GeoWAM - Neue Geodaten zur Verbesserung des Wassermanagements tidebeeinflusster Küstenbereiche

Das im November 2018 gestartete BMVI-Forschungsprojekt Neue Geodaten zur Verbesserung des Wassermanagements tidebeeinflusster Küstenbereiche (GeoWAM) zielt auf eine verbesserte Geodatenerfassung in tidebeeinflussten Küstenbereichen ab. Als zu optimierende Erfassungsmethode liegt dem Projekt die flugzeuggestützte Radarinterferometrie (InSAR - Interferometric Synthetic Aperture Radar) zugrunde. Das mit einer dreijährigen Laufzeit angesetzte Forschungsprojekt wird vom Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI) im Rahmen der Förderrichtlinie Modernitätsfonds („mFUND“) mit insgesamt 2.25 Millionen Euro gefördert.

Die Herausforderungen

Als tidebeeinflusster Küstenbereiche stehet an der Nordseeküste für die Erfassung von Geodaten nur ein geringes Zeitfenster zur Verfügung, welches sich durch die zwischen Ebben und Flut schwankenden Wasserstände sowie den jeweils vorherrschenden Wetterverhältnissen ergibt. Das Wassermanagement in diesen tidebeeinflussten Bereichen der Nordsee basiert auf aktuellen und hochaufgelösten Geodaten in Form von digitalen Gelände- und Oberflächenmodellen, welche als Grundlage bei wasserbaulichen, wasserwirtschaftlichen, gewässerkundlichen sowie ökologischen Fragestellungen herangezogen werden.

Aufgrund des aktuellen Stands der Technik wird derzeit bevorzugt auf die Methode des Airborne Laserscannings (ALS) zurückgegriffen, um eine hochaufgelöste Erfassung der trockengefallenen Wattbereiche und des Vorlandgeländes zu realisieren. Ein Nachteil dieser Erfassungsmethode liegt in der Grundvoraussetzung der Wolken-, Regen- und Nebelfreiheit während der Befliegung. Des Weiteren besteht die Herausforderung eine große Fläche innerhalb einer kurzen Zeitspanne zu erfassen. Im Vergleich zur optischen ALS-Methode zeichnet sich die auf Radar basierende InSAR-Technik insbesondere durch eine geringere Signaldämpfung durch Witterungseinflüsse aus und ist als aktives Verfahren unabhängig von der Tageszeit. Zusätzlich bietet die Geodatenerfassung mit Hilfe der Radarinterferometrie den Vorteil einer bis zu fünffach höheren Flächenleistung. Mit Hilfe der InSAR-Methode lassen sich die tidebedingten, kurzen Zeitfenster daher effektiver nutzen.

Projektziele

Damit die flugzeuggestützte InSAR-Technik für einen breiten Anwendungs- und Nutzerkreis attraktiv und einsatzbereit wird, bedarf es einer Optimierung der neuen Erfassungsmethode sowie der anschließenden Aufbereitung und Analyse der erzeugten Geodaten. Die auf diesen Produkten basierenden themen- und datenspezifischen Fragestellungen, welche unter anderem auf das Monitoring von Vegeta­tions­einheiten oder morphologische Langzeit- und Klimaänderungsanalysen abzielen, werden ebenfalls im Optimierungsprozess berücksichtigt.

Anhand von drei Befliegungskampagnen in zwei Testgebieten wird eine Prozesskette von der Befliegung bis hin zur Bereitstellung von Geodatenprodukten erzeugt und optimiert. Bereits im Juli 2019 wurde die erste InSAR-Befliegung vom DLR in den Testgebieten der Otzumer Balje und der Tide Elbe erfolgreich durchgeführt. Zeitgleich zur Befliegung hat der NLWKN Referenzdaten für eine spätere Evaluierung der Befliegungsergebnisse erhoben. Zusätzlich zu den selbst erhobenen Referenzdaten wird auf Daten einer zeitnah durchgeführten ALS-Befliegung der Firma BSF Swissphoto zurückgegriffen. Bis zur nächsten Kampagne im Frühjahr 2020 werden die erhobenen Rohdaten aus der ersten Befliegung vom DLR und den beiden Universitäten ausgewertet und von der BfG und dem NLWKN mit Hilfe der Referenzdaten validiert und hinsichtlich ihrer Nutzbarkeit aus Anwendersicht geprüft. In diesem iterativen Prozess wird die Entwicklung der neuen Algorithmen fortschreitend vorangetrieben. Vom Projektpartner Disy werden die erzielten Ergebnisse anschließend mit Hilfe der Geo-Analytics-Plattform Cadenza über OGC- und INSPIRE-konforme Standardschnittstellen in existierende Infrastrukturen für Geodaten eingebunden. Sobald die ersten Ergebnisse zur Verfügung stehen, werden diese der Öffentlichkeit über die mCLOUD des BMVI zugänglich gemacht werden.

Zusammenfassend soll die auf der flugzeuggestützten InSAR-Technik basierende Datenerzeugung schneller, qualitativ hochwertiger und wetterunabhängiger werden. Wobei die Schwerpunkte des NLWKN innerhalb des GeoWAM-Projekts in der Bereitstellung von Referenzdaten in den Testgebieten, der Evaluierung der erzeugten InSAR-Produkte und der Durchführung einer Übertragbarkeitsanalyse liegen.

Weitere Projektseiten:

• Projektseite des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur
• Projektseite der Disy Informationssysteme GmbH

Abb. 3: Die Befliegungskampagnen. Das für die drei Befliegungskampagnen genutzte Forschungsflugzeug des DLR mit F-SAR Sensor. Dieser Sensor ermöglicht die simultane Aufzeichnung in bis zu 4 Frequenzbändern. Für das Projekt relevant sind das X-Band (hohe Auflösung) und das S-Band (Vegetationseindringung) (links, Quelle: GeoWAM-Projektwebsite).

Diese beim Strand von Harlesiel aufgestellte Radarreflektoren dienen als Referenzpunkte am Boden. Sie arbeiten nach dem Katzenaugenprinzip: Die einfallenden Wellen werden dreimal reflektiert und wieder genau in die Richtung zurückgesandt, aus der sie kamen. Somit ist der Reflektor als heller Punkt mit genau bekannter Position im Radarbild zu erkennen (rechts).

Abb. 4: Erste Ergebnisse. Ein Vergleich der in der Vorstudie (2014) erzeugten Höhenmodelle, welche auf der Geodatenerfassung mit Hilfe der InSAR- bzw. ALS-Technik basieren (links, Quelle: GeoWAM-Projektantrag im Rahmen der BMVI-Förderrichtlinie „Modernitätsfonds“).

Das aus den InSAR-Befliegungsdaten vom Juli 2019 erstellte Oberflächenmodell im Gebiet der Otzumer Balje, welches aus der Single-Pass-Aufnahme des X-Bandes erzeugt wurde (rechts).