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30-06-2017 | Stadtplanung | Im Fokus | Article

Vierdimensionale Punktwolken von Städten

Author:
Christoph Berger

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Mithilfe eines Radarsatelliten, eines neuen Algorithmus sowie eines Tricks gelingt es Forschern, Strukturen auf der Erdoberfläche genau zu erfassen. So lassen sich zum Beispiel Gefahrenpunkte an Gebäuden und der Infrastruktur aufspüren.

Berlin, Las Vegas, Paris und Washington, D.C.: Von diesen vier Städten konnten Forscher der Technischen Universität München (TUM) dank neuer Algorithmen im Zusammenhang mit Messwerten des Radarsatelliten TerraSAR-X bisher vierdimensionale Punktwolken erstellen.

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Grenzen der Vermessung der Erde aus dem All mit Synthetischem Apertur Radar

Das Abbildungsprinzip des weltraumgestützten Synthetischen Apertur Radars (SAR) erlaubt grundsätzlich eine Genauigkeit der absoluten Lokalisierung von Objektpunkten auf der Erde im Bereich weniger cm. Darüber hinaus können durch die Nutzung …


TerraSAR-X ist ein ziviler Radarsatellit, der die Erde seit 2007 in einer Höhe von 500 Kilometern umkreist, dabei Mikrowellenimpulse zur Erde sendet und deren Echo wieder aufnimmt. "Diese Messungen ergeben zunächst einmal nur ein zweidimensionales Bild mit einer Auflösung von einem Meter", erklärt Xiaoxiang Zhu, Professorin für Signalverarbeitung in der Erdbeobachtung an der TUM.

Die Zeit als vierte Dimension

Zunächst ist die die Aussagekraft der Bilder allerdings begrenzt. Dies liegt daran, dass sich die Reflexionen verschiedener Objekte, die gleich weit vom Satelliten entfernt sind, überlagern. Dieser Effekt reduziert die dreidimensionale Welt auf ein zweidimensionales Bild. Doch mithilfe eines von Zhu entwickelten Algorithmus konnte eine dritte und vierte Dimension, die Zeit, rekonstruiert werden. Insgesamt werden schließlich drei Millionen Messpunkte pro Quadratkilometer errechnet. Weltrekord. Daraus lassen sich hochpräzise, vierdimensionale Punktwolken erstellen.

"SAR-Daten dienen heute einer Vielzahl von Aufgaben im Umweltmonitoring und zur Gewinnung von Geoinformation", heißt es im Kapitel "Grenzen der Vermessung der Erde aus dem All mit Synthetischem Apertur Radar" des Springer-Fachbuchs "Photogrammetrie und Fernerkundung". Demnach sind beispielsweise die Kartierung von Landbedeckung, Meereis und Hochwasser, die Ableitung von Wind und Seegang, die Schiffsdetektion, die Messung von Bodenfeuchte, das Gletschermonitoring, die Biomassebestimmung oder die Erfassung geodynamischer Prozesse, wie Vulkanismus, Bodensenkungen und Hangrutsche sowie die Erzeugung von digitalen Höhenmodellen (DEMs) prominente Beispiele.

Verschiedene Blickwinkel des Satelliten

Um die präzisen Punktwolken zu erstellen, bedienten sich die TUM-Wissenschaftler zudem eines Tricks: Sie nutzen leicht verschiedene Blickwinkel des Satelliten. Denn 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 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. Doch, so Zhu: "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 15-fache verbessern lässt." Bei Compressive Sensing handelt es sich laut dem Kapitel "Einführung und Grundbegriffe" des Springer-Fachbuchs "Grundlagen der digitalen Informationsübertragung" um eine effiziente Form der Unterabtastung, bei der Abtastung und Datenkompression in einem gemeinsamen Schritt geschieht.

Nachdem die verwendeten Radarbilder im Abstand von je elf Tagen, also zu unterschiedlichen Zeiten, aufgenommen werden, lässt sich auch die zeitliche Veränderung sichtbar machen. Das 4D-Modell, das so entsteht, zeigt kleinste Veränderungen mit einer Genauigkeit eines Bruchteils der Radarwellenlänge. So lasse 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. Zhu erklärt: "Die Methode eignet sich, um Gefahrenpunkte aufzuspüren. Satellitentechnik kann damit einen wichtigen Beitrag dazu leisten, Gebäude und Infrastruktur in Städten sicherer zu machen."

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