Entwicklung, Bau und Nutzung von Corner Reflektoren

Einleitung

Im Jahr 2005 begann im Zuge des AiF-Vorhabens Nr. 14354 N „Erfassung von Vertikalbewegungen an der Tagesoberfläche durch differentiell-interferometrische Auswertungen multitemporaler SAR-Daten“ die Entwicklung von Corner Reflektoren (CR) in der Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation des Instituts für Geotechnik und Markscheidewesen (IGMC, heute Arbeitsgruppe „Markscheiderische Geoinformation“ im Institute of Geo-Engineering). Die Entwicklung dieser CR erfolgte unter Leitung von Prof. Dr. W. Busch im Wesentlichen durch die Wissenschaftlichen Mitarbeiter Dr.-Ing. M. Schäfer und Dr. St. Knospe.

Etliche Projekte der Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation haben sich in der Vergangenheit mit der Entwicklung und dem Einsatz von künstlichen Radarreflektoren, sogenannten Artificial Corner Reflektoren (ACR), beschäftigt. Diese, im Folgenden Corner Reflektoren (CR) genannt, reflektieren, bei entsprechender Ausrichtung, die von einem Satelliten ausgesendete Radarstrahlung zum Sensor zurück, so dass am Ort des Reflektors eine langzeitstabile Phaseninformation und gleichzeitig eine hohe Rückstreuintensität in den Radarsignalen vorherrscht. In Verbindung mit einer gegründeten Vermarkung (und somit auch einer einmessbaren Position) eines CR lassen sich mit dem Verfahren der differentiellen Radarinterferometrie die Bewegungen am Ort eines CR mit hoher Genauigkeit ermitteln.

Ihre Anwendung finden die CR als

  • zusätzliche, vermarkte Messpunkte (Objektpunkte) in einem Bodenbewegungsgebiet,
  • zusätzliche Passpunkte (Geocodierung) oder als Referenzpunkt und damit der Datumsfestlegung
  • Kontrollpunkte zur Genauigkeitsbestimmung von Höhen- und Lageänderungen (in Verbindung mit Nivellements, GPS),
  • Kontrollpunkte zur Überprüfung der Qualität der Georeferenzierung
  • Ableitung von atmosphärischen Strukturen und Rauschanteilen (für Forschungszwecke)

Um CR in einem radarinterferometrischen Projekt nutzen zu können, müssen sie vor Beginn der Datenaufzeichnung und an einem sicheren Ort installiert sein. Sie finden somit Anwendung in geplanten, zukünftigen Radarauswertungen.

 

Anwendungsbeispiele

Im 2005 begonnenen AiF-Vorhaben „Erfassung von Vertikalbewegungen an der Tagesoberfläche durch differentiell-interferometrische Auswertungen multitemporaler SAR-Daten“ (Busch et al. 2007) erfolgten der Bau von insgesamt 13 CR in unterschiedlichen Größen und ihre Installation im Untersuchungsgebiet südlich von Leipzig, um Bodenbewegungen im Umfeld der Braunkohleförderung mit Hilfe unterschiedlicher Radarsensoren (C-, L- und X-Band) zu erfassen (bis 2011).

Im Rahmen des Projektes Detection of Reservoir Pressure related Surface Movements by Satellite Based Radar Interferometry in einem ländlich geprägten Untersuchungsgebiet wurden 9 für C-Band Radardaten optimierte CR als Objektpunkte und ein weiterer als Referenzpunkt für die Nutzung von 2006 bis 2010 bei Hoogstede in der Grafschaft Bentheim errichtet. Hier sollten Höhenänderungen der Geländeoberfläche im Zuge der Sekundärförderung von Kohlenwasserstoffen nachgewiesen werden. In dem sehr landwirtschaftlich geprägten Gebiet wären ohne CR mit C-Band Satellitendaten und der Radarinterferometrie keine Aussagen möglich gewesen. Neben der Bestimmung von Höhenänderungen erfolgten auch Untersuchungen zur Ermittlung der Genauigkeit der Messungen, sowohl durch die definierte Anhebung einiger Radarreflektoren als auch den Vergleich mit zeitgleich gemessenen Nivellementsdaten (Schäfer et al. 2008).

Der Bau von CR in verschiedenen Größen erfolgte ab 2006 im Rahmen verschiedener Projekte mit der Deutschen Steinkohle AG im Ruhrgebiet und dem Saarland.

Im Ruhrgebiet begann der Einsatz im Jahr 2006 mit 4 kleineren mobilen und 1 größerem fest installierten. Diese Aktivitäten wurden ab 2007 mit dem Bau und der Installation von 6 weiteren CR unterschiedlicher Größe für X-Band, C-Band und L-Band optimiert (Spreckels et al. 2008). Beispielhaft ist in der nebenstehenden Tabelle 1 das damals ermittelte Rückstreuverhalten für verschiedene Sensoren und CR zusammengestellt.

Im Saarland erfolgte für die Deutsche Steinkohle AG ab 2010 im Bergwerk Saar, Nordfeld, die Installation von 5 CR (optimiert für C-Band), siehe Abbildung 4.

Im Rahmen eines vom BMWi geförderten Projektes (Radarinterferometrische Überwachung von vertikalen Bodenbewegungen im Bereich der Emscher (Ruhrgebiet)) zur Nutzung von Daten des deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X sollten Bodenbewegungen infolge des Baus eines unterirdischen Emscher-Hauptabwasserkanals der Emschergenossenschaft/Lippeverband und durch Tunnelbaumaßnahmen an Nebenflüssen erfasst werden (2008 – 2009) (Knospe & Busch 2010). Da zusätzlich zu den TerraSAR-X -Daten auch Envisat-Daten (C-Band) aufgezeichnet wurden, wurden insgesamt 13 CR in drei verschiedenen Größen gebaut und im durch den Steinkohlenbergbau geprägten Gebiet installiert. Dadurch konnte auch in einem Versuchsfeld (siehe Abbildung 5) eine optimale Größe für TSX-Daten gefunden werden.

Das Ergebnis eines weiteren Versuches zur Bestimmung der Rückstreuintensitäten zeigt die nachfolgende Abbildung 6 (Knospe & Busch 2008). Die starken Anstiege für einige Pixel in der Abbildung erscheinen nach der Installation der CR in den ausgewerteten Pixeln; Werte vor der Installation der ACR sind für die Betrachtungen irrelevant und wurden deshalb aus der Darstellung entfernt. Ein weiteres Ergebnis dieses Versuches ist die Bestätigung der a priori Vermutung, dass die Reflektorumgebung einen deutlichen Einfluss auf zumindest die Rückstreuintensität besitzt. Bestätigt wird dies durch die verminderte Rückstreuintensität von CR 7 im Vergleich zu einigen kleineren CR. Der Einfluss überwuchernder Vegetation in der Aufnahme vom 19-07-2008 wird als reduzierte Rückstreuintensität deutlich (die Radarszenen sind kalibriert, demnach sollten identische Objekte in unterschiedlichen Szenen auch identische Rückstreuintensitäten aufweisen).

Nach einem Tagesbruch in einem Altbergbau-geprägten Kaliabbaugebiet südlich von Bernburg wurden 2011 in einem ländlich geprägten Untersuchungsgebiet (siehe Abbildung 7) insgesamt 11 Standorte für Corner-Reflektoren durch ca. 2 m hohe und gegründete Pfeiler eingerichtet und mit drei verschiedenen und für X-Band geeignete Radarreflektoren bestückt. Hierzu kamen neben einer Spezialanfertigung des IGMC testweise zwei kommerziell als Schiffszubehör angebotene Radarreflektoren zum Einsatz.

Der IGMC-Corner-Reflektor besitzt eine Basis-Kantenlänge von ca. 300 mm. Es handelt sich um eine Spezialanfertigung, die eine sichere Phasenmessung für radarinterferometrische Auswertungen erlaubt und bezüglich störender Umwelteinflüsse optimiert ist. Es wurden Verbindungsstücke zur Befestigung an einem Betonpfahl hergestellt und montiert. Die Bauart erlaubt ein horizontales Ausrichten auf die Einfallsrichtung der Radarstrahlung des TerraSAR-X Satelliten.

Der Oktaeder-Reflektor (nachfolgende Abbildung 9a) aus dem Schiffszubehör besitzt eine aus mehreren Aluminiumblechen zusammengesteckte Bauart, welche vor dem Einsatz für Phasenvergleichsmessungen erst stabilisiert bzw. ausgesteift werden musste. Ferner wurden Verbindungsstücke zur Befestigung an einem Betonpfahl hergestellt und montiert. Die Bauart erlaubt ein horizontales Ausrichten auf die Einfallsrichtung der Radarstrahlung des Satelliten.

Der zweite aus dem Schiffszubehör beschaffte Reflektortyp Echomax EM180 (siehe vorherige Abbildung 9b) besitzt eine kompakte Bauform mit Kunststoffhülle, deren innere Stabilität und exakte Ausrichtung der reflektierenden Segmente unbekannt ist und nicht beeinflusst werden kann. Mit Ausnahme der Montage einer stabilen Halterung wurden keine baulichen Veränderungen vorgenommen. Es wurden Verbindungsstücke zur Befestigung an einem Betonpfahl hergestellt und montiert. Die Bauart erlaubt nur bedingt ein horizontales Ausrichten auf die Einfallsrichtung der Radarstrahlung des Satelliten.

Die aus dem Schiffszubehör stammenden Reflektoren zeigten nur eine geringe oder keine Rückstreuintensität. Sie wurden deshalb nach einer kurzen Testzeit durch den IGMC-Typ ersetzt.

Im Rahmen des über zwei Jahre (2010 – 2011) laufenden NTH Bottom-Up Projektes „Radar-Based Spatial Monitoring“ (RaMon) wurde am Institut für Geotechnik und Markscheidewesen der TU Clausthal das Teilprojekt „Methodische Erweiterung der Persistent Scatterer Interferometry (PSI) für das Monitoring zeitlich variierender Höhenänderungen“ bearbeitet. Für die praktischen Untersuchungen wurden in einer Kavernenanlage zur Gasspeicherung südlich von Bernburg in Sachsen-Anhalt insgesamt acht für TSX-Daten optimierte CR installiert.

In dem über den Zeitraum 2012 – 2015 vom DLR geförderten Projekt MRP-SAREntwicklung einer Multi-Referenzpunkt-Netz-basierten Auswertemethode zur großräumigen Detektion von Bodenbewegungen mit Sentinel-1 und TerraSAR-X“ wurden zum Zweck der Anbindung an ein geodätisches Bezugssystem am IGMC gebaute Corner-Reflektoren (CR) an drei SAPOS-Standorten der Landesvermessung (siehe nachfolgende Abbildung) installiert und für die Auswertungen von TerraSAR-X-Daten nutzbar gemacht. Wegen ihrer stabilen Rückstreueigenschaften können diese CR bei der PSI-Auswertung als Punktziele detektiert werden und stehen damit auch als Referenzpunkte zur Verfügung. Sie können zudem quasikontinuierlich in ihrer 3D-Lage erfasst werden, weil der Vektor zum Phasenzentrum der GNSS-Antenne durch Messung bestimmt wurde. Eine Installation von für C-Band Daten gebauten CR erfolgte u.a. wegen Verzögerungen bei der Sentinel-1 Datenlieferung während der Projektlaufzeit nicht.

Für ein Projekt zur Überwachung eines Staudammes in Georgien baute in 2019 das IGMC im Auftrag des Geodätischen Institutes des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) insgesamt 6 CR. Die Corner-Reflektoren besitzen eine Kantenlänge von ca. 580 mm (Basislänge der pentagonalen Seitenfläche). Es handelt sich um eine Spezialanfertigung, die eine sichere Phasenmessung für radarinterferometrische Auswertungen von Daten derzeitiger X-Band- und C-Band-Satellitensensoren erlaubt und die bezüglich störenden Umwelteinflüsse optimiert ist. Die Bauart erlaubt die horizontale und vertikale Ausrichtung auf die Einfallsrichtung der Radarstrahlung eines Satelliten auf einem ausgewählten, für interferometrische Messungen geeigneten Orbit.

Nachdem Daten der Sentinel-1A und -1B – Satelliten kontinuierlich aufgezeichnet und kostenfrei zur Verfügung gestellt werden, haben deutsche Landesvermessungsämter ab 2018 eine Reihe für C-Band optimierte CR bestellt. Diese wurden in der Nähe bestehender SAPOS-Stationen für Aufgaben im Grundlagenvermessungsnetz installiert. Zur gemeinsamen Nutzung der Radardaten in Ascending und Descending Blickrichtung erfolgte zunehmend die Installation von zwei unterschiedlich ausgerichteten CR am Standort einer SAPOS-Station (siehe Abbildung 13).

Insgesamt wurden ca. 20 CR für die zuständigen Landesämter in Niedersachsen, Nordrhein-Westfalen, Berlin, Baden-Württemberg, Rheinland-Pfalz und Schleswig-Holstein gebaut und installiert.

Konstruktion der IGMC Corner Reflektoren

In der Vergangenheit übliche Corner Reflektoren bestehen im Wesentlichen aus drei aufeinander senkrecht stehenden Metallflächen (Tripelspiegel). Durch die dreifache Spiegelung wird die eintreffende Radarstrahlung zurück in die entgegengesetzte Richtung zum Radarsatelliten reflektiert.

Die am Institut entwickelten und hergestellten Corner Reflektoren besitzen fünfeckige (pentagonale) Grundflächen, die im Gegensatz zu den üblicherweise verwendeten dreieckigen (trihedralen) Flächen mehrere Vorzüge besitzen. So ist wegen der geringeren Baugröße ihr Gewicht bei gleichbleibender Radarrückstreuung um gut 33 % geringer und die CR sind weniger windanfällig. Zusätzlich wurde durch die Verwendung von Alu-Lochblech das Gewicht und die Windanfälligkeit nochmals reduziert. Als weiterer Vorteil zeigen die Reflektoren weniger unerwünschte Reflektionen mit dem Erdboden, da in den Ecken der normalen trihedralen CR die eintreffende Strahlung nur zweimal reflektiert wird und dann über eine dritte Reflektion mit dem Erdboden zum Satelliten zurückgeworfen wird. Die pentagonale Flächenform eines Reflektors wurde erstmals von Sarabandi & Chiu (1996) beschrieben, fand jedoch bisher meist wegen konstruktiver Probleme selten Verwendung.

Der erste Reflektor Prototyp wurde in 2005 gebaut und anschließend beim DLR in Oberpfaffenhofen im Rahmen einer Testbefliegung des flugzeuggetragenen Radarsystems E-SAR bei verschiedenen Wellenlängen getestet und seine Radarrückstreuung mit dortigen, bei dem DLR aufgestellten, Referenz-Reflektoren verglichen. Darauf aufbauend wurden dann die ersten 10 Reflektoren gebaut und im Südrum von Leipzig installiert.

Über die Jahre fand eine ständige Optimierung und Weiterentwicklung der Reflektoren statt, vor allem hinsichtlich ihrer Montierung, Stabilität und Gründung. Zur genauen Ausrichtung des Reflektors in Blickrichtung des Satelliten in Abhängigkeit von seinem Standort verfügt die Montierung der CR Einstellmöglichkeiten in der horizontalen Richtung (Azimuth) und des vertikalen Höhenwinkels (Elevation), die gegen unbefugte Veränderungen geschützt sind.

Für die in verschiedenen Wellenlängenbereichen operierenden Radarsatelliten (X-, C und L-Band) wurden im Laufe der Jahre zudem CR in unterschiedlichen Größen mit Kantenlängen von 15 cm bis hin zu fast 2 Metern entwickelt und getestet.

Ausgewählte Literatur

Busch, W., Schäfer, M., Walter, D. (2007): Monitoring vertical ground movement in the environment of an open pit mining area by satellite based Radar Interferometry. In: Proceedings International Society for Mine Surveying (ISM) XIII International Congress, Budapest, Hungary, 24. – 28. September 2007, Paper No. 116.

Knospe, S., Busch, W. (2008): InSAR Monitoring of Surface Deformation due to Tunneling of main Drainage-pipes in the Emscher Region with TerraSAR-X data. Session InSAR Applications, 3rd TerraSAR-X Science Team Meeting 25. – 26. November 2008, Oberpfaffenhofen.

Knospe, S., Busch, W. (2010): Radarinterferometry with TerraSAR-X data in the Ruhr area- Atmospheric error treatment with stacking and PSI. – In: Markscheidewesen 117, Heft 2010 1, S. 24 – 29.

Sarabandi & Chiu (1996): Optimum Corner Reflectors Design. Proc. IEEE National Radar Conference, Ann Arbor, Michigan, May 1996.

Schäfer, M., Schäfer, T., Busch, W. & Dietzel, H.-J. (2008): Verwendung von Radarsatellitendaten zur Detektion von Höhenänderungen über einer Erdöllagerstätte. − In: Erdöl Erdgas Kohle, 124. Jg., Heft 11, S. 477 – 481.

Schäfer, T., Schäfer, M., Busch, W., Dietzel, H.-J. (2008): Einsatz der differentiellen Radarinterferometrie zur Erfassung von Bodenbewegungen im Bereich einer Erdöllagerstätte im westlichen Emsland. In: Schriftenreihe des Institutes für Markscheidewesen und Geodäsie an der Technischen Universität Bergakademie, Heft 2008-1, S. 66 – 74, 9. Geokinematischer Tag, 8. – 9. Mai 2008, Freiberg.

Spreckels, V., Walter, D., Wegmüller, U., Deutschmann, J., Busch, W. (2008): Nutzung der Radarinterferometrie im Steinkohlenbergbau. AVN Allgemeine Vermessungs-Nachrichten 115, Heft 7, S. 253 – 261.