Wissenschaft & Forschung

Städten beim Wachsen zusehen

Drei Millionen Messpunkte pro Quadratkilometer: Prof. Xiaoxiang Zhu hat mit ihrem Team einen Weltrekord bei der Auswertung von Satellitendaten aufgestellt.

Die vierdimensionale Punktwolke von Las Vegas. Bild: TUM

Dank neuer Algorithmen konnten die Forscher der Technischen Universität München (TUM) aus den Messwerten des Radarsatelliten TerraSAR-X vierdimensionale Punktwolken von Berlin, Las Vegas, Paris und Washington, D.C. erstellen. Im nächsten Schritt wollen die Wissenschaftler alle Städte der Welt abbilden.

Weltweit wachsen die Metropolen. Nach Schätzungen der Vereinten Nationen lebt bereits heute gut die Hälfte der Erdbevölkerung in Städten, 2050 sollen es zwei Drittel sein. Dieses Wachstum stelle hohe Anforderungen an die Sicherheit von Gebäuden und Infrastruktur, weil Schäden Menschenleben bedrohen könnten, sagt Xiaoxiang Zhu, Professorin für Signalverarbeitung in der Erdbeobachtung an der TUM.

Gemeinsam mit ihrem Team hat sie ein Verfahren entwickelt, mit dem sich potentielle Gefahren frühzeitig erkennen lassen: Beispielsweise könnten Senkungen des Untergrunds zum Einsturz von Gebäuden, Brücken, Tunneln und Staudämmen führen. Mit der neuen Methode lassen sich bereits Veränderungen von einem Millimeter pro Jahr aufspüren und sichtbar machen.

Dreidimensionaler Radarblick auf die Metropolen der Welt

Die Daten für das detaillierte Bild der Städte liefert der TerraSAR-X, der genaueste zivile Radarsatellit der Welt. Seit 2007 umkreist er unseren Planeten in einer Höhe von etwa 500 Kilometern, sendet Mikrowellenimpulse zur Erde und fängt deren Echo wieder auf. Diese Messungen ergäben zunächst einmal nur ein zweidimensionales Bild mit einer Auflösung von einem Meter, erklärt Zhu.

Die TUM-Professorin kooperiert mit dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), an dem sie auch eine eigene Arbeitsgruppe leitet. Das DLR ist für Betrieb und Nutzung des Satelliten für wissenschaftliche Zwecke zuständig. Dass die Aussagekraft der Bilder begrenzt sei, liege daran, dass sich die Reflexionen verschiedener Objekte, die gleich weit vom Satelliten entfernt seien, überlagerten. Dieser Effekt reduziere die dreidimensionale Welt auf ein zweidimensionales Bild."

Mit Hilfe eines von ihr entwickelten Algorithmus konnte Zhu nicht nur die dritte und sogar die vierte Dimension (Zeit) rekonstruieren, sondern auch gleich einen Weltrekord aufstellen: Drei Millionen Messpunkte errechnet der Computer pro Quadratkilometer. Daraus lassen sich hochpräzise, vierdimensionale Punktwolken erstellen.

Verschiedene Blickwinkel ergeben ein genaues Bild

Der Trick dabei: Die Wissenschaftler nutzen leicht verschiedene Blickwinkel des Satelliten. Dieser überfliegt jede Region der Erde im Rhythmus von elf Tagen. Allerdings ist seine Position nicht immer exakt dieselbe. Diese Orbitvariationen von etwa 250 Metern nutzen die Forscherinnen und Forscher bei der Radartomographie aus, um die Lage jedes Punkts im dreidimensionalen Raum zu messen. Das Prinzip dieser Methodik ist dasselbe wie bei der Computertomografie, die einen Blick in den menschlichen Körper erlaubt: Verschiedene Messungen aus unterschiedlichen Richtungen werden zu einem dreidimensionalen Bild zusammengeführt.

Mit den Radarwellen des TerraSAR-X können die Wissenschaftler Strukturen auf der Oberfläche sehr genau erfassen: beispielsweise die Form und Höhe von Gebäuden. Für Berlin, Las Vegas, Paris und Washington, D.C. wurden auf diese Weise hochpräzise 3D-Modelle errechnet.

Weitere Informationen unter www.tum.de

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