Einrichtung eines terrestrischen Testfelds zur Validierung von fernerkundlichen InSAR-Messverfahren für das Bodenbewegungs-Monitoring
Establishment of a Terrestrial Test Site for the Validation of Remote Sensing InSAR Measurement Methods for the Ground Motion Monitoring
Frank Knospe, Volker Spreckels, Martin Krückhans, Michael Schulz, Florian Schäfer, Jürgen Rüffer
Die Stadt Essen ist durch unterschiedliche Einflüsse mit Bodenbewegungen konfrontiert. Neben den im Ruhrgebiet typischen bergbaulichen und nachbergbaulichen Einwirkungen sind auch andere Einflüsse, wie klimatische Änderungen oder großflächige Baumaßnahmen für Bodenbewegungen, ursächlich. Vor dem Hintergrund der Instandhaltung und des verkehrssicheren Betriebs öffentlicher Infrastruktur haben seitens der Eigentümerschaft Maßnahmen zu erfolgen, um Bodenbewegungen zuverlässig und effizient zu identifizieren, bevor diese Schadenspotenziale entfalten. Aus dieser Verantwortung heraus ist die Stadt Essen mit der Herausforderung konfrontiert, rund 1500 Objekte und Bauwerke im Stadtgebiet hinsichtlich Bodenbewegungen zu überwachen. Die Verwendung klassischer vermessungstechnischer Überwachungsmethoden, wie der nivellitischen Beweissicherung, ist aufgrund der erheblichen Aufwände bei der Anzahl der Objekte nicht wirtschaftlich. Die Stadt Essen ist seit 2018 u. a. mit der RAG Aktiengesellschaft (RAG) an der Erprobung und Weiterentwicklung entsprechender alternativer Sensortechniken zur Identifikation von Bodenbewegungen beteiligt. Im Jahr 2021 wurde ein Testfeld für InSAR-, GNSS- und terrestrische Messverfahren (Tachymetrie, Präzisionsnivellement) auf dem Gelände der Wassergewinnung in Essen errichtet. Das Ziel ist die Überprüfung der Nutzbarkeit von X-Band- und C-Band-Radardaten. Seit der Einrichtung des Testfelds konnten unterschiedliche terrestrische und fernerkundliche Messverfahren für die Ermittlung von Bodenbewegungen gegenübergestellt und validiert werden. Kern der Untersuchungen sind die folgenden im Testfeld installierten Systeme: Feste und verstellbare GNSS-Stationen, Cornerreflektoren (CR), Doppel-Cornerreflektoren (DCR) sowie im Jahr 2024 noch ein zu installierender Triple-Cornerreflektor (TriCR). Diese Systeme sind auf dem nicht öffentlich zugänglichen Gelände so stationiert, dass äußere Einflüsse, wie Verkehr, Personen, Witterung und Vandalismus, minimiert werden. In diesem Beitrag wird eine erste Gegenüberstellung von terrestrischen Messungen zu GNSS- und InSAR-Auswertungen vorgestellt. Konkret liegen aus den oben genannten Systemen erste, sich überdeckende Zeitreihen der verwendeten Messmethoden vor, mit denen, soweit den Autoren bekannt, weltweit erstmalig die Validierung von X- und C-Band-InSAR-Auswertungen aus Ascending und Descending Orbits von Radar-Satellitendaten durchgeführt wurde. Für die Überprüfung der Zuverlässigkeit von unterschiedlichen eigenen, auf InSAR basierenden Auswertungen, wie z. B. /BIMSAR 2021/ oder für vergleichende Bodenbewegungserfassungen zu frei verfügbaren Diensten, wie dem European Ground Motion Service /EGMS 2020/ und dem BodenBewegungsdienst Deutschland / BBD 2019/ oder dem / Bodenbewegungskataster NRW/ von Geobasis NRW, sind aus Sicht der Autoren Validierungs-GNSS-DCR/TriCR und Zeitreihen aus unabhängigen Messverfahren erforderlich.
Besides the commonly known mining and post-mining influences in the Ruhr Area, the city of Essen has to deal with additional effects to the earth surface and infrastructure, due to e. g. climate changes or caused by large area construction means. Regarding the aspects of maintenance and traffic safety obligations, reliable and efficient means must be established to identify ground motion areas long before they reach a harmful damage potential. The city of Essen is involved in the technical experimentation and further development of diverse sensor techniques like local sensors in buildings or mobile mapping systems for linear structures. In 2018 the city of Essen and RAG Aktiengesellschaft (RAG) started a joint project and in 2021 established a test field on the municipal water supply area in Essen for area-wide-InSAR-analysis, GNSS- and terrestrial measuring methods (tacheometry, precision levelling), specially designed for X-band and C-band radar data. Here, diverse different terrestrial and remote sensing measurement methods can now be used to validate each other and their common potential to detect ground motion. The basis for the evaluation is given by different static and manually movable GNSS-stations, corner-reflectors (CR), double corner-reflectors (DCR) as well as a Triple-Corner Reflector to be installed in 2024. These are installed on this non-public property in a way that external influences like road traffic, people, weather and even vandalism are minimized. Currently, first time series for the sensors are available with a short common overlap that now can be used for, as far as the authors know, world-wide first-time validation of X- and C-Band InSAR analysis from ascending and descending orbit radar-satellite data. To verify the reliability of varied own or third party InSAR-based analyses like e. g. / BIMSAR 2021/, or for comparing these to the services of the free available analyses of the European Ground Motion Service /EGMS 2020/, BodenBewegungsdienst Deutschland /BBD 2019/ or the /Bodenbewegungskataster NRW/ from Geobasis NRW, in the opinion of the authors, a new type of “Validation-GNSS-DCR/TriCR” in combination with time series from corresponding independent measurement methods is absolutely necessary.
Schlüsselwörter: Monitoring, Bodenbewegungen, GNSS, InSAR, Validierung, Cornerreflektoren
Keywords: Monitoring, ground motion, GNSS, InSAR, validation, corner-reflector, CR
DOI: 10.14627/avn.2024.4.3
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