Erdbeobachtung per Radar

Die deutschen Satellitenmissionen TerraSAR-X und TanDEM-X prägen seit 2007 und 2010 die inter­nationale Forschungs­land­schaft mit einzig­artigen Erdbeob­achtungs­daten. Wissen­schaft­liche Nutzer aus der ganzen Welt sind am Deutschen Zentrum für Luft- und Raum­fahrt in Ober­pfaffen­hofen zusammen­gekommen, um im Rahmen des „TerraSAR-X und TanDEM-X Science Meetings“ die aus den Daten gewon­nenen Ergeb­nisse auszu­tauschen und Anfor­derungen an künftige Fern­erkundungs­techno­logien zu formu­lieren. In etwa zwei­hundert Präsen­ta­tionen offen­bart sich vom 17. bis 20. Oktober der aktuelle Stand der Forschung – in den Bereichen Glazio­logie, Hydro­logie, Perma­frost, Meereis, Hang­rutschung, Land­wirt­schaft, Wald, Vulkano­logie, Küsten und Ozeane, Geo­risiken und Methoden zur Erstellung digitaler Gelände­modelle.

Radarsensoren haben für die Erdbeobachtung besondere Bedeutung, da sie unabhängig vom Wetter und zu jeder Tages- oder Nach­tzeit Aufnahmen liefern. Vom Weltall aus können sie große Gebiete, mehr als hundert Kilometer lang, erfassen. Die zivilen Radar­satel­liten TerraSAR-X und TanDEM-X haben die Erde zudem hoch­genau vermessen – entscheidend für die wissen­schaft­liche Verwert­barkeit der Daten. Die Satelliten befinden sich aktuell noch im Betrieb und könnten noch mehrere Jahre für die Forschung genutzt werden. „Inter­nationale Forschungs­ein­richungen und Organi­sationen verwenden die bis­herigen Daten, um beispiels­weise Natur­gefahren wie Erdbeben, Vulkan­aus­brüche und Tsunamis zu analy­sieren. Je genauer Einfluss­faktoren und Zusammen­hänge bekannt sind, umso gezielter können im Anschluss auch Strategien und Maßnahmen entwickelt werden, Krisen­fällen vorzu­beugen oder besser zu bewältigen“, erklärt Achim Roth vom DLR.

Der Blick aus dem All kann auch sehr genaue Auskünfte über die Verän­derungen von Gletschern und Eis­schilden geben. Einen wahren Daten­schatz liefert hier das neue TanDEM-X-Höhen­modell – noch nie zuvor wurden Grön­land und die Antarktis umfassend und mit so hoher Genauig­keit vermessen. Die Eis­massen waren aus wissen­schaft­licher Sicht bisher weiße Flecken auf der Welt­karte. Die Polar­regionen sind für Radar­auf­nahmen mit Höchst­schwierig­keiten verbunden. Glatte Schnee­ober­flächen weisen keine markanten Referenz­punkte auf zur Über­lagerung mehrerer Aufnahmen. Eine ungenaue Zuordnung der Bild­punkte führt jedoch zu Bild­rauschen. „Durch eine ausge­klügelte Daten­ver­arbeitung am Boden und die präzise Kali­brierung des Radar­instru­ments können wir die Bewegung von Gletscher mit Zenti­meter­genauig­keit beziehungs­weise die Höhen­ver­änderungen aufgrund der Eis­schmelze mit Meter­genauig­keit bestimmen“, so Irena Hajnsek vom DLR-Institut für Hoch­frequenz­technik und Radar­systeme.

TerraSAR-X und TanDEM-X haben mit dem erfolgreichen Betrieb der Satelliten im Forma­tions­flug sowie der heraus­ragenden Qualität der Daten einen Meil­enstein in der Erdbeob­achtung gesetzt. In Erweiterung des deutschen Radar­satelliten­programms strebt das DLR ein Nach­folge­system „High Reso­lution Wide Swath“ an, um die Konti­nuität der Erdbeob­achtung im bewährten X-Band Frequenz­bereich sicher­zu­stellen. Der Start von HRWS ist für 2022 geplant. Ein neuartiges Erd­beob­achtungs­system erarbeitet das DLR außerdem intensiv im Rahmen des Missions­vor­schlags Tandem-L.

Ziel der hochinnovativen Radarmission Tandem-L ist es, wichtige Umwelt- und Klima­para­meter global und in hoher zeit­licher Auflösung zu erfassen: Alle acht Tage sollen zwei Radar­satelliten die Land­masse der Erde drei­dimen­sional abbilden. Dadurch können dyna­mische Prozesse der Erde zeitge­recht und syste­matisch erfasst werden. Erdbeben­forscher und Risiko­analysten wären in der Lage Defor­ma­tionen der Erd­ober­fläche milli­meter­genau zu verfolgen. Gletscher­bewegungen und Schmelz­prozesse in den Polar­regionen könnten regel­mäßig und dadurch noch genauer ermittelt werden. Die Erdbeob­achtungs­daten der drei Radar­systeme sollen sich komple­mentär ergänzen.

Im Vergleich zu den beiden aktuellen Missionen wird Tandem-L mit einer längeren Wellen­länge betrieben. Mit der Wellen­länge von rund 24 Zenti­meter kann die Vege­tation durch­drungen werden, so dass die Flächen­struk­turen des Unter­grunds sichtbar werden. Dank neuer Techno­logien und Aufnahme­verfahren, wie der polari­metrischen SAR-Inter­fero­metrie, kann auch ein Wald drei­dimen­sional kartiert werden. Hieraus werden dann die Wald­höhen berechnet und die Biomasse indirekt abge­schätzt – auf globaler Ebene ist dies bisher nicht möglich.

DLR / RK