nach wiederholter Anpassung durch Dienstleister [m] Lösung: Stereo-photogrammetrische Messung von Dachflächen in den ALS - Streifen- Überlappungsbereichen Bis zu 35 cm Unterschied in der Lage zwischen den einzelnen ALS Flugstreifen 47

48 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm 2014 Januar 23. Witten Buchholz Buchholzerstrasse 2014 Februar 19. Hattingen Holthausen Ruhrhöhenweg 2014 Februar 19. Hattingen Holthausen Salzweg 2014 Februar 25. Witten Buchholz Buchholzerstrasse 2014 März 06. Hattingen Holthausen Ruhrhöhenweg 2014 März 06. Hattingen Holthausen Salzweg 2014 November 27. Witten Buchholz Buchholzerstrasse 2014 November 28. Witten Speckbahn 2015 März 24. Witten Buchholz Buchholzerstrasse 2015 März 24. Witten Speckbahn 2015 Oktober 20. Witten Buchholz Buchholzerstrasse 2015 Oktober 20. Witten Speckbahn 48

49 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse UAV Bildflug März

50 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse UAV Bildflug März D-Punktwolke 50

51 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse UAV Bildflug März 2015: DOM 2,5 cm Bodenauflösung 51

52 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse UAV Bildflug März 2015: DOM 2,5 cm Bodenauflösung 52

53 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse UAV Bildflug März 2015: Orthophoto 2,5 cm Bodenauflösung 53

54 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse UAV Bildflug November 2014: Orthophoto 2,5 cm Bodenauflösung Schächte 54

55 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS UAV - Luftbildaufnahmen mit einer Bodenauflösung von 1-3 cm Beispiel Buchholzerstrasse: Höhendifferenzen aus UAV Befliegungen März Nov 2014 Schächte 55

56 Geomonitoring bei RAG Altbergbau: Aero- & UAV Photogrammetrie, ALS Erstellung automatisierter PDF-Reporte zu den Höhendifferenzen und deren Signifikanz, für das Umfeld eines jeden Schachtes aus jeweils zwei UAV 3D-Punktwolken für den Außendienstmitarbeiter der Bergschadensbearbeitung Ziel: weniger aber dafür gezielter und effizienter durchgeführte Außendiensteinsätze 56

57 Ende des Vortrages mit Ausschnitten des Geomonitoring bei RAG UAV-Photogrammetrie Aero-Photogrammetrie & Airborne Laserscanning (ALS) DigitalGlobe TurboSquid MDA Optische und Radar-Satellitenauswertung Indoor-Photogrammetrie DLR Leitnivellement Hochpräzise permanente, statische und Echtzeit - GNSS-Messungen Stromübergangsnivellement ZEISS Feinnivellement 57

58 Dipl.-Ing. Volker Spreckels Geschäftsbereich Standort- und Geodienste BG G BG G2 Geodaten BG G2.1 Geomonitoring Shamrockring 1 D Herne Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) volker.spreckels@rag.de 58