Tandem-L Vorschlag für eine Satelliten-mission zur Erfassung von dynamischen Prozessen auf der Erdoberfläche - DLR
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Tandem-L Vorschlag für eine Satelliten- mission zur Erfassung von dynamischen Prozessen auf der Erdoberfläche
Impressum Herausgeber Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Anschrift Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme Oberpfaffenhofen 82234 Weßling Redaktion Alberto Moreira Gerhard Krieger Autoren Michael Eineder Irena Hajnsek Gerhard Krieger Alberto Moreira Kostas Papathanassiou Satz/Layout CD Werbeagentur GmbH, Troisdorf Druck Richard Thierbach Buch- und Offsetdruckerei GmbH, Mülheim an der Ruhr Drucklegung Köln, im April 2014 Abdruck (auch von Teilen) oder sonstige Verwendung nur nach vorheriger Absprache mit dem DLR gestattet. DLR.de/HR
Inhalt
Tandem-L:
Eine hochinnovative Radarmission zur Beobachtung von Erde und Umwelt ............................ 4
Wissenschaftliche Ziele und Anwendungen................................................................................. 6
Dynamische Prozesse auf der Erde .................................................................................................. 6
Beitrag zum besseren Verständnis der Klimaänderung .................................................................... 7
Biosphäre ....................................................................................................................................... 8
Deformation der Erdoberfläche .................................................................................................... 10
Hydrosphäre ................................................................................................................................. 12
Kryosphäre .................................................................................................................................... 13
Digitales Höhenmodell .................................................................................................................. 14
Missionskonzept und technische Umsetzung ............................................................................. 15
Messprinzip ................................................................................................................................... 15
Technologie und Innovationen ...................................................................................................... 18
Implementierung und Zeitplan ..................................................................................................... 20
Überblick und Zusammenfassung ................................................................................................ 21
Tandem-L-Stichpunkte ................................................................................................................... 21
Datenprodukte und wissenschaftliche Nutzung ............................................................................ 22
Alleinstellungsmerkmale von Tandem-L ........................................................................................ 23
Radar mit Synthetischer Apertur (SAR) ...................................................................................... 24
Deutsche Spitzenposition in der Radartechnologie .................................................................. 25
Roadmap für die Erdbeobachtung .............................................................................................. 26
Deutsche Radarmissionen ............................................................................................................ 27
© Rosel Eckstein/pixelio.de
Tandem-L: Eine hochinnovative Radarmission
zur Beobachtung von Erde und Umwelt
Das Tandem-L-Missionskonzept nutzt
zwei Radarsatelliten im L-Band (24 cm
Wellenlänge). Der Einsatz der speziellen
Technik des Radars mit synthetischer
Apertur (SAR) ermöglicht eine hochauf-
lösende Abbildung unabhängig von
Wetter und Tageslicht und bietet damit
die optimale Voraussetzung für eine
kontinuierliche Beobachtung dynami-
scher Prozesse auf der Erdoberfläche.
Ferner erfüllt die im Vergleich zum
X-Band (3,1 cm) große Wellenlänge die
Voraussetzungen für die tomografische
Erfassung der dreidimensionalen Struktur
von Vegetations- und Eisgebieten sowie
die großflächige Vermessung von Defor-
mationen mit Millimetergenauigkeit.
Ziel von Tandem-L ist es, die Landmasse
der Erde im Wochenrhythmus interfero-
metrisch abzubilden. Der mit Tandem-L
aufgenommene Datensatz eröffnet damit
über die primären Missionsziele hinaus
ein immenses Potenzial für die Entwick-
Tandem-L ist ein Vorschlag für eine Wichtige Missionsziele sind lung neuester wissenschaftlicher und
hochinnovative Satellitenmission zur kommerzieller Anwendungen.
globalen Beobachtung von dynamischen - die globale Messung der
Prozessen auf der Erdoberfläche in einer Waldbiomasse und ihrer Dynamik Neben seiner wissenschaftlichen Kompo
bisher nicht erreichten Qualität und zum besseren Verständnis des nente zeichnet sich Tandem-L durch sei-
Auflösung. Aufgrund seiner neuartigen Kohlenstoffkreislaufs, nen hohen Innovationsgrad hinsichtlich
Abbildungstechniken und seiner enor- Methodik und Technologie aus. Beispiele
- die systematische Erfassung von
men Aufnahmekapazität wird Tandem-L sind die polarimetrische SAR-Interfero
Deformationen der Erdoberfläche
dringend benötigte Informationen zur metrie zur Messung von Waldhöhen,
im Millimeterbereich für Erdbeben-
Lösung hochaktueller wissenschaftlicher die Mehrpass-Kohärenz-Tomografie zur
forschung und Risikoanalyse,
Fragestellungen aus den Bereichen der Bestimmung der vertikalen Struktur von
Bio-, Geo-, Kryo- und Hydrosphäre - die feinskalige Messung der ober- Vegetation und Eis, die Nutzung neues-
liefern. Tandem-L trägt damit entschei- flächennahen Bodenfeuchte zur ter Digital-Beamforming-Techniken zur
dend zu einem besseren Verständnis des Erforschung des Wasserkreislaufs, Erhöhung von Streifenbreite und Auf
Systems Erde und seiner Dynamik bei. lösung sowie der enge Formationsflug
- die Quantifizierung von Gletscher-
von zwei kooperierenden Radarsatelliten
bewegungen und Schmelzprozessen
mit variabel einstellbaren Abständen.
in den Polarregionen für verbesserte
Prognosen zum Anstieg des Meeres
Tandem-L wird die internationale Füh
spiegels.
rungsrolle Deutschlands auf dem Radar-
In Zeiten intensiver wissenschaftlicher gebiet nachhaltig festigen und aus-
und öffentlicher Diskussionen über bauen. Mit ihren einzigartigen Produkten
Ausmaß und Auswirkungen von Klima ist die Mission ein Meilenstein in der
änderungen liefert Tandem-L somit Fernerkundung, und die revolutionären
wichtige und bis heute fehlende Infor- Techniken und Technologien, die bei
mationen für verbesserte wissenschaft- Tandem-L zum Einsatz kommen, bilden
liche Prognosen und darauf aufbauend die Grundlage für zukünftige Genera-
gesellschaftspolitische Handlungs tionen von Satelliten-SAR-Systemen.
empfehlungen.
4
Die Tandem-L-Mission öffnet somit die Projekt aufs Engste miteinander zu ver-
Tür für ein globales Fernerkundungs- netzen. Die Expertise der jeweils einschlä-
system zur kontinuierlichen Beobachtung gigen HGF-Forschungszentren mit ihren
der Erdoberfläche, wie es für die Wetter spezifischen Modellierungserfahrungen
vorhersage mit einem Netz aus geo- ist entscheidend für die Erstellung hoch
stationären Satelliten bereits heute aggregierter Informationsprodukte. Eine
existiert. Nutzung der Tandem-L-Daten wird bereits
in HGF-Projekten und der HGF-Allianz
Das Missionskonzept wurde in einer „Remote Sensing and Earth System
mehrjährigen Vorphase-A-Studie im Dynamics“ vorbereitet. Zusätzlich bietet
Detail ausgearbeitet. Tandem-L kann ent- die Kooperation mit internationalen
weder im Rahmen einer internationalen Wissenschaftsteams aufgrund der zum
Kooperation oder rein national realisiert Teil komplementären Expertise in der
werden. Mit der Implementierung von Datennutzung und Modellierung große
Tandem-L entsteht ein weltweit einzig- Synergiepotenziale. Damit ist Tandem-L
artiges Erdobservatorium, das die Leis prädestiniert, einen historischen Meilen
tungsfähigkeit bestehender Systeme stein in der internationalen Erdsystem
um mindestens eine Größenordnung forschung zu setzen und einen wichtigen
übertreffen wird. Entsprechend den Beitrag für das bessere Verständnis und
derzeitigen Planungen könnte ein Start den Erhalt von Erde und Umwelt zu
der Tandem-L-Satelliten im Jahr 2020 leisten.
erfolgen.
Tandem-L bietet die einmalige Gele-
genheit, die vielfältigen Aktivitäten der
Helmholtz-Gemeinschaft über die unter-
schiedlichen Forschungsbereiche hinweg
in einem gemeinsamen interdisziplinären
Entwaldung, Waldschädigung, Feuer* (REDD) Biosphäre
Waldbiomasse*
Biodiversität ...
Erdbeben Geosphäre
Vulkane
Hangrutsche ...
Meereisbedeckung* Kryosphäre
Permafrost*
Gletscher & Eiskappen* ...
Bodenfeuchte* Hydrosphäre
Überflutungen
*) essenzielle Klimavariablen
Meeresströmungen* ...
Tage Wochen Monate Jahre Beobachtungsintervall
Tandem-L ermöglicht die systematische Beobachtung einer Vielzahl dynamischer Prozesse auf
der Erdoberfläche. Durch Nutzung neuester Radartechniken können die hohen wissenschaft-
lichen Anforderungen an Beobachtungsfrequenz, Auflösung und Datenqualität in optimaler
Weise erfüllt werden.
5
Wissenschaftliche Ziele und Anwendungen
Dynamische Prozesse auf der Erde
19.04.2006 Das System Erde besteht aus einer Viel- Beziehung gesetzt werden. Dies erfor-
zahl von Komponenten und Prozessen, dert wiederum ein breites Spektrum
die durch komplexe Wechselwirkungen an Beobachtungsintervallen. Mit der
miteinander verkoppelt sind. Beispielsweise Einführung der satellitengestützten
können Veränderungen in Biosphäre, Erdbeobachtung haben in den letzten
Geo-/Lithosphäre, Hydrosphäre und Jahrzehnten Kenntnis und Verständnis
Kryosphäre nicht nur das dynamische von Veränderungen im System Erde
Gleichgewicht untereinander, sondern deutlich zugenommen. Jedoch reichen
auch Physik und Chemie der Atmosphäre Abbildungsleistung, Messgenauigkeit
nachhaltig beeinflussen. Veränderungen und Aufnahmekapazität bestehender
in der Atmosphäre wirken sich wiederum Systeme in vielen Fällen nicht aus, um
auf Wetter und Klima aus und nehmen verlässliche Aussagen über die Dynamik
ihrerseits Einfluss auf eine Fülle von großräumiger Prozesse abzuleiten.
Prozessen in der Bio-, Geo-, Hydro-
und Kryosphäre. Eine wesentliche Anforderung an die
Tandem-L-Mission ist daher die Fähigkeit,
Viele dieser komplexen Wechselwirkun große Flächen regelmäßig in möglichst
gen sind derzeit nicht oder nur äußerst kurzen Zeitintervallen und mit hoher
unzureichend erforscht und verstanden. räumlicher Auflösung abzubilden. In
06.06.2006
Ein wichtiger Grund hierfür ist, dass in Verbindung mit einer systematisch
der Regel Prozesse aus mehreren Erd geplanten Aufnahmestrategie ermög-
sphären auf unterschiedlichsten räumli- licht diese die Erstellung konsistenter
chen und zeitlichen Skalen miteinander Zeitreihen für die gesamte Erde. Nur
verkoppelt sind, geeignete Beobach so kann die Dynamik der vielfältigen
tungsdaten zur Analyse dieser vielfälti- Veränderungen auf der Erdoberfläche
gen Wechselwirkungen häufig jedoch mit ausreichender Genauigkeit und ohne
entweder überhaupt nicht oder lokal und Fehler durch eine zu geringe Abtastrate
zeitlich nur sehr begrenzt zur Verfügung erfasst werden. Die Kombination aus
stehen. kurzen Wiederholzyklen und mehr-
jähriger Datenaufzeichnung ermög-
Die Erfassung dynamischer Prozesse licht es, sowohl schnell ablaufende,
bedarf einer kontinuierlichen, langfristig hochdynamische Vorgänge, wie z. B.
angelegten und systematisch geplanten Relaxationsprozesse nach Erdbeben,
Aufnahmestrategie, um Veränderungen als auch langsamer ablaufende
rechtzeitig zu erkennen und diese mit Prozesse, wie z. B. Veränderungen
ausreichender Genauigkeit zu quantifizie- der Waldbiomasse, in der geforderten
ren. Abhängig von den zu erfassenden Präzision und Auflösung zu erfassen.
Phänomenen müssen Veränderungen
auf unterschiedlichsten Raum- und Zeit-
05.07.2006
skalen betrachtet und miteinander in Eine wesentliche wissenschaftliche
Zielsetzung von Tandem-L ist es,
global und systematisch dynami-
sche Prozesse auf der Erdoberfläche
im jahreszeitlichen und jährlichen
Verlauf quantitativ zu erfassen.
Mit Hilfe der modernen Radartechnologie
können Veränderungen auf der Erdober-
fläche unabhängig von Wetter und Tageslicht
systematisch erfasst werden. Die drei voll-
polarimetrischen Radarbilder dokumentieren
die starken jahreszeitlichen Veränderungen
von landwirtschaftlich genutzten Flächen
(kleinräumige Ausschnitte von jeweils
3 km x 6 km).
6
Beitrag zum besseren Verständnis der Klimaänderung
Tandem-L wird maßgeblich zum besseren Wasserkreislauf
Verständnis von Prozessen beitragen, die
heute als Treiber der lokalen und globa- Der Wasseraustausch zwischen Land,
len Klimaänderung gesehen werden. Ozean und Atmosphäre ist einer der
maßgeblichen Faktoren, die Wetter und
Kohlenstoffkreislauf Klima bestimmen. Auch wenn der ulti-
mative Beweis noch aussteht, wächst
Der anthropogen bedingte Anstieg der der wissenschaftliche Konsens, dass der
Konzentration von Treibhausgasen in der anthropogene Klimawandel eine Verän
Atmosphäre und der damit verbundene derung des Wasserkreislaufs und der
Klimawandel machen den Kohlenstoff Wasserverfügbarkeit bewirken wird.
kreislauf heute zu einem zentralen Wasserkreislauf und Klima stehen in
Schwerpunkt in der Klimaforschung. einer engen Beziehung und beeinflussen Die heute nur sehr ungenau bekannten
Neben der Atmosphäre sind die Ozeane sich gegenseitig, sodass die Genauigkeit terrestrischen Komponenten des Kohlen-
und die terrestrische Biosphäre die wich- regionaler und globaler Klimaprognosen stoffkreislaufs stehen in unmittelbarem
tigsten Kohlenstoffspeicher, die mit der stark von den Unsicherheiten der Ver- Zusammenhang mit dem Zustand
Atmosphäre in einem aktiven Austausch änderungen im Wasserkreislauf abhängt. des globalen Waldes.
stehen. Der Anstieg der atmosphärischen
CO2-Konzentration kann nur teilweise In Klimamodellen ist die Bodenfeuchte
durch die Aufnahme von CO2 in der ein zentraler Parameter für die Charak
Biosphäre und den Ozeanen kompensiert terisierung der Landoberfläche, da sie
werden. Wärme und Wassertransport zwischen
Landoberfläche und Atmosphäre unmit-
Wälder speichern etwa die Hälfte des telbar beeinflusst. Schon geringe Wasser
terrestrisch gebundenen Kohlenstoffs. gehaltsänderungen haben starken Ein
Während ihres Wachstums reichern fluss auf die thermischen Eigenschaften
Wälder Biomasse an und fungieren des Bodens. Aufgrund der hohen zeit-
dabei als CO2-Senken. Tropische Wälder lichen und räumlichen Variabilität ist
können etwa 50% mehr Kohlenstoff als derzeit eine Erfassung der Bodenfeuchte
Wälder außerhalb der Tropen speichern. und ihrer Dynamik praktisch nicht mög- Der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens regelt
Bei der Rodung und Zerstörung von lich. wichtige Komponenten des lokalen Wasser
Wald wird der gebundene Kohlenstoff kreislaufs.
in die Atmosphäre freigesetzt. Die aus Veränderungen im Wasserkreislauf, wie
dem globalen Waldverlust resultieren- das beschleunigte Abschmelzen von
den Emissionen sind die zweitgrößte Schnee, Eis und Gletschern, die als natür-
anthropogene Quelle von CO2. Die liche Wasserspeicher fungieren, sowie
Unsicherheiten der Kohlenstoffflüsse mehr Regen und weniger Schneefall bei
zwischen Land und Atmosphäre sind im steigenden Temperaturen, kann man
Vergleich zu den anderen Komponenten heute schon beobachten. Oft kann es
des Kohlenstoffkreislaufs sehr groß. dabei zu positiver Rückkopplung kom-
Die Gründe dafür sind die lückenhafte men: Weniger Schnee und verlängerte
Erfassung der entwaldeten Fläche und Tauperioden können zu einer zusätzli-
das ungenaue Wissen über die Biomasse chen Erhöhung der Temperatur führen.
in den gerodeten und gestörten Regio
nen. Tandem-L wird erstmals kritische
Komponenten des Wasserkreislaufs
Tandem-L wird erstmalig die globale wie Bodenfeuchte und Dynamik
Waldbiomasse sowie deren saisonale von Fließ- und Schmelzprozessen
und jährliche Veränderung mit einer in der Kryosphäre global mit hoher Von 2011 bis 2013 verlor der west-antarkti-
noch nie dagewesenen Genauigkeit zeitlicher und räumlicher Auflösung sche Eisschild jährlich mehr als 150 Kubikkilo
messen. Dies ist ein Schlüsselbeitrag, erfassen. meter Eis. Die Abbildung zeigt Änderungen
um die Unsicherheiten in den terres der Eishöhe, die vom ESA-Altimeter CryoSat
trischen Komponenten des Kohlen gemessen wurden. Tandem-L wird eine kon-
stoffkreislaufs drastisch zu reduzieren. tinuierliche Beobachtung der Eisschilde mit
hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung
erlauben.
7
Biosphäre
Wälder sind als wichtigstes terrestrisches Waldbiomasse
Ökosystem ein integraler Bestandteil des
Erdsystems. Sie sind Lebensraum und/ Die Bedeutung der Biomasse manifestiert
oder Lebensgrundlage für fast ein Viertel sich sowohl durch den direkten Zusam
der Weltbevölkerung. Gleichzeitig sind menhang zwischen Biomasse und Koh
Wälder (speziell tropische) die arten- lenstoffgehalt wie auch durch ihre Rele
reichsten Lebensräume unseres Planeten: vanz zur Charakterisierung von Wald-
Zwei Drittel aller Tier- und Pflanzenarten bzw. Ökosystem-Produktivität. Biomasse
leben im Wald. wurde durch die UNFCCC (United Nations
Framework Convention on Climate
Der Wald als Rohstoffquelle hat eine Change) als essenzielle Klimavariable
hohe wirtschaftliche Bedeutung und ist identifiziert, deren Erfassung heute von
eine der wichtigsten natürlichen Res großer Bedeutung ist. In der kommerziel-
sourcen. Wälder produzieren Sauerstoff len Waldnutzung gibt Waldbiomasse die
und speichern Kohlendioxid und Wasser. Menge des nutzbaren Holzes wieder –
Dadurch regulieren sie die biochemi- eine Information, die für eine nachhalti-
schen Kreisläufe zwischen der Bio- und ge Bewirtschaftung von Wäldern unab-
der Atmosphäre und beeinflussen das dingbar ist.
lokale und globale Klima. Sie bewahren
den Boden vor Erosion und schützen vor Schätzungen der Biomasse sind heute in
Überschwemmungen. lokalen, regionalen und überregionalen
Maßstäben sehr ungenau. Bodenmes
Trotz ihrer Bedeutung stehen Wälder sungen der Biomasse in natürlichen
heute, mehr als je zuvor, unter dem Wäldern weisen oft Fehler von weit über
Druck einer wachsenden Erdbevölkerung 20% auf. Besonders in tropischen Wald-
und klimatischer Schwankungen. Der ökosystemen gibt es große Abweichun
Mensch hat bereits mehr als die Hälfte gen. Globalen und nationalen Schätzun
der Wälder vernichtet. Ein großer Teil gen von Waldbiomasse fehlt meistens
der noch verbliebenen Wälder ist gestört. der räumliche Bezug, da sie durch die
Nur ein Drittel der globalen Waldfläche Generalisierung von Waldinventurdaten
besteht heute noch aus Urwäldern. entstehen. Zudem beruhen diese Anga-
Ein großer Teil davon gilt als ernsthaft ben auf unterschiedlichen Definitionen
bedroht. Angetrieben durch die Expansion und Bestimmungsmethoden. Der Mangel
der Landwirtschaft und die steigende an genauen räumlichen Waldbiomasse-
Holznutzung werden jedes Jahr weitere Daten wurde vom Weltklimarat IPCC als
10-15 Millionen Hektar Wald durch eine der größten Unsicherheiten im glo-
Umwandlung in Agrarland, Brandrodung balen Kohlenstoff-Budget erkannt.
oder illegalen Holzeinschlag zerstört.
Dynamische Veränderungen der Bio
Diese Zerstörung vernichtet nicht nur masse und ihre räumliche Verteilung sind
wichtige Ressourcen und den Lebens ein direktes Maß für den Austausch von
raum vieler Pflanzen und Tiere, sondern Kohlenstoff zwischen dem terrestrischen
setzt auch eine große Menge an CO2 Ökosystem und der Atmosphäre. Gleich
frei. zeitig charakterisieren sie auch Verände
rungen in Waldwachstum und Produk-
ERS-Aufnahmen über Mato Grosso, Die weltweit einheitliche Erfassung des tivität, induziert durch Wasser- und/oder
Brasilien aktuellen Zustands der Wälder und Klimastress.
Oben: 07. Juni 1992 deren – anthropogen wie auch klima-
Mitte: 08. September 1999 tisch bedingter – Entwicklungsdynamik Tandem-L wird eine globale Inventur
Unten: RGB Komposition: wird somit zu einer dringlichen Notwen der Biomasse mit einer Genauigkeit
08. September 1999 digkeit. von 20% ermöglichen sowie deren
27. Juni 1993 saisonale Variabilität und jährliche
07. Juni 1992 Veränderung messen.
8
Wald-Degradierung einen völkerrechtlichen Rahmen, in dem
Schwellen- und Entwicklungsländer vor
Selektiver Holzeinschlag, Feuer, zuneh- allem in den Tropen beim Schutz ihrer
mende Umwandlung von Natur- in Wälder durch die internationale Staaten
Plantagenwälder und die strukturelle gemeinschaft unterstützt werden. REDD+
Störung des Waldes wie z. B. das hat das Potenzial, ein zentrales Instrument
Entfernen von Bäumen unter einem zu werden, um Waldzerstörung im
geschlossenen Kronendach sind ein großen Maßstab zu stoppen.
erheblicher Störfaktor wichtiger Wald
funktionen, ohne dass es dabei zu einer Eine genaue und transparente Erfassung
Reduzierung der Waldfläche kommt. der Emissionen aus Entwaldung, Störung
Diese Abnahme in der Qualität des und Degradierung von Wäldern ist
Waldes wird als Wald-Degradierung Voraussetzung für den langfristigen
bezeichnet und führt sowohl zu Kohlen Erfolg von REDD+. Nur ein Überwachungs-
stoffemission wie auch zu einem – zum system, das auf global verfügbaren
Teil dramatischen – Verlust an bio- Fernerkundungsdaten aufbaut, kann
logischer Vielfalt. flächendeckend aussagekräftige Daten
als Informationsgrundlage liefern.
Das Fehlen geeigneter Fernerkundungs
systeme macht heute eine vollständige Tandem-L wird Fernerkundungs- 3-D-Darstellung eines primären tropischen
Erfassung der gestörten und degradier methoden und -technologien Waldes mit natürlicher Struktur am Beispiel
ten Wälder unmöglich. Die genaue demonstrieren, die als Kontroll- eines Dipterocarpaceen-Waldes auf Borneo/
Dimension der globalen Waldstörungen systeme zur Durchsetzung und zur Indonesien. Die vertikale Struktur im Wald
und ihre ökologischen Auswirkungen Erfolgsmessung von politischen wird durch Tandem-L global vermessen wer-
bleiben somit unbekannt. Umwelt-Maßnahmen nötig sind. den.
Ein wichtiger und einzigartiger
Beitrag von Tandem-L liegt in
der Kartierung der Komplexität
und Vielfalt von vertikalen Wald-
strukturen – sowie deren Verän-
derungen.
Damit können global das Störungs-
ausmaß und der Störungsgrad von
Wäldern bestimmt sowie deren jährliche
Veränderungen dokumentiert werden.
REDD+
Die Relevanz der Wälder für das globale
Klima führte 2007 zur Aufnahme eines
Waldschutzmechanismus innerhalb eines
UN-Klimanachfolgeabkommens. Dieser
© Ricardo Funari
Mechanismus ist bekannt als REDD+
(Reducing Emissions from Deforestation
and Forest Degradation). REDD+ schafft
Am meisten sind heute tropische Regenwälder bedroht, die von besonderer Bedeutung sind.
Sie spielen eine zentrale Rolle im terrestrischen Kohlenstoffkreislauf, beeinflussen den regiona-
len Wasserhaushalt und sind wichtige Hotspots der Artenvielfalt.
9
Deformation der Erdoberfläche
Die Topografie der festen Erde ist in Mit Tandem-L sollen diese grobmaschi-
stetiger Veränderung durch Kontinen gen und unregelmäßigen GPS-Daten
taldrift und kleinräumige magmatische, durch hochauflösende Deformations
klimatische und anthropogen verursach- karten ergänzt werden.
te Prozesse. Die Folge sind Erdbeben,
Vulkanausbrüche, Hangrutschungen oder Diese Karten werden zum einen die
Bodensenkungen. Erdbeben gehören zu inter- und koseismischen Veränderungen
den fatalsten und teuersten Georisiken, von Risikogebieten wie Bruchzonen, zum
die nach Schätzung der Versicherung anderen die magmatischen Prozesse der
„Münchner Rück“ allein zwischen 1994 Vulkane weltweit periodisch und syste-
und 2012 über 540 Milliarden US-Dollar matisch erfassen – und das wesentlich
gekostet haben. genauer, als es mit GPS jemals möglich
wäre. Dies lässt Verbesserungen der zu
Selbst wenn wir Erdbeben und Vulkan- beschreibenden Modelle erwarten, die
ausbrüche bis heute noch nicht exakt vor- zu einer genaueren Prognose von Ort
hersagen können, so ist das Verständnis und Zeit zukünftiger tektonischer und
der geologischen Prozesse in den letzten vulkanischer Ereignisse führen.
Jahren stark gewachsen, nicht zuletzt
durch aktuelle Technologien wie seismi- Zusätzlich lassen sich im Tandem-L-Defor
sche Arrays, GPS, differenzielle Radar- mationsmodus kleinräumige Ereignisse
interferometrie (D-InSAR) und Very Long wie instabile Hänge und Erdrutsche oder
Baseline Interferometry (VLBI), aber auch Bergstürze mit einer Genauigkeit von
durch genauere numerische Modellie Zentimetern bis hin zu Millimetern erfas-
rung. Durch die verbesserten Sensoren sen, die zum Beispiel durch Klimaände-
und Methoden können mittlerweile rungen, wie das Auftauen des Perma
Netzwerke von deutschen Seismografen frostbodens, verursacht werden. Ebenso
z. B. einen Erdbebenherd vor der Küste können anthropogen verursachte Prozes
Sumatras auf ca. 100 km präzise orten se wie Erdsenkungen durch Grundwasser-
und mittels grobmaschig verteilter GPS- entzug oder Bergbau gemessen werden.
Systeme und VLBI die globale Tektonik Gute Ergebnisse erzielte man mit bisheri-
millimetergenau vermessen. gen Satellitensystemen allerdings nur für
städtische Gebiete.
Deformation des Vulkans Stromboli in Italien in cm/Jahr. Die gemeinsame Verwendung von
Punktstreuern und Flächenstreuern ergibt eine besonders hohe Informationsdichte.
10Probleme bisheriger Systeme und nicht gelungenen Anwendungen wer- Mit den Missionsszenarien der bishe-
neue Lösungen den selten veröffentlicht und sind meist rigen Satelliten war eine örtlich und
nur den Experten bekannt. Tandem-L zeitlich systematische Erfassung von
Für Radarmessungen im Deformations ist weit weniger empfindlich gegenüber Gefährdungsgebieten nicht möglich.
Modus wurden bisher hauptsächlich die Veränderungen der Oberflächenstruktur. Das Tandem-L-Missionskonzept wird
ESA-Satelliten ERS-1, ERS-2 und ENVISAT Damit sind Bewegungsmessungen der dies erstmals erlauben.
eingesetzt. Deren Aufnahmeparameter Erdoberfläche möglich – überall und für
wie Wellenlänge, Flugbahn, fester Blick sehr lange Zeiträume. Mit den oben genannten Ver
winkel und 35-Tage-Wiederholzyklus besserungen wird Tandem-L das
waren ursprünglich für Ozeananwen- Der 35-Tage-Wiederholzyklus bishe- erste kompromisslos für den
dungen gedacht und sind für den riger Systeme ist zu lang, um schnel- Deformations-Modus optimierte
Deformations-Modus nur bedingt le Bewegungen zu erfassen. Durch System sein und ähnlich wie SRTM
geeignet. die höhere Streifenbreite (bis zu 350 und TanDEM-X einen weiteren
Kilometer) von Tandem-L kann der Meilenstein in der Geschichte der
Die kurze Wellenlänge von 5,6 cm Wiederholzyklus auf 8 Tage reduziert Radarerderkundung darstellen.
(C-Band) verursacht die sogenannte zeit- werden. Große Streifenbreite und
liche Dekorrelation. C-Band-Mikrowellen Wellenlänge sind Voraussetzung zur
werden bereits von den oberen Schichten Erfassung schneller Bewegungen
der Vegetation reflektiert. Zufällige und und zur Erkennung bevorstehender
vergleichsweise schnelle Bewegungen Gefährdungen. In Kombination mit geo-
der Blätter und kleiner Äste in einem physikalischen Modellen soll damit auch
Wald führen zu starker Dekorrelation die Vorhersagbarkeit dieser Ereignisse
und verdecken die Messung der lang- wesentlich verbessert werden.
sameren Bodenbewegung. In ähnli-
cher Weise führen Veränderungen der Bisherige Systeme messen nur eine
Oberflächenstruktur (z. B. durch Boden Komponente des dreidimensionalen
erosion) im Sub-Wellenlängenbereich Bewegungsvektors. Tandem-L wird
zwischen den einzelnen Aufnahmen zu durch die Kombination unterschied-
einer Störung des Phasensignals bis hin licher Beobachtungsgeometrien die
zu dessen vollständiger Auslöschung. Rekonstruktion dreidimensionaler
Bewegungsvektoren ermöglichen. Diese
Die bisher publizierten D-InSAR-Beispiele sind besonders für die Auswahl des
stellen eine beeindruckende, aber reine passenden Modells bei Erdbeben und
Positivauswahl der Analysen dar. Die für quantitative Analysen erforderlich.
Phasen-Interferogramme der SIR-C/X-SAR-Mission 1994. Bereits nach einem Tag zeigt das
C-Band-Interferogramm (links) starke Dekorrelation (Phasenrauschen) in Bereichen mit dichter
Vegetation, während das L-Band-Interferogramm (rechts) eine gute und gleichmäßige Qualität
aufweist (J.W. Chipman 2000).
11Hydrosphäre
Die Hydrosphäre umfasst die ober- und es großer Mengen an Energie. Daher
unterirdischen Wasservorkommen der ist oberflächennahe Bodenfeuchte ein
Erde. Vom Weltraum aus gesehen ist die Schlüsselparameter zum Austausch von
Erde ein blauer Planet, der den großen Wasser und Energie zwischen Boden und
Anteil der Wasserflächen widerspiegelt: Atmosphäre. Folglich beeinflussen räum-
drei Viertel der Erdoberfläche sind mit liche und zeitliche Schwankungen der
Wasser bedeckt. Bodenfeuchte innerhalb der ungesättig-
ten Zone Wetter und Klima von der loka-
Aufgrund von Klimawandel und anth- len bis zur regionalen Skala. Die Simu
ropogenem Einfluss verändern sich die lation des Einflusses von Treibhausgasen
hydrologischen Bedingungen in immer auf den Wasserkreislauf und die energe-
stärkerem Ausmaß. Dies hat weitreichen- tischen Prozesse mit gegenwärtigen
SAR-Bild im L-Band de Konsequenzen, die von veränderten Klimamodellen wird von der großen
Energieflüssen bis hin zur verminderten Unsicherheit in der Vorhersage der ober-
Wasserqualität und -verfügbarkeit rei- flächennahen Bodenfeuchtevariation
chen. Erstere können wiederum das beeinträchtigt. Die Tatsache, dass Boden
globale, regionale und lokale Klima be- feuchteänderungen von der Zusammen
einflussen, während Letztere essenzielle setzung des Bodens, der Vegetations
Grundvoraussetzungen für die Befrie bedeckung sowie von der Veränderung
digung menschlicher Grundbedürfnisse des Niederschlags und der Verdunstung
sowie für eine nachhaltige ökologische (welche wiederum von der Vegetation
Entwicklung sind. Studien zum Klima beeinflusst werden) abhängen, stellt die
wandel sagen einen Anstieg der globalen Modellierung, aber auch die Extrapola
Lufttemperatur für die nächsten Jahr tion/Interpolation von Messungen in
zehnte voraus. Dies wird eine erhöhte Frage. Eine zeitlich und räumlich hoch-
Variabilität der Niederschlagsmuster nach aufgelöste Bestimmung von Grad, Vertei
sich ziehen. Zudem wird eine Zunahme lung und Schwankung der Bodenfeuchte
der Auftrittshäufigkeit und der Intensität kann hydrologische Flusseinzugsmodelle,
hydrologischer Extrema, wie Über Wettervorhersagemodelle und jahreszei-
schwemmungen und Dürren, erwartet. tenabhängige Klimamodelle erheblich
Oberflächennahe Bodenfeuchte
Die Fähigkeit, solche Veränderungen und verbessern.
über landwirtschaftlichen Flächen
ihre Auswirkungen auf den Wasserkreis-
in Norddeutschland
lauf zu modellieren und vorherzusagen, Zur Nachführung von Modellvorhersagen
ist von großer Bedeutung für die Ent wurden in der letzten Dekade Messun
wicklung entsprechender Vermeidungs- gen der Bodenfeuchte aus Fernerkun
und Anpassungsstrategien, mit denen dungsdaten in Datenassimilationsverfah
potenziell negative Auswirkungen auf ren genutzt. Obwohl hierbei das große
Gesellschaft und Wirtschaft reduziert Potenzial der Fernerkundung erkannt
werden können. und demonstriert wurde, gibt es bislang
keinen Sensor, der die Erdoberfläche
Um den Einfluss des Menschen und des großflächig mit ausreichender zeitlicher
Klimawandels auf die Hydrosphäre bes- und räumlicher Auflösung erfassen kann.
ser zu verstehen, ist es notwendig, hyd- Zwar liefern Missionen wie SMOS (Soil
rologische Schlüsselprozesse und deren Moisture and Ocean Salinity), SMAP und
räumliche und zeitliche Muster mit hin- GRACE (Gravity Recovery And Climate
reichender Genauigkeit zu kennen. Ein Experiment) wichtige Einblicke in den
wesentlicher Faktor ist hierbei die Boden- globalen Wasserkreislauf, jedoch ist
feuchte, da sie sowohl die Wasser- als ihre räumliche Auflösung mit weit über
auch die Energieflüsse an der Grenz 10 bzw.100 km für eine Vielzahl von
schicht zwischen Landoberfläche und Anwendungen nicht ausreichend.
Atmosphäre bestimmt. Die hinreichende
Validierung für verschiedene Bewuchsarten Kenntnis der räumlichen Verteilung Mit Tandem-L wird es erstmals mög-
sowie der zeitlichen Entwicklung der lich sein, die Bodenfeuchte über
Bodenfeuchte ist grundlegend für die großen Gebieten mit einer Auflösung
Verbesserung von Modellvorhersagen. von unter 50 m und in kurzen zeit-
Zur Verdunstung von Wasser bedarf lichen Abständen zu messen.
12Kryosphäre
Die Schnee- und Eismassen der Erde bil- Komponenten der Kryosphäre beruhen.
den die Kryosphäre und spielen aufgrund Dennoch gibt es zahlreiche offene
von Rückkoppelungsmechanismen mit Fragen zur Massenbilanz und Dynamik
der Atmosphäre und den Ozeanen eine von Schnee und Eis und zu den Wechsel-
wichtige Rolle im Klimasystem der Erde. wirkungen der Kryosphäre mit der
Atmosphäre und den Ozeanen. Auf dem
Diese Mechanismen haben die Tendenz, Gebiet der Kryosphäre wird die Klärung
Klimaänderungen zu verstärken. Aller folgender wissenschaftlicher Fragen als
dings sind die Prozesse, die Dynamik und vorrangig angesehen:
Massenbilanz der einzelnen Komponen
ten der Kryosphäre regulieren, noch nicht 1. Welche Beiträge leisten Gletscher,
ausreichend bekannt. Aus diesem Grund Eiskappen und polare Eisschilde zum
ist die Ankopplung kryosphärischer Anstieg des Meeresspiegels und in
Prozesse ein Schwachpunkt der jetzigen welcher Art werden Klimaände
Klimamodelle und damit auch einer der rungen deren Massenbilanz und
wesentlichen Gründe für die Unsicherheit Dynamik beeinflussen?
von Klimaprognosen und Klimaszenarien.
Man erwartet von besseren und syste- 2. Wie sehen die regionalen Vertei-
matischen Beobachtungsdaten große lungen von Ausdehnung und
Fortschritte für die Modellierung des Eigenschaften des Meereises aus
Erdsystems unter Einbeziehung der und wie reagieren sie auf Klima-
Kryosphäre. änderungen?
Die Bedeutung von Satellitenmessungen 3. Wie beeinflussen Änderungen
für diese Aufgabe wird im IGOS Cryo der Schnee- und Eismassen die
sphere Theme Report des Weltklima- Zirkulation der Atmosphäre und
Forschungsprogramms betont. Neben Ozeane?
dem Einfluss auf Atmosphäre und Ozean
wirken sich klimabedingte Änderungen 4. Welche räumliche und zeitliche
der Kryosphäre unmittelbar auf Umwelt, Änderungen der Schnee- und
Ökologie und wirtschaftliche Aktivitäten Eisvorräte sind in den kommenden
aus. Schwindende Wasservorräte durch Jahrzehnten auf den Landober-
Rückzug von Winterschnee und Glet flächen zu erwarten und wie
schern beeinträchtigen Wasserversor werden diese Änderungen den
gung, Landwirtschaft und Biodiversität. Wasserhaushalt, die Ökologie
Der Anstieg des Meeresspiegels durch und Biodiversität beeinflussen?
Abschmelzen von Gletschern und pola-
ren Eismassen bedroht Küstenregionen 5. Können Änderungen in der
weltweit. Das Abschmelzen der ark- Kryosphäre abrupte oder kritische
tischen Meereisdecke, das wesentlich Änderungen des globalen Klima-
schneller vor sich geht als prognostiziert, systems auslösen?
schafft neue geopolitische und ökolo-
gische Voraussetzungen in den hohen
Breiten der nördlichen Hemisphäre. Tandem-L wird essenzielle Infor-
mationen zu Eisbewegungen
Satellitensensoren stellen die wichtigste und Topografie und damit zu
Grundlage für umfassende, konsistente Eismassenbilanzen liefern. Messung von Gletschergeschwindigkeiten
und globale Beobachtungen der Schnee- am Beispiel des Aletsch-Gletschers. Die Infor
und Eisvorräte dar. Satellitenmessungen mationen wurden aus flugzeuggetragenen
liefern umfassende Daten, auf denen L-Band-Daten extrahiert.
heutige Kenntnisse der verschiedenen
13Digitales Höhenmodell
Für Teile der Erde existieren derzeit nur es darüber hinaus möglich, regelmäßig
grobe, uneinheitliche oder lückenhafte Updates des Gelände- und Oberflächen
Höhenmodelle, die aus einer Vielzahl modells zu erstellen.
unterschiedlicher Datenquellen zusam-
mengesetzt sind und mit unterschied- Hinzu kommt, dass im X-Band ein
lichen Erhebungsmethoden gewonnen Einfluss der Vegetation auf das digitale
wurden. TanDEM-X wird diese Lücken Oberflächenmodell zu beobachten ist.
schließen und liefert ab 2014 ein welt- Aus vorherigen Untersuchungen zum
weit homogenes Höhenmodell als X-Band-DEM, generiert von der Shuttle
unentbehrliche Grundlage für viele Radar Topography Mission (SRTM), ist
wissenschaftliche und kommerzielle bekannt, dass das digitale Oberflächen
Anwendungen. modell nicht die oberste Waldhöhe dar-
stellt, sondern durch die Eindringung in
Das TanDEM-X-DEM ist mit einer räum- den Wald ca. 10% bis 20% tiefer liegt
lichen Auflösung von 12 m x 12 m und (abhängig von der Dichte des Waldes).
Digitales Geländemodell (L-Band DEM) einer relativen vertikalen Genauigkeit
von 2 m spezifiziert und wird Ende 2015 Dieses Problem ist auch bei dicht
vollständig verfügbar sein. TanDEM-X bewachsenen landwirtschaftlichen
nutzt zur Datenakquisition ein interfero- Anbauarten zu beobachten. TanDEM-X
metrisches Radarsystem im X-Band, das hat in den ersten zwei Missionsphasen
aufgrund der kurzen Wellenlänge von die gesamte Erde zwar zweimal mit
3,1 cm nur zu einem geringen Teil in die unterschiedlichen Basislinien, aber jedes
Vegetation eindringt. Damit liefert die Gebiet zur gleichen Jahreszeit abgebil-
TanDEM-X-Mission in erster Näherung det. Damit war es nicht möglich, über
ein digitales Höhenmodell, das die Erd- landwirtschaftlichen Flächen einmal ein
oberfläche und damit die Oberfläche von digitales Oberflächenmodell mit Vege
stark bewachsenen Flächen (z. B. Wald) tation und einmal ohne Vegetations
und Oberflächen von urbanen Gebieten bewuchs aufzunehmen. Tandem-L hat
(Hausoberflächen) erfasst. Im Gegensatz diese Einschränkungen nicht, da es mit
dazu beschreibt ein digitales Gelände seiner Eindringfähigkeit und dem Kon
modell die topografische Variation unter zept zur multitemporalen Aufnahme
der bewachsenen Fläche. die Effekte ausgleichen kann. Digitale
Geländemodelle haben eine grundlegen
Tandem-L mit einer Wellenlänge von de Bedeutung für ein breites Spektrum
24 cm durchdringt die Vegetation und von kommerziellen und wissenschaftli-
kann mit Hilfe der polarimetrischen SAR- chen Anwendungen (geowissenschaft-
Digitales Oberflächenmodell (X-Band DEM) Interferometrie sowohl die Oberflächen liche Forschungsgebiete, Hydrologie,
topografie als auch die Topografie unter Glaziologie, Geologie, Permafrost, Forst
der Vegetation bestimmen. Damit wird wirtschaft, Umweltforschung, etc.).
Tandem-L, komplementär zu TanDEM-X,
zusätzlich dringend benötigte Infor- Vom Tandem-L-Wissenschaftsteam sind
mationen über die Topografie der die Anforderungen an ein globales digita-
Erdoberfläche liefern. les Geländemodell mit einer räumlichen
Auflösung von 50 m x 50 m und einer
Mit einem voraussichtlichen Start von relativen vertikalen Genauigkeit von
Tandem-L in 2020 könnten erste digitale ~4 m formuliert worden. Das globale
Gelände- und Oberflächenmodelle in digitale Geländemodell wäre mit dieser
2021 zur Verfügung stehen. Diese wären Auflösung einzigartig und die Basis für
damit eine ideale Ergänzung zum Ober- ein einheitliches Kartenmaterial, das nur
flächenmodell der TanDEM-X-Mission. mit Tandem-L erreicht werden kann.
Über die Missionszeit von Tandem-L ist
14Missionskonzept und technische Umsetzung
Messprinzip
Für die Tandem-L-Mission wurde ein von bis zu 350 km abgebildet. Der
innovatives Konzept zur Datenaufnahme zeitliche Abstand zwischen den
entwickelt. Es besteht aus zwei komple- Aufnahmen wird hierdurch minimiert.
mentären Messverfahren: Der Deformations-Modus ist primär für
Anwendungen im Bereich der Geo-
3-D-Struktur-Modus zur dreidimensio- und Lithosphären-Forschung geeignet.
nalen Vermessung und tomografischen
Abbildung von Volumenstreuern wie Beide Messverfahren erlauben eine syste-
Vegetation, Eis, Schnee und trockenem matische und globale Abbildung der Erde
Boden. Dieser Abbildungs-Modus ist mit einer räumlichen Auflösung von bis
erforderlich, um eindeutige Informa zu 3 m (optional kann für kleine Gebiete
tionen über Volumenstreuer zu gewin- sogar eine Azimutauflösung von 1 m
nen (Höhe, Dichte, Struktur, etc.). Der erreicht werden). Während der Deforma
3-D-Struktur-Modus erfüllt in optimaler tions-Modus eine Messwiederholzeit von
Weise die Anwendungsanforderungen ein bis zwei Wochen erfordert, ist für 3-D-Struktur-Modus
im Bereich der Bio-, Hydro- und Kryo den 3-D-Struktur-Modus aufgrund der
sphäre. Grundlage des 3-D-Struktur- langsameren Veränderungen von Volu
Modus ist die vom DLR entwickelte menstreuern ein Wiederholzyklus von
Technik der polarimetrischen SAR-Inter ein bis zwei Monaten ausreichend.
ferometrie (Pol-InSAR). Tandem-L wird
die weltweit erste Radarmission sein, die Im Falle einer Krisensituation (Erdbeben,
mit der innovativen Pol-InSAR-Technik Überschwemmung, Vulkanausbruch,
global 3-D-Struktur-Messungen durch- Deich- oder Waldschaden, etc.) kann λ/2 ≈ 12 cm
führt. durch gezielte Satellitenmanöver und
aufgrund der Wetterunabhängigkeit des
Deformations-Modus zur Erfassung Radarinstruments ein beliebiges Gebiet
von topografischen Veränderungen der auf der Erdoberfläche innerhalb von Δφ
Erdoberfläche mit einer Genauigkeit von ein bis zwei Tagen mit hoher Auflösung
Zentimetern bis Millimetern. In diesem abgebildet werden.
Modus wird ein möglichst breiter Streifen
Deformations-Modus
Tandem-L nutzt zwei komplementäre
Abbildungsmodi in Kombination mit einer
systematischen Aufnahmestrategie, um die
vielfältigen Anforderungen an die Mission
zu erfüllen.
15Vergleich der Eindringtiefe von X-, C- und L-Band mit 3 cm, 5 cm und 24 cm Wellenlänge bei Vegetation. Während Radarwellen im X-Band nur
von der oberen Baumkrone reflektiert werden, dringt das L-Band bis zum Boden. Nur L-Band-Radarsysteme können Signale aus allen Bereichen
der Vegetation empfangen.
Warum L-Band? Radarsatelliten im Formationsflug
Radarsysteme können in einem breiten Erst die Verwendung von zwei Radar-
Spektrum unterschiedlicher Frequenz satelliten in einer innovativen Tandem-
bereiche betrieben werden. Die Auswahl Formation ermöglicht die dreidimen-
der Frequenz beeinflusst maßgeblich sionale Abbildung der Erdoberfläche.
die Radarabbildung und den damit In Verbindung mit der Eindringtiefe im
verbundenen Informationsgewinn. L-Band kann Tandem-L neben der Ober
Mehrere nationale und internationale fläche auch das vertikale Profil eines
Veröffentlichungen sowie Studien mit Volumens tomografisch erfassen.
maßgeblicher Beteiligung von deut-
schen Wissenschaftlern belegen, dass Dies ermöglicht nicht nur die Erstel
Demonstration der tomografischen
der Frequenzbereich im L-Band das lung eines hochgenauen digitalen
Abbildung einer Baumgruppe im L-Band.
größte Potenzial für wissenschaftliche Geländemodells ohne Einfluss der
Für dieses Beispiel wurden die Radardaten
Anwendungen im Bereich Erde und Vegetation, sondern auch die globale
vom Flugzeug-SAR-System des DLR durch
Umwelt aufweist. Messung der Waldhöhe und, darüber
mehrfache Überflüge im Abstand von
hinaus, durch allometrische Beziehungen
wenigen Minuten aufgenommen.
L-Band entspricht einer Wellenlänge von die Bestimmung der darin enthaltenen
24 cm und zeichnet sich im Gegensatz Biomasse.
zum kurzwelligen C- und X-Band (5,6
und 3,1 cm Wellenlänge) durch eine Weiterhin bietet die Tandem-Formation
hohe Eindringtiefe bei Volumenstreuern eine Vielzahl von Vorteilen. Beispiele sind
wie Vegetation, Eis, trockenem Boden die Beobachtung des gleichen Gebiets
und Sand aus. Erst durch die Verwen aus unterschiedlichen Blickwinkeln
dung langwelliger L-Band-Signale ist zur verbesserten Bestimmung von
es möglich, dichte Vegetation bis zum Deformationen, Verdoppelung der
Boden zu durchdringen und damit deren Abbildungs-Streifenbreite, um gleich-
vertikale Struktur zu vermessen. zeitig weite Gebiete aufzunehmen,
Messung von Wellenhöhen und
Ein weiterer essenzieller Vorteil der Meeresströmungen, Bestimmung von
Verwendung von langwelligen Radar- Eisstruktur und deren Veränderung,
signalen ist die stark verbesserte zeit- Messung der jahreszeitlichen Eiszu- und
liche Kohärenz für die Messung von -abnahme, Bestimmung von Meereis-
Erd-Deformationen und Gletscher- dicken, Detektion von Feuchtgebieten
bewegungen. Damit erlaubt Tandem-L und Wasserstandsmessungen unter der
Die simultane Datenakquisition mit zwei Bewegungsmessungen der Erboberfläche Vegetation, Überwachung von Auf-
vollpolarimetrischen Radarsatelliten im in Zentimeter- bis Millimeter-Genauigkeit forstung und Abholzung, Erkennung
L-Band ermöglicht die Aufnahme einzig über sehr lange Zeiträume hinweg. von Waldschäden (Sturm, Feuer, etc.)
artiger Datenprodukte für ein breites Spek und vieles mehr.
trum wissenschaftlicher Anwendungen.
163-D-Darstellung des Stadtwaldes von
Traunstein. Die Waldhöhen wurden aus
Radardaten mit Hilfe der polarimetrischen
SAR-Interferometrie gewonnen.
Messung der Biomasse Boden, Stamm und Baumkrone vonein-
ander getrennt und mit Hilfe der SAR-
Die Bestimmung der Waldbiomasse Interferometrie deren Streuung in der
erfolgt indirekt über die Messung der Höhe bestimmt werden können.
vertikalen Waldstruktur. Ein entscheiden- Hieraus lässt sich die Waldhöhe mit
der Strukturparameter hierbei ist die hoher Genauigkeit ableiten.
Waldhöhe.
Bei Tandem-L werden zusätzlich vertikale
Um weltweit die Waldhöhe zu erfassen, Strukturprofile erstellt, indem mehrere
wird Aufnahmen in einem neuartigen tomo-
grafischen Verfahren miteinander kombi-
- ein langwelliges Radarsignal benötigt, niert werden. Aus diesen Informationen
das durch den Wald bis zum Boden kann die Biomasse dann mit Hilfe von
dringt, allometrischen Gleichungen berechnet
werden. Diese weltweit einzigartige
und
Technik wurde bereits über borealen
und tropischen Wäldern sowie in denen
- die polarimetrische SAR-Interferometrie
gemäßigter Breiten demonstriert und
zur Höhenbestimmung angewendet.
hat gezeigt, dass die Waldhöhe mit einer
Genauigkeit von 10% gemessen werden
Die zukunftsweisende Technik der kann, woraus dann Biomasse mit einer
polarimetrischen SAR-Interferometrie Genauigkeit von 20% abgeleitet wird.
wurde am DLR-Institut für Hochfre
quenztechnik und Radarsysteme
in Zusammenarbeit mit diversen
Partnern in Deutschland und Europa
entwickelt und mit dem flugzeug-
gestützten SAR-System des DLR an
verschiedenen Waldtypen mehrfach
erfolgreich erprobt.
Die Methodik beruht auf einem verein-
fachten Modell des Waldes und auf der
Tatsache, dass mit der SAR-Polarimetrie
17Technologie und Innovationen
Nächste Generation von werden. Verglichen mit TerraSAR-X
hochauflösenden Radarsatelliten und TanDEM-X entspricht dies einer
Steigerung der Abbildungsleistung von
Eine besondere Herausforderung bei der mehr als einer Größenordnung. Wenn
Tandem-L-Mission ist die Entwicklung von hierzu noch die Fähigkeit zur quasikon-
zwei kostengünstigen und zugleich leis- tinuierlichen Abbildung hinzugerechnet
tungsfähigen SAR-Instrumenten für den wird, erhöht sich die Aufnahmekapazität
Einsatz im Weltraum, welche die extre- gegenüber TanDEM-X sogar um mehr als
men Anforderungen der Mission erfüllen. zwei Größenordnungen. Grundlage für
diese Leistungssteigerung ist die Nutzung
Neben dem innovativen Missionskonzept einer entfaltbaren Reflektorantenne mit
wird eine neue Technologie benötigt, einem Durchmesser von 15 m.
um der Nachfrage nach großer Streifen-
breite und hoher Auflösung gerecht zu Die Kombination von Reflektorantennen
werden. Der entscheidende Schlüssel bei mit neuesten Digital-Beamforming-
Tandem-L liegt in der Verwendung einer Techniken ermöglicht, im Vergleich
Tandem-L-Satellit entfaltbaren Reflektorantenne und in der zu herkömmlichen Radarsatelliten mit
mit Reflektorantenne Verlagerung der digitalen Schnittstelle phasengesteuerten Gruppenantennen,
zur Antenne. neben der Leistungssteigerung auch
eine erhebliche Gewichtsreduktion und
Diese technische Revolution ermöglicht damit eine merkliche Senkung der
eine digitale Strahlformung (Digital Missionskosten.
Beamforming), bei der die rückgestreu-
ten Radarsignale von Antennensubarrays Bereits 1999 wurde am DLR-Institut
nach der Digitalisierung parallel zur Pro für Hochfrequenztechnik und Radar-
zessierung geleitet werden. Tandem-L systeme ein erster Prototyp für ein
wird als weltweit erste Radarmission die Radar mit Digital Beamforming auf-
zukunftsweisende Technologie des Digital gebaut und zur Demonstration von
Beamforming in Kombination mit einer neuen Anwendungen in der Luftfahrt
Reflektorantenne einsetzen. Die Nutzung eingesetzt. Im Anschluss wurde ein
des großen Reflektors steigert darüber Technologie-Entwicklungsprogramm bei
hinaus die Empfindlichkeit und ermög- der (damaligen) Astrium GmbH initi-
Einsatz innovativer Technologie bei Tandem-L. licht somit eine erhebliche Reduktion iert mit dem Ziel, die Hardware für ein
Die Technik des Digital Beamforming für der Sendeleistung. Hierdurch können raumfahrtqualifiziertes Radar mit Digital
hochauflösende Radarsysteme wurde in die SAR-Instrumente quasikontinuierlich Beamforming zu entwickeln. Wichtige
enger Kooperation zwischen dem DLR und betrieben werden. Teilaspekte des Digital Beamforming
der Industrie in Deutschland entwickelt konnten inzwischen durch Nutzung der
und patentiert. Die digitale Antennensynthese mit der geteilten Antenne von TerraSAR-X erfolg-
Technologie des Digital Beamforming reich demonstriert werden. Der heutige
steigert die Flexibilität in der Radarab Stand der Hardware- und Algorithmen-
bildung enorm und ermöglicht äußerst Entwicklung erlaubt bereits den konse-
leistungsfähige Betriebsmodi, die an quenten Einsatz dieser hochinnovativen
unterschiedliche Anforderungen des Technologie auf Tandem-L.
3-D-Strukturmodus sowie des Defor
mations-Modus optimal angepasst
werden können.
Durch konsequente Nutzung neuester
Radartechniken kann bei Tandem-L
erstmals eine Streifenbreite von 350 km
Digital-Beamforming-Demonstrator auf mit einer Auflösung von bis zu 3 m im
einem DLR-Hubschrauber vollpolarimetrischen Modus abgebildet
18Bistatischer Radarbetrieb Datenübertragung zum Boden
Die Vermessung von 3-D-Vegetations- Die systematische Datenakquisition mit
und Eisstrukturen sowie die Erzeugung Tandem-L setzt nicht nur neue Maßstäbe
zahlreicher weiterer Produkte erfordert bei der Produktverfügbarkeit und -quali-
die simultane Datenaufnahme mit zwei tät, sondern auch bei dem Datenvolumen,
Radarsatelliten. Die Technologie, zwei das zum Boden übertragen werden muss.
eng kooperierende Radarsatelliten Die derzeitigen Planungen gehen davon
für die Gewinnung hochwertiger aus, dass die beiden Tandem-L-Satelliten
Informationsprodukte einzusetzen, jeden Tag ein Datenvolumen von insge-
wurde weltweit erstmalig bei der samt 5-7 Terabyte aufnehmen. Um diese
TanDEM-X-Mission genutzt. Datenmenge zum Boden zu übertragen,
sollen neueste Übertragungstechniken
Nur hierdurch war es möglich, ein einzig- im Ka-Band sowie ein internationales
artiges digitales Höhenmodell der Erde Netzwerk an Bodenstationen genutzt
zu erstellen. Schlüsseltechnologien sind werden.
hierbei der bistatische Radarbetrieb, der
unter anderem die hochgenaue Synchro Echtzeit-Datenprodukte
Der Formationsflug der Tandem-L-Satelliten
nisation zwischen den Radarsatelliten mit
ist Grundlage für die tomografische
einer Genauigkeit von einer billionstel Um die Nutzer immer möglichst zeit-
Abbildung im 3-D-Struktur-Modus.
Sekunde sowie die präzise Bestimmung nah mit aktuellsten Datenprodukten
der interferometrischen Basislinie mit zu versorgen, soll schritthaltend mit
einer Genauigkeit von 1 mm einschließt. den Datenaufnahmen eine thematische
Tandem-L baut auf dieser weltweit ein- Online-Verarbeitung durchgeführt wer-
zigartigen Technologie auf und entwi- den. Um den Aufwand hierbei in Grenzen
ckelt sie konsequent weiter. zu halten, besitzen diese Produkte mögli-
cherweise noch nicht die höchstmögliche
Formationsflug Genauigkeit, die oftmals erst durch die
Kombination mit anderen Aufnahmen
Tandem-L benötigt zur tomografi- und Produkten erreicht werden kann.
schen Vermessung der 3D-Struktur Sie können aber beispielsweise als wert-
mehrere interferometrische Aufnahmen volle Indikatoren zur Frühwarnung dienen.
mit Satellitenabständen im Bereich
von einem bis weit über 10 km. Um Anwendungsspezifische
diesen Anforderungen gerecht zu wer- Produkterstellung und Archivierung
den, wurde, aufbauend auf der Helix-
Formation von TanDEM-X, ein neues Hochqualitative Produkte sollen auf
Konzept entwickelt, das durch die Bestellung an die Nutzer ausgelie-
geschickte Nutzung von natürlichen Drift- fert werden. Je nach Hintergrund
bewegungen eine periodische Variation des Nutzers kann es sich hierbei um
der Basislinien bei gleichzeitig mini- sensororientierte Produkte (z. B. SAR-
Zur Synchronisation der Radarsysteme wer-
malem Treibstoffverbrauch ermöglicht. Bilder), Zwischenprodukte oder auch
den zwischen den Satelliten kurze Pulse
Während ausgewählter Missionsphasen um veredelte Geo-Informationsprodukte
ausgetauscht. Dies ermöglicht einen hochprä-
kann der zweite Satellit auch dazu wie Biomassekarten handeln. Für aus-
zisen Zeitabgleich mit der Genauigkeit von
genutzt werden, die Aufnahmeleistung gewählte höherwertige Produkte kön-
einer billionstel Sekunde.
im Sinne einer weiteren Verkürzung der nen von den Nutzern auch bestimmte
Zeitabstände zwischen den Aufnahmen zu Verarbeitungsparameter (wie z. B.
steigern. Dies ist beispielsweise ein großer Zeiträume) gezielt gewählt werden. Die
Vorteil für die bedarfsgerechte Daten- Produkterstellung und -verteilung soll über
akquisition nach Erdbeben und anderen das Internet erfolgen. Soweit möglich, wer-
Naturkatastrophen. den nur Zwischenprodukte archiviert, aus
denen dann bei Bedarf die entsprechenden
Endprodukte in Übereinstimmung mit den
Nutzeranforderungen erzeugt werden.
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