15. Juli 2015

DLR/NA­SA: 3D-Ra­dar­mes­sun­gen von Wald­ge­bie­ten

Wald­ge­biet Traun­stein: F-SAR Auf­nah­me
Bild 1/5, Credit: DLR.

Waldgebiet Traunstein: F-SAR Aufnahme

Po­la­ri­me­tri­sche Ra­dar­auf­nah­me des Test­ge­biets Traun­stein, auf­ge­nom­men durch den F-SAR Sen­sor im L-Band (22 cm Wel­len­län­ge) am 30. Ju­ni 2015. Dar­stel­lung in Falsch­far­ben: Wald­ge­bie­te er­schei­nen in grün, Ober­flä­chen mit nied­ri­ger Ve­ge­ta­ti­on in blau/rot.
Ver­ti­ka­les Pro­fil des Wald­ge­biets
Bild 2/5, Credit: DLR.

Vertikales Profil des Waldgebiets

Test­ge­biet Traun­stein: Bei­spiel für ein ver­ti­ka­les Pro­fil der Ra­dar­rückstreu­ung die­ses Wald­ge­biets. Die Rückstreu­ung ist in Grün­tö­nen ska­liert, von dun­kel­grün (ge­rin­ge Rückstreu­ung) bis weiß (ho­he Rückstreu­ung). Die durch­ge­zo­ge­nen Li­ni­en stel­len die Hö­hen von Wald­bo­den und -kro­ne, be­stimmt durch Li­d­ar­mes­sun­gen, dar.
NA­SA/DLR-Team­fo­to
Bild 3/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

NASA/DLR-Teamfoto

Grup­pen­bild der NA­SA- und DLR-Wis­sen­schaft­ler bei der ge­mein­sa­men Mess­kam­pa­gne zur drei­di­men­sio­na­len Ver­mes­sung von Wald­ge­bie­ten. Das DLR-In­sti­tut für Hoch­fre­quenz­tech­nik und Ra­dar­sys­te­me und das Jet Pro­pul­si­on der NA­SA (JPL) ver­bin­det seit vie­len Jah­ren ei­ne gu­te Zu­sam­men­ar­beit.
For­schungs­flug­zeug der NA­SA
Bild 4/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Forschungsflugzeug der NASA

Die Wis­sen­schaft­ler des NA­SA-Jet Pro­pul­si­on La­bo­ra­to­ry nutz­ten ein For­schungs­flug­zeug vom Typ Gulf­stream III (G-III).
For­schungs­flug­zeug des DLR
Bild 5/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Forschungsflugzeug des DLR

Für die Mess­flü­ge mit dem F-SAR-Sys­tem nutz­ten die DLR-Wis­sen­schaft­ler das DLR-For­schungs­flug­zeug Dor­nier Do-228. Für die Be­reit­stel­lung und den Ein­satz der For­schungs­flot­te ist der Flug­be­trieb der DLR-Ein­rich­tung Flug­ex­pe­ri­men­te in Ober­pfaf­fen­ho­fen und Braun­schweig zu­stän­dig.

Baumkronen und Zweige dicht an dicht, nur vereinzelt geben Lichtungen den Blick auf Stamm und Wurzeln preis. Ob deutscher Fichtenwald oder tropischer Regenwald – nur wenige Sensoren sind in der Lage durch diesen grünen Teppich zu blicken und die Strukturen deutlich sichtbar zu machen. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) entwickelt eine Radartechnologie, die Waldgebiete erstmals in hoher Auflösung dreidimensional abbildet, von den Wipfeln bis zum Boden. In einer gemeinsamen Messkampagne mit der US-amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA haben die Radarexperten des DLR die Leistungsfähigkeit des speziellen F-SAR Sys­temnun bestätigt. Ziel der Zusammenarbeit war es die Möglichkeiten von Radardaten hinsichtlich der Ableitung von verschiedenen Parametern zu validieren, etwa die Höhe oder die vertikale Struktur eines Waldes.

"Die Zusammenarbeit mit der NASA ermöglicht es uns, sowohl die Sensortechnik als auch die verwendete Algorithmik auf Herz und Nieren zu testen. Schön, dass alles so gut geklappt hat", sagt Projektkoordinator Priv.-Doz. Dr. Andreas Reigber vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Gleiche Aufgabe, verschiedene Sensoren

Für einen Kreuzvergleich der Daten erstellten NASA und DLR Aufnahmen desselben Gebiets mit jeweils unterschiedlichen Sensorsystemen. Die Messflüge fanden über einem Testgebiet bei Traunstein statt: Das NASA-Jet Propulsion Laboratorynutzte seinen UAVSAR-Sensor an Bord eines Forschungsflugzeugs vom Typ Gulfstream-III. Nach zwei Tagen hatten die Partner aus Pasadena alle Aufnahmen "im Kasten". Unter Beachtung möglichst identischer Bedingungen und Wetterverhältnisse startete rund eine Woche später das DLR-Team vom Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme seine Messreihe. Mit dem DLR-Forschungsflugzeug Dornier Do-228 überflogen Reigber und seine Kollegen das Testgebiet zehn Mal in kurzer Abfolge. Der Wald wurde dabei aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen. Nur so lässt sich aus den Einzelaufnahmen später ein dreidimensionales Bild erstellen.

Das F-SAR Sys­tem des DLR-Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme ist für den Wald-Einsatz besonders geeignet, da es Messungen in mehreren Wellenlängen gleichzeitig erlaubt. In nur einem Überflug kann das F-SAR so verschiedene Ebenen eines Gebiets erfassen. Für die räumliche Vermessung des Traunsteiner Waldes wurden drei verschiedene Wellenlängen eingesetzt: Um den oberen Bereich der Waldkrone abzutasten, setzten die DLR-Wissenschaftler auf Radarsensoren im C-Band und X-Band Frequenzbereich. Das L-Band hingegen dringt durch die Vegetation und gibt sozusagen den Blick frei auf den Waldboden.

Die ersten Auswertungen der Messkampagne bestätigen nun die Messgenauigkeit des F-SARs. Die Vergleichsdaten der NASA können die DLR-Wissenschaftler außerdem nutzen, um das Radarsystem noch gezielter zu kalibrieren. Unterschiede in den Aufnahmen geben den Radarexperten Aufschluss über die Fähigkeit eines Sensors bestimmte Waldeigenschaften zu erkennen. Die dreidimensionalen Radarbilder des Waldes, das "Endprodukt", erstellen die Wissenschaftler nach der vollständigen Auswertung der Daten.

Klimafaktor Biomasse

Die Eigenschaften eines Waldes auf einen Blick, egal wie komplex, undurchdringlich und weitläufig – davon träumen nicht zuletzt Umwelt- und Klimaforscher. Denn anhand der Struktur eines Waldes können sie seine Biomasse ermitteln. Biomasse hat als natürlicher Kohlenstoffspeicher unmittelbaren Einfluss auf den Treibhauseffekt. Die Radar-Tomographie eröffnet damit ganz neue und effiziente Methoden einen grundlegenden Klimafaktor zu bestimmen. Die DLR-Wissenschaftler wollen die 3D-Radarvermessung von Waldgebieten für den Regelbetrieb etablieren – und auch auf Satelliten zum Einsatz bringen. Die erfolgreiche Messkampagne zusammen mit dem NASA-Jet Propulsion Laboratory hat nun bestätigt, dass die Radartechnologie aus Oberpfaffenhofen genau auf dem richtigen Weg ist. Die Zusammenarbeit war somit ein wichtiger Schritt zur Vorbereitung der nächsten Erdbeobachtungsmissionen.

Im Auftrag der europäischen Weltraumorganisation ESA bereitet das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme derzeit "BIO­MASS" vor, eine satellitengestützte Mission zur Radarbeobachtung der Erdoberfläche. Im Fokus: die Bestimmung der Biomasse tropischer Regenwälder. Darüber hinaus steht das Institut an der Speerspitze von "Tan­dem-L", einer hochinnovativen Satellitenmission zur Erfassung von dynamischen Prozessen auf der Erdoberfläche mittels Radar. Ausblicke der Forschung, die ein Waldüberflug zunächst nicht vermuten lässt.

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  • Katrin Witte
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