MultiSAR

Flächendeckendes Monitoring bergbaubedingter Höhenänderungen durch kombinierte Nutzung multisensoraler Radardaten und interferometrischer Auswerteverfahren

AiF-Vorhaben Nr. 15880 N

Projektbeschreibung

Motivation

Zur Gewinnung von Braunkohle muss in der Regel eine Absenkung des Grundwasserspiegels herbeigeführt werden, um die Arbeitssohlen des Tagebaus wasserfrei zu halten. Dies führt zu Höhenänderungen an der Tagesoberfläche aufgrund von Druckänderungen in den Grundwasserleitenden Schichten. Auch in vielen anderen Bereichen der Rohstoffgewinnung kommt es zu bergbaubedingten Höhenänderungen. Demgegenüber kommt es nach Einstellung der Wasserhaltungsmaßnahmen, z. B. im Zuge der Renaturierung aufgelassener Tagebaue, zu einem Wiederanstieg des Grundwassers, wodurch sich die Tagesoberfläche durch das Aufschwimmen der grundwasserleitenden Sedimentschichten wieder hebt. Die so hervorgerufenen Verformungen der Tagesoberfläche können zu einer Gefährdung von Gebäuden und Infrastruktureinrichtungen führen. Dies erfordert eine quasi-kontinuierliche Kontrolle, um die Auswirkungen auf die Tagesoberfläche möglichst genau und zeitnah zu erfassen. Hinzu kommt, dass die Bergbauindustrie zunehmend mit Umweltschutzfragen und Umweltauflagen konfrontiert wird, die eine Berücksichtigung und den Schutz von Flächen und Landschaftsräumen erfordern, die sich im potentiellen Einflussbereich ihrer Aktivitäten befinden. Damit kommt der Erfassung auftretender Veränderungen an der Tagesoberfläche eine wichtige Bedeutung zu.

Projektziele

In dem Forschungsvorhaben MultiSAR sollen die Daten der drei Radarsatelliten ENVISAT, ALOS und TerraSAR-X (C-, L- und X-Bandbereich des elektromagnetischen Spektrums) sowie zwei verschiedene Auswertemethoden (Differentielle Radarinterferometrie und Persistent Scatterer Interferometry) erstmalig kombiniert verwendet werden, um die jeweiligen Vorteile für eine möglichst flächendeckende Aussage über Höhenänderungen zu nutzen. Die integrierte Nutzung soll mit Hilfe eines neu zu entwickelnden GIS-basierten Auswertetools erfolgen, das sowohl eine zeitliche Analyse der Höhenänderungen von Einzelpunkten und der Geländeoberfläche, als auch eine Genauigkeitsanalyse durch den Vergleich mit geodätisch ermittelten Höhenänderungen ermöglichen soll. Für dieses Ziel wurden insgesamt 13 Radarreflektoren (sogenannte Corner Reflektoren) entwickelt, am Institut gebaut und im Untersuchungsgebiet errichtet (weitere Informationen hierzu finden Sie auf einer extra Seite).

Übergeordnetes Ziel dieses Vorhabens ist die Weiterentwicklung der differentiellen Radarinterferometrie zu einem anwendungsreifen Messverfahren, das die bekannten geodätischen Verfahren ergänzen und teilweise ersetzen wird, um die Wirtschaftlichkeit bei der Erfassung großflächiger Bodenbewegungen zu erhöhen.

Weitergehende Nutzung der Projektergebnisse

Die geplante Auswertung von Radardaten soll die Überwachung flächendeckender Höhenänderungen in Folge veränderter Wasserhaltung im Bereich von Braunkohlenbergbaugebieten ermöglichen. Anwendungsgebiete finden sich unter anderem auch im Rheinland, in Mitteldeutschland und in der Lausitz, sowie in anderen Braunkohlenrevieren weltweit. Informationen über Höhenänderungen der Tagesoberfläche werden jedoch nicht nur im Bereich der Braunkohlenindustrie benötigt. Darüber hinaus existieren viele weitere Einsatzmöglichkeiten, wie zum Beispiel

  • bei dem untertägigen Abbau von Rohstoffen (Steinkohle, Kali und Salz, Erze),
  • der Steine- und Erdenindustrie, wenn eine Absenkung des Grundwassers erforderlich ist,
  • bei der Förderung von Gas und Öl auf dem Festland,
  • im Umfeld von unterirdischen Erdöl-/Erdgas-Speichern,
  • bei der Erfassung von Senkungen in städtischen Gebieten, hervorgerufen durch natürliche Einflüsse (z. B. Venedig) oder durch Grundwasserentzug (z. B. New Orleans, Mexiko City, Bangkok), sowie
  • zur Überwachung von Infrastruktureinrichtungen, die durch geogene Risiken (Hangrutschungen, Erdbeben, Vulkanausbrüche) gefährdet sein könnten
     
  • u.v.w.m.

Untersuchungsgebiet

Das ausgewählte Untersuchungsgebiet im Südraum Leipzig ist für das Projekt von besonderem Interesse, da hier kleinräumig unterschiedliche Prozesse auftreten. Dies beinhaltet sowohl Absenkungen der Tagesoberfläche durch Sümpfungsmaßnahmen im Umfeld aktiver Tagebaue, als auch mögliche Hebungen der Geländeoberfläche durch die Flutung von Tagebaurestseen und dem damit verbundenen Wiederanstieg des Grundwassers aufgrund eingestellter Wasserhebung. Diese Situation ist typisch für viele Braunkohlenreviere, wo aktive und geplante Abbauflächen oftmals in enger räumlicher Nachbarschaft zu stillgelegten Tagebauflächen liegen, in deren Bereich die Wasserentnahme eingestellt wird und Flutungen sanierter Tagebaurestlöcher durchgeführt werden.

Beispielhaft hierfür ist im Südraum Leipzig die räumliche Verzahnung von Betriebsflächen der Mitteldeutsche Braunkohlengesellschaft mbH (MIBRAG) und Stilllegungsflächen der Lausitzer und Mitteldeutschen Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV) auf einer Fläche von ca. 400 km2. Die MIBRAG betreibt beidseitig der Weißen Elster die Tagebaue Profen und Vereinigtes Schleenhain (siehe Karte). Dazu gehören die aktiv geschütteten Halden und Kippen, auf denen das abgeräumte Deckschichtmaterial gelagert wird. In direkter Nachbarschaft der aktiven Tagebaue befinden sich zahlreiche stillgelegte Tagebaue und aufgelassene Tagebaurestlöcher, die von der LMBV im Rahmen ihrer Aufgaben saniert und rekultiviert werden.

Aufgrund der Projektkonstellation wird es ermöglicht, die entwickelten Konzepte und Methoden in einem realen Untersuchungsgebiet zu erproben. Ein wichtiger Aspekt dabei ist der Vergleich mit Referenzdaten sein. Daher erfolgen die Auswertungen in enger Abstimmung mit den Braunkohlefirmen im Leipziger Tagebaurevier. Dadurch ist es möglich, einerseits auf die vorhandenen Referenzdaten aus terrestrischen Vermessungen (sowie weiterer Fernerkundungsdaten) zurückzugreifen und andererseits zusätzliche Referenzdatenerhebungen für das Vorhaben durchführen zu lassen.

Projektbegleitender Ausschuss

Mitglieder aus der Wirtschaft

Sonstige Mitglieder

Forschungsvereinigung

Forschungsstelle

  • TU Clausthal, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation, Clausthal-Zellerfeld (jetzt: Institute of Geo-Engineering, IGE)
    http://www.igmc.tu-clausthal.de

Publikationen

SCHÄFER, M. (2012): Atmosphäre als Phasenbestandteil der differentiellen Radarinterferometrie und ihr Einfluss auf die Messung von Höhenänderungen. – Dissertation, TU Clausthal, 125 S., Clausthal-Zellerfeld.

SCHÄFER, M., HANNEMANN, W. & BUSCH, W. (2012): Flächenhaftes Monitoring durch kombinierte Nutzung multisensoraler Radardaten. – In: GeoMonitoring 2012, S. 145-161, 08.-09.03.2012, Braunschweig.

KNOSPE, S., HEBEL, H.-P., SCHÄFER, M., SCHÄFER, T., WALTER, D. & BUSCH, W. (2011): Die Anwendung der satellitengestützten Radarinterferometrie zur großräumigen Erfassung von Höhenänderungen. – In: BUSCH, W., NIEMEIER, W. & SÖRGEL, U. (Hrsg.): Geo-Monitoring Tagung 2011 – Ein Paradigmenwechsel zur Beherrschung von Georisiken, S. 73-90, 03.-04.03.2011, Clausthal-Zellerfeld.

SCHÄFER, M., HANNEMANN, W. & BUSCH, W. (2011): Mining related ground movement detection by combination of multi-temporal and multi-sensoral DInSAR and PSI analyses. – 4. TerraSAR-X Science Team Meeting, 14.-16.02.2011, Oberpfaffenhofen.

Hannemann, W., Brock, T. & Busch, W. (2011): GIS for combined storage and analysis of data from terrestrial and synthetic aperture radar remote sensing deformation measurements in hard coal mining. – In: International Journal of Coal Geology, 86 (2011), Issue 1, S. 54-57.

SCHÄFER, M. & HANNEMANN, W. (2010): Atmospheric phase shift identification for individual dates based on multi-reference DInSAR or PSI data. – In: Proc. of ESA Living Planet Symposium, 8 S., 28.06.-02.07.2010, Bergen, Norwegen.

SCHÄFER, M., HANNEMANN, W. & BUSCH, W. (2009): Flächendeckendes Monitoring bergbaubedingter Höhenänderungen durch kombinierte Nutzung multisensoraler Radardaten und interferometrischer Auswerteverfahren. – Posterpräsentation anlässlich der Tagung Energie und Rohstoffe 2009, 09.-12.09.2009, Goslar.

Projektlogo MultiSAR

Laufzeit

1. Dezember 2008 - 31. Oktober 2011

Förderhinweis

Das IGF-Vorhaben Nr. 15880 N der Forschungsvereinigung Forschungsgemeinschaft Deutsche Braunkohlen-Industrie e.V. (FDBI) wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

Schlussbericht

Der Schlussbericht ist für die interessierte Öffentlichkeit in der Bundesrepublik Deutschland auf Anfrage von der Forschungsstelle erhältlich.