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Der Erde in 3D ein großes Stück näher

erstellt von rduechting zuletzt verändert: 24.01.2012 13:40

Nach einem Jahr hat der deutsche Erdbeobachtungssatellit TanDEM-X zusammen mit seinem Zwillingssatelliten TerraSAR-X die Landflächen der Erde zum ersten Mal komplett abgebildet. Aus der Datenbasis entsteht das weltweit erste einheitliche, hochpräzise und digitale Höhenmodell der Erde in 3D. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) steuert beide Radarsatelliten, erzeugt das Höhenmodell und ist für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten verantwortlich.

Island wurde wegen seiner Lage nördlich des 60. Breitengrades nicht von der SRTM-Mission im Jahre 2000 erfasst und damit erstmals mit TanDEM-X aus dem Weltraum vermessen (Grafik: DLR).Es erinnert an eine Kür auf dem Eis: Seit einem Jahr bewegen sich die beiden deutschen Radarsatelliten TanDEM-X und TerraSAR-X nur wenige hundert Meter voneinander entfernt in enger Formation im All. Stück für Stück nehmen sie die Erde aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf und senden hochauflösende Radardaten aus ihrer Umlaufbahn in 514 Kilometern Höhe zu den drei Bodenstationen in Kiruna (Schweden), Inuvik (Kanada) und O’Higgins am Südpolarkreis. "Die Mission läuft besser als erwartet, es gab keine Aussetzer im Formationsflug der beiden Satelliten, die Sicherheitsmechanismen funktionieren robust und stabil", freut sich Manfred Zink, Projektleiter für das TanDEM-X-Bodensegment beim DLR. Im Lauf des Jahres 2011 wurde der Abstand immer weiter bis auf die minimal zulässigen 150 Meter verkleinert.

Die Satelliten-Mission ist bislang weltweit einzigartig und auch für erfahrene Ingenieure hochkomplex. "Nach dem Start von TanDEM-X am 21. Juni 2010 folgte eine sechsmonatige Testphase, in der wir den Satelliten und sein Verhalten in der erdnahen Umlaufbahn umfassend überprüft und kalibriert haben", erinnert sich DLR-Wissenschaftler Zink. In dieser Zeit begann auch der Formationsflug mit dem 2007 gestarteten baugleichen Partnersatelliten TerraSAR-X. Am 14. Dezember 2010 konnte dann der operationelle Betrieb, also das eigentliche Sammeln der Daten für das hochgenaue Höhenmodell, starten.

Dabei wird ein Gebiet - ähnlich dem räumlichen Sehen - von zwei unterschiedlichen Punkten aus per Radar abgebildet. "Die Erzeugung genauer Höhendaten erfordert eine präzise Abstimmung der beiden Satelliten aufeinander", erklärt Gerhard Krieger, leitender Systemingenieur der TanDEM-X-Mission. Unterschiede, zum Beispiel in den Kabellängen der beiden Radarinstrumente, aber auch der Abstand zwischen den beiden Satelliten, müssen präzise kalibriert werden. "Eine gewaltige Herausforderung, wenn man bedenkt, dass ein Millimeter Abweichung einen Höhenfehler von einem Meter verursacht", verdeutlicht Krieger.

Ein Jahr nach Beginn der operationellen Phase von TanDEM-X wurde ein Großteil der Daten zu Höhenmodellen verarbeitet (Grafik: DLR).

Ein Jahr nach Beginn der operationellen Phase hat TanDEM-X sämtliche Landoberflächen der Erde mit Ausnahme der Antarktis vollständig abgebildet. Der Großteil der Daten wurde auch schon zu Höhenmodellen verarbeitet. Entsprechend der Farbskala erfüllen grün eingefärbte Bereiche bereits mit einer Aufnahme die Genauigkeitsanforderung von zwei Metern. Gelblich markierte Gebiete müssen ein zweites Mal aufgenommen werden, rötliche Flächen erfordern darüber hinaus Aufnahme aus unterschiedlicher Blickrichtung. Grau markierte Streifen sind schon aufgenommen, müssen aber noch verarbeitet werden (Grafik: DLR).


Die Aufnahme-Streifen der beiden Radarsatelliten werden zu 50 mal 30 Kilometer großen Höhenmodellen verarbeitet. Aufgrund der hochgenauen Kalibrierung des Satellitenpärchens haben diese "Basisdaten", die am Schluss zu einer globalen dreidimensionalen Karte zusammengesetzt werden, schon jetzt eine sehr gute Qualität. TanDEM-X und TerraSAR-X sollen bis Mitte 2013 die komplette Landoberfläche der Erde, also rund 150 Millionen Quadratkilometer, mehrfach vollständig erfassen. Entstehen soll ein globales, homogenes, dreidimensionales und hochgenaues Höhenmodell, das für kommerzielle und wissenschaftliche Zwecke gleichermaßen interessant ist.

Datenqualität abhängig von Bodenreflektion

Ursprünglich waren mindestens zwei vollständige Abdeckungen vorgesehen. Für einzelne Teile der Erdoberfläche, beispielsweise den Großteil Australiens, hat das Satelliten-Duo aber schon jetzt, nach dem ersten Überflug, Daten mit ausreichender Qualität aufgenommen. "Die Genauigkeit hängt davon ab, wie gut der Boden die Radarpulse reflektiert, die von den Satelliten ausgesendet und wieder empfangen werden", sagt DLR-Wissenschaftler Manfred Zink. Die Sahara beispielsweise sei schwieriger zu erfassen, da dort das Signal im wahrsten Sinne des Wortes "versandet". Auch Gebiete mit dichter Vegetation, zum Beispiel Regenwälder, erfordern zusätzliche Aufnahmen mit speziell angepasstem Satellitenabstand. "Es werden ein paar weiße Flecken bleiben, doch wir wollen die Lücken natürlich minimieren", wirft Zink einen Blick auf die kommenden Monate.

"Wir wollen das System Erde besser verstehen und verwenden die Daten zum Beispiel für die Klimaforschung oder die Verkehrsforschung", berichtet Irena Hajnsek, wissenschaftliche TanDEM-X-Koordinatorin. 2011 hat die Wissenschaftlerin 166 beim DLR eingereichten Forschungsanträgen "grünes Licht" gegeben: "Die meisten stammen aus den USA und aus Deutschland. Die TanDEM-X-Fähigkeiten sollen für Fragen der Landschaftsnutzung und Vegetation, der Hydrologie, Geologie oder auch Glaziologie genutzt werden", verdeutlicht Irena Hajnsek. Die Erdbeobachtungssatelliten können also auch Informationen zur Schneehöhe oder zur Veränderung der Eismassen an den Polen oder geologische Karten aus Vulkanregionen und Erdbebengebieten generieren. Die Geschwindigkeit von Schiffen oder Fahrzeugen im Straßenverkehr kann ebenso dokumentiert werden wie Veränderungen in der Natur. Auch für die Landwirtschaft ist die Arbeit der beiden Radarsatelliten wertvoll: "Anhand der Höhe und der Struktur einer Pflanze, beispielsweise Raps, können zum Beispiel Rückschlüsse auf die Qualität und die Biomasse dieser Pflanze gezogen werden", sagt DLR-Wissenschaftlerin Hajnsek.


Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Januar 2012