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Dienstag, 26.09.2017
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Städte: Ultragenaue Kartierung aus dem Orbit

Satellitendaten enthüllen Veränderungen der Topografie bis auf Millimeter genau

Berlin, Paris oder Washington als vierdimensionale Punktwolke: Forscher haben große Städte der Erde so genau vermessen wie nie zuvor. Mit Hilfe des Radarsatelliten TerraSAR-X kartierten sie die Höhenprofile der Metropolen bis auf den Millimeter genau – und können so selbst winzigste Veränderungen beispielsweise durch Bodensenkung identifizieren. Gleichzeitig erzielten sie einen neuen Rekord für Satellitendaten: Ihre Kartierung erfasst drei Millionen Messpunkte pro Quadratkilometer.
Mithilfe der Satelliten-Tomografie können Forscher Deformationen und Senkungen in Städten auf den Millimeter genau erfassen - hier Las Vegas.

Mithilfe der Satelliten-Tomografie können Forscher Deformationen und Senkungen in Städten auf den Millimeter genau erfassen - hier Las Vegas.

Die Metropolen wachsen: Schon jetzt lebt gut die Hälfte der Weltbevölkerung in Städten, bis zum Jahr 2050 werden es nach Schätzungen der UN schon zwei Drittel sein. "Dieses Wachstum stellt hohe Anforderungen an die Sicherheit von Gebäuden und Infrastruktur", sagt Xiaoxiang Zhu von der TU München. Denn je mehr Menschen in den Großstädten leben, desto eher sind sie durch Naturkatastrophen, technische Defekte, aber auch schleichende geologische Prozesse gefährdet.

Senkungen auf der Spur


In vielen Ballungsräumen verursacht beispielsweise die übermäßige Entnahme von Grundwasser eine Absenkung des Untergrunds – was Küstenstädte zusätzlich anfällig für Überschwemmungen machen kann. Aber auch einzelne Gebäude können sich neigen oder absinken, wie beim Millennium Tower in San Francisco der Fall.

Um solche Gefahren frühzeitig zu erkennen, tasten Radarsatelliten wie der TerraSAR-X, regelmäßig das Höhenprofil vieler Städte und ihres Untergrunds ab. Die Radarsignale des TerraSAR-X können Strukturen auf der Oberfläche besonders genau erfassen: Aus 500 Kilometern Höhe registriert er Veränderungen in Form und Höhe von Gebäuden noch bis auf einen Millimeter pro Jahr genau. Für die Großstädte Berlin, Las Vegas, Paris und Washington haben die Forscher bereits hochpräzise 3D-Modelle errechnet.


Der Radarsatellit TerraSAR-X - Deutschlands Radar-Auge im All

Der Radarsatellit TerraSAR-X - Deutschlands Radar-Auge im All

"Tomografie" aus dem Orbit


Möglich wird dies dank einer raffinierten Kombination von Satellitentechnik und Computeralgorithmen. Den ersten Beitrag dazu leistet der Orbit des Satelliten: Er überfliegt jede Region der Erde im Rhythmus von elf Tagen. Dabei ist seine Flugbahn jedoch nicht immer exakt dieselbe, sondern variiert um rund 250 Meter.

Diese Verschiebung der Perspektive nutzen Forscher aus, um jeden Punkt der Erdoberfläche aus verschiedenen Blickwinkeln und damit dreidimensional zu vermessen. Das Prinzip ist ähnlich wie bei der Computertomografie: Verschiedene Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen werden zu einem dreidimensionalen Bild zusammengeführt.

"Da dieses Verfahren in der dritten Dimension nur eine schlechte Auflösung liefert, setzen wir zusätzlich Compressive Sensing-Methoden ein, mit denen sich die Auflösung um das 15fache verbessern lässt", sagt Zhu. Damit gelang nun sogar ein Weltrekord: Aus den Daten von TerraSAR-X errechnen die Computer drei Millionen Messpunkte pro Quadratkilometer.

Blick auf Paris. Die Farben kennzeichnen Hebungen, Senkungen oder Deformationen der Topografie.

Blick auf Paris. Die Farben kennzeichnen Hebungen, Senkungen oder Deformationen der Topografie.

Die vierte Dimension


Doch das ist noch nicht alles: Weil die Radarbilder zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen werden, lässt sich auch die zeitliche Veränderung – und damit die vierte Dimension – sichtbar machen. Das 4D-Modell, das so entsteht, zeigt kleinste Veränderungen mit einer Genauigkeit eines Bruchteils der Radarwellenlänge. Die farbigen Punktwolken zeigen an, wo sich in einer Stadt beispielsweise ein Gebäude abgesenkt oder geneigt hat.

So lassen sich beispielsweise die thermische Ausdehnung von Gebäuden im Sommer oder Deformationen, die durch eine Senkung des Untergrunds verursacht werden, mit einer Präzision von zirka einem Millimeter pro Jahr erfassen. "Die Methode eignet sich, um Gefahrenpunkte aufzuspüren", sagt Zhu. "Satellitentechnik kann damit einen wichtigen Beitrag dazu leisten, Gebäude und Infrastruktur in Städten sicherer zu machen."

Städten beim Wachsen zusehen


Künftig wollen die Forscherinnen und Forscher den Metropolen sogar beim Wachsen zusehen. Im gerade gestarteten Projekt "So2Sat" werden alle Ballungsgebiete der Welt kartiert und langfristig beobachtet. Schwerpunkt der Untersuchungen sind die Schwellenländer, wo innerhalb kürzester Zeit ganze Stadtteile aus dem Boden wachsen.

Erstmals wollen Zhu und ihr Team dabei mehrere verschiedene Big Data-Quellen nutzen: Messungen von Satelliten werden kombiniert mit Kartenmaterial aus Open Street Map und dem schier unbegrenzten Strom von Bildern, Texten und Aktivitätsmustern aus sozialen Netzwerken.
(Technische Universität München (TUM), 21.06.2017 - NPO)
 
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