Genauer 3D-Blick auf die Erde

Die neue drei­dimensionale Karte der Erde ist fertig. Metergenau zeigen sich jetzt die Berggipfel und Talebenen der ganzen Welt auf einen Blick. Im Rahmen der Satelliten­mission TanDEM-X ist ein globales Höhen­modell entstanden, das im Vergleich zu anderen globalen Daten­sätzen unüber­troffen genau ist und auf einer einheit­lichen Datenbasis beruht. Die rund 150 Millionen Quadrat­kilometer Land­oberfläche wurden aus dem All von Radar­sensoren abgetastet. „TanDEM-X hat ein neues Kapitel in der Fern­erkundung aufgeschlagen. Die Technologie zum Radarbetrieb von zwei Satelliten im engen Formations­flug ist nach wie vor einzigartig – und war der Schlüssel für die hochgenaue Neuver­messung der Erde. Damit hat das DLR seine Vorreiter­rolle unter Beweis gestellt und die Voraus­setzungen für den nächsten großen Entwicklungs­schritt in der satelliten­gestützten Erd­beobachtung geschaffen - für die angestrebte Radarmission Tandem-L“, sagt Pascale Ehrenfreund, Vorstands­vorsitzende des Deutschen Zentrums für Luft-und Raumfahrt DLR.

Mehr als 1.000 Wissen­schaftler weltweit nutzen bereits die Daten der Mission. „Mit der Fertig­stellung des globalen TanDEM-X Höhen­modells erwarten wir nochmal eine deutliche Steigerung des wissen­schaftlichen Interesses. Genaue topo­graphische Daten sind essentiell für sämtliche geowissen­schaftliche Anwen­dungen“, so Alberto Moreira, leitender Wissen­schaftler der TanDEM-X-Mission und Direktor des DLR-Instituts für Hochfrequenz­technik und Radar­systeme. Die Anwendungs­möglichkeiten des einzig­artigen Daten­satzes reichen von der Klima-und Umwelt­forschung über das Vermessungs­wesen bis hin zur Infra­struktur­planung beim Stadt- und Straßenbau.

Die Qualität des globalen Höhen­modells übertrifft alle Erwar­tungen: ein Meter beträgt die Höhen­genauigkeit der Gelände­karte – eine Größen­ordnung besser als die geforderten zehn Meter. Dies ist ein Ergebnis der hervor­ragenden Kali­brierung des Systems. So wurde etwa der Abstand der beiden Satelliten im Formations­flug milimetergenau bestimmt. Unerreicht ist auch die globale Abdeckung durch TanDEM-X – sämtliche Land­flächen wurden mehrfach aufgenommen und zu Höhen­modellen verarbeitet. Die Fern­erkundungs­spezialisten des DLR haben dabei eine digitale Weltkarte erstellt, die sich aus über 450.000 Einzel­modellen Pixel um Pixel höhen­genau zusammen­setzt – ein 3D-Mosaik der besonderen Art.

Mit dieser Mission wurde in vielen Bereichen Neuland betreten. Der enge Formationsflug der beiden Satelliten bei Minimal­abständen von 120 Meter ist ebenso zur Routine geworden wie die viel­fältigen Manöver, um die Formation laufend zu verändern und den Anforderungen an die Aufnahme­geometrie anzupassen. Ähnliches gilt für den bistatischen Radar­betrieb: Die simultane Daten­aufnahme mit zwei Radar­satelliten war anfangs eine große Heraus­forderung aber Notwendigkeit, um die hohe Genauigkeit der Höhen­modelle sicher­zustellen. Das DLR ist nun weltweit Vorreiter für diese zukunfts­weisende Technik.

Zwischen Januar 2010 und Dezember 2015 haben die Radar­satelliten über das weltweite Empfangs­netz mehr als 500 Terabyte Daten zur Erde übertragen. Parallel dazu begann 2014 die syste­matische Erstellung der Höhen­modelle. Ausgeklügelte Prozessierungs­ketten verarbeiten die Daten mittels hoch­genauer und effi­zienter Algo­rithmen zu den finalen Höhen­modellen. Dabei ist das Daten­volumen inzwischen auf insgesamt über 2,6 Petabyte gestiegen – die Rechner­systeme erbringen stetig Höchst­leistungen. „Die Verar­beitung dieser Daten war eine spannende Heraus­forderung für uns“, erklärt Richard Bamler, Direktor des DLR-Instituts für Methodik der Fern­erkundung, „Umso mehr faszinieren uns jedoch nun unsere ersten wissen­schaftlichen Analyse­ergebnisse. Anhand des aktuellen Höhen­modells konnten wir zeigen, dass in einigen Regionen der Erde, Gletscher bis zu 30 Meter pro Jahr an Dicke im Bereich der Gletscher­zungen verlieren.“

Die Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X haben ihre spezifizierte Lebens­dauer längst über­schritten und funk­tionieren bis heute einwandfrei und so effizient, dass sie noch Treibstoff für mehrere Jahre haben. So ist mit der Fertig­stellung der 3D-Weltkarte noch nicht das Ende der Mission erreicht. Aufgrund der Besonder­heit des Formations­flugs sind weitere wissen­schaftliche Experimente geplant. Moreira weist darauf hin: „Das System Erde ist hochdynamisch, das zeigt sich auch in der Topo­graphie. Mit regel­mäßigen Updates könnten wir solche dynamischen Prozesse künftig systematisch erfassen. Das ist das primäre Ziel der von uns vorge­schlagenen Tandem-L Mission.“

Neue Radar­verfahren mit synthe­tischer Apertur (SAR) erlauben es künftig, innerhalb kurzer Zeit­spannen zeitgleich viel­fältige Daten zur Er­forschung des globalen Öko­systems zu liefern. Die Nachfolge­mission Tandem-L könnte alle acht Tage ein aktuelles Höhenbild der gesamten Landmasse der Erde zur Verfügung stellen und dynamische Prozesse somit zeitgerecht erfassen. Dadurch wäre es auch möglich, Beiträge zur Über­prüfung inter­nationaler Klima- und Umwelt­abkommen zu leisten. Neue Radar­verfahren und innovative Missionen wie Tandem-L sollen künftig dazu beitragen ein besseres Verständnis der dyna­mischen Prozesse zu gewinnen – zum Schutz und Erhalt der Erde. Mit der Fertig­stellung des globalen Höhen­modells TanDEM-X ist nun der Weg bereitet für die nächste Dimension der Radar­fernerkundung.

DLR / JOL