7. Juni 2022
Die Bodenfeuchte im Blick

Ra­dar­mes­sun­gen für ef­fi­zi­en­te Agrar­wirt­schaft

L-Band-Satellitenbild des Testgebiets bei Foggia.
L-Band-Radar­bild des Test­ge­biets bei Fog­gia.
Bild 1/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

L-Band-Radarbild des Testgebiets bei Foggia.

L-Band Radar­bild des Test­ge­bie­tes bei Fog­gia. Falsch­far­ben­dar­stel­lung der po­la­ri­me­tri­schen Ra­dar­si­gna­tu­ren im L-Band (Wel­len­län­ge 23cm) von Agrar­nutz­flä­chen, Ge­bäu­den und In­fra­struk­tur im Test­ge­biet.Ro­te Flä­chen zei­gen un­ter an­de­rem Pflan­zenstie­le, Ge­bäu­de­kan­ten oder Hoch­span­nungs­lei­tun­gen par­al­lel zum Flug­pfad. Dar­ge­stellt ist hier­bei die Dif­fe­renz der ko-po­la­ri­sier­ten Bil­der mit Hin­wei­sen auf Dop­pel­re­fle­xi­on. Grü­ne Flä­chen wei­sen vor­al­lem auf hö­he­re Ve­ge­ta­ti­on hin. Sie ent­spre­chen dem kreuz­po­la­ri­sier­ten Ka­nal des Ra­dar­si­gnals. Blaue Flä­chen sind ty­pisch für ve­ge­ta­ti­ons­frei­he Flä­chen. Sie zeigt die Sum­me der ko-po­la­ri­sier­ten Bil­der.
DLR-Forschungsflugzeug mit F-SAR Radarsensor
For­schungs­flug­zeug Dor­nier DO 228 mit F-SAR Ra­dar­sen­sor an Bord
Bild 2/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Forschungsflugzeug Dornier DO 228 mit F-SAR Radarsensor an Bord

For­schungs­flug­zeug Dor­nier DO 228 des DLR mit ein­ge­bau­tem F-SAR Ra­dar­se­nor vor dem DLR Han­gar in Ober­pfaf­fen­ho­fen. Mul­ti-fre­quen­te, po­la­ri­me­tri­sche und in­ter­fe­ro­me­tri­sche SAR Da­ten wer­den si­mul­tan aus ei­ner no­mi­na­len Flug­hö­he von 3000 Me­tern über Grund er­flo­gen.
DLR-Forschungsflugzeug Dornier 228
Be­tan­kung der Dor­nier DO 228 des DLR mit F-SAR an Bord.
Bild 3/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Betankung der Dornier DO 228 des DLR mit F-SAR an Bord.

Die DLR Dor­nier DO 228 mit F-SAR an Bord bei der Be­tan­kung vor dem nächs­ten Mess­flug auf dem Vor­feld des Flug­ha­fens Gi­no Li­sa bei Fog­gia (Apu­li­en, Ita­li­en).
C-Band-Radarbild des Testgebiets bei Foggia.
C-Band-Radar­bild des Test­ge­biets bei Fog­gia.
Bild 4/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

C-Band-Radarbild des Testgebiets bei Foggia.

C-Band-Radar­bild des Test­ge­bie­tes bei Fog­gia. Falsch­far­ben­dar­stel­lung der po­la­ri­me­tri­schen Ra­dar­si­gna­tu­ren im C-Band (Wel­len­län­ge 5,6 cm) von Agrar­nutz­flä­chen, Ge­bäu­den und In­fra­struk­tur im Test­ge­biet.Ro­te Flä­chen zei­gen un­ter an­de­rem Pflan­zenstie­le, Ge­bäu­de­kan­ten oder Hoch­span­nungs­lei­tun­gen, par­al­lel zum Flug­pfad. Dar­ge­stellt ist hier­bei die Dif­fe­renz der ko-po­la­ri­sier­ten Bil­der mit Hin­wei­sen auf Dop­pel­re­fle­xi­on. Grü­ne Flä­chen wei­sen vor­al­lem auf hö­he­re Ve­ge­ta­ti­on hin. Sie ent­spre­chen dem kreuz­po­la­ri­sier­ten Ka­nal des Ra­dar­si­gnals. Blaue Flä­chen sind ty­pisch für ve­ge­ta­ti­ons­frei­he Flä­chen. Sie zeigt die Sum­me der ko-po­la­ri­sier­ten Bil­der.
Luftbild des Testgebiets bei Foggia.
Luft­auf­nah­me der Test­ge­biets bei Fog­gia.
Bild 5/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Luftaufnahme der Testgebiets bei Foggia.

Fo­to­gra­fie des Test­ge­bie­tes bei Fog­gia, auf­ge­nom­men im Über­flug von Bord des DLR For­schungs­flug­zeugs. Im rech­ten Drit­tel des Fo­tos sind die Stadt Fog­gia und ein Teil des Flug­ha­fens ab­ge­bil­det. Die Agrar­flä­chen des Test­ge­bie­tes sind links da­von zu se­hen und er­stre­cken sich vom un­te­ren bis zum obe­ren Bild­rand.
Künstlerische Darstellung der Tandem-L-Satelliten im Orbit
Künst­le­ri­sche Dar­stel­lung der Tan­dem-L-Sa­tel­li­ten im Or­bit.
Bild 6/6, Credit: DLR (CC BY-NC-ND 3.0)

Künstlerische Darstellung der Tandem-L-Satelliten im Orbit.

Missi­on Tan­dem-L – Vor­schlag für ei­ne Sa­tel­li­ten­mis­si­on zur Er­fas­sung von dy­na­mi­schen Pro­zes­sen auf der Erd­ober­flä­che.
  • Zusammen mit dem italienischen Forschungspartner IREA führt das DLR zwei Radar-Messkampagnen über dem Gebiet der Tavoliere-Ebene durch.
  • Die Forschenden entwickeln neue Radartechnologien zur Messung von Bodenfeuchte, die dabei helfen sollen für eine effizientere Wasserwirtschaft zu sorgen.
  • Für die Messungen kam das DLR-Forschungsflugzeug DO 228 mit dem F-SAR Radarsystem an Bord zum Einsatz.
  • Schwerpunkte: Raumfahrt, Luftfahrt, Tandem-L, Klimawandel, Agrarwirtschaft

Dürre und Trockenperioden bedrohen zunehmend den Ackerbau. In Europa betrifft das insbesondere die Mittelmeer-Region mit ihren bedeutenden Obst-, Gemüse- und Getreideflächen. Um angesichts des globalen Klimawandels Ernten weiterhin zu sichern, muss die Wasserversorgung angepasst werden. Ein wichtiger Faktor ist die Bodenfeuchte. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet neue Radartechnologien, die es ermöglichen sollen, die Feuchtigkeitsverteilung in Pflanzen und den obersten Bodenschichten abzubilden, um gezielt Maßnahmen einleiten zu können. Gemeinsam mit dem italienischen Institut für Elektromagnetische Umweltsensorik IREA haben die Forschenden im April 2022 die erste von zwei mehrtägigen Testkampagnen in Italien durchgeführt. Die zweite Kampagne findet vom 14. bis 17. Juni 2022 statt.

Die erhobenen Daten dienen dazu, Verfahren zur Ableitung des Informationsprodukts „Bodenfeuchte“ in Hinblick auf aktuelle wie zukünftige europäische Radarsatellitenmissionen anzuwenden und zu testen. Die Verteilung der Bodenfeuchte in der abgebildeten Region wird in Form einer Karte geografisch dargestellt. Die Ergebnisse der Messkampagnen sind insbesondere für die Radarsatellitenmission Tandem-L von Bedeutung, die zukünftig die Bodenfeuchte neben anderen Klimavariablen global in den Blick nehmen könnte.

Kritischer Wasserhaushalt: Testgebiet Tavoliere

Als Testgebiet nutzt das Team landwirtschaftliche Flächen in der Tavoliere-Ebene: Das Gebiet ist für seinen kritischen Wasserhaushalt bekannt und erstreckt sich über etwa 4.000 Quadratkilometer. Die Tavoliere ist begrenzt durch den Gargano Nationalpark im Norden, den Daunia-Bergen im Westen, und der Adria. Während der Gargano und die Daunia-Berge klimatisch feuchtere Gebiete sind, herrscht im Bereich des Tavoliere das typische, halbtrockene Mittelmeerklima mit einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von 450 Millimeter. Der Boden wird hauptsächlich als Ackerland genutzt. Die wichtigsten saisonalen Anbauprodukte sind Hartweizen, Tomaten, Pferdebohnen, Spargel, Kichererbsen und Artischocken. Um die Wasserversorgung zu sichern, ist es für die Wasserwirtschaft unabdingbar, detaillierte Kenntnisse über vorhandene oberirdische Gewässer und die Feuchtigkeitsverteilung zu haben.

Flugzeug-Radarmessungen mit F-SAR

Im April führte das deutsch-italienische Forschungsteam an zwei aufeinanderfolgenden Tagen Messungen des Wassergehalts in der Vegetation und der oberen Bodenschicht durch. Zeitgleich überflog es die Flächen mit dem F-SAR-System des DLR. In vier langen Flügen erstellte das Radarsystem an Bord des DLR-Forschungsflugzeugs Dornier DO 228 simultan Aufnahmen in den Frequenzbereichen C- und L-Band, was eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse ermöglicht. Aus den Radardaten wird die Verteilung der Feuchte in Vegetation und Boden abgeleitet sowie deren Veränderungen über einen bis zu 30-stündigen Zeitraum verfolgt. Eine Bewertung der Qualität der Radarmessergebnisse erfolgt durch Vergleich mit den „in-situ“ Messungen am Boden, unter Verwendung einer aktuellen Landnutzungskarte.

„Wir sind sehr zufrieden mit dem Verlauf der ersten Messkampagne. Die Messungen konnten bei guten Bedingungen durchgeführt werden. Probeweise prozessierte SAR-Daten zeigen eine gute Qualität. Wir erhoffen uns für die zweite Messkampagne einen ebenso guten Verlauf“, sagt Projektleiter Ralf Horn vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Die Forschenden wählten unterschiedliche Agrarflächen für die Bodenmessungen aus, darunter auch ein brachliegendes Feld. Künstliche Bewässerung wurde nach einem bestimmten Zeitplan gezielt eingesetzt, um eine Abtrocknung im Zeitverlauf beobachten zu können. Im Juni werden die Messungen wiederholt, um unter anderem dabei zu helfen jahreszeitlich bedingte Veränderungen der Bodenfeuchte festzustellen.

Simulation zukünftiger Satellitenradarkonzepte

Radarsensoren auf einem Flugzeug liefern vergleichbare Daten wie Systeme an Bord von Satelliten. Das F-SAR-Instrument an Bord der Dornier DO 228 wurde insbesondere dafür entwickelt, die Datenqualität zukünftiger Satellitenradare zu simulieren. So nahm das DLR-Team bei ihren Messflügen Bildserien in einem bestimmten zeitlichen Rhythmus auf. Diese multi-temporalen, über zwei Stunden langen Radarbildfolgen werden so verarbeitet, dass zum Schluss Radarbilder entstehen, wie sie ein Hydroterra-Satellit künftig aus dem All erzeugen würde. Im Rahmen einer laufenden ESA-finanzierten Studie soll nun untersucht werden, mit welcher Qualität sich Informationen über die sich ändernde Feuchte in Vegetation und Boden aus den simulierten Hydroterra-Bildern extrahieren lassen.

Tandem-L: Globales Umweltbeobachtungssystem für morgen

Die aktuelle Messkampagne steht in enger Verbindung mit Tandem-L, einem Vorschlag des DLR für eine hochinnovative satellitengestützte Radarmission zur Umweltbeobachtung. Eine Konstellation aus zwei L-Band Radarsatelliten soll Daten mit einer bisher nicht erreichten Qualität und Auflösung liefern. Eine Vielzahl dynamischer Prozesse in Bio-, Geo-, Kryo- und Hydrosphäre würden erfasst werden. Speziell im Bereich der Hydrosphäre wäre eine regelmäßige feinskalige Messung der oberflächennahmen Bodenfeuchte zur Erforschung des weltweiten Wasserkreislaufs möglich.

Tandem-L könnte im Wochenrhythmus eine aktuelle Abbildung der gesamten Landmasse der Erde in 3D liefern und dabei gleichzeitig mehrere für die Klimamodellierung relevante Parameter messen. So würde die Radarmission maßgeblich zum besseren Verständnis von Prozessen dienen, die heute als Treiber der globalen Klimaänderung gesehen werden. Die gewonnenen Informationen sollen Politik und Gesellschaft befähigen, auf lokaler, regionaler wie auch globaler Ebene die bestmöglichen Handlungsentscheidungen zu treffen.

Über die Partner

IREA, das italienische Institut für elektromagnetische Umweltsensorik, ist Teil des italienischen Nationalen Forschungsrats CNR, in dem es sich im Bereich „Earth System Science and Environmental Technology“ engagiert. IREA wurde bei den Bodenmessungen durch CREA, dem Rat für landwirtschaftliche Forschung und Wirtschaft, unterstützt. Der Forschungsrat unterhält in der Tavoliere-Ebene bei Foggia zwei Versuchsfarmen mit angegliederten landwirtschaftlichen Testflächen. So sind dort unter anderem Wetterstationen und Zusatzdaten zu Bodenbedeckung und Bodentextur verfügbar.

Für die Messflüge ist das DLR-Forschungsflugzeug DO 228 D-CFFU im Einsatz. Die Dornier wird überwiegend zur Fernerkundung eingesetzt und von der DLR-Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betrieben.

Kontakt
  • Bernadette Jung
    Kom­mu­ni­ka­ti­on Ober­pfaf­fen­ho­fen, Weil­heim, Augs­burg
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)

    Kom­mu­ni­ka­ti­on und Pres­se
    Telefon: +49 8153 28-2251
    Münchener Straße 20
    82234 Weßling
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  • Ralf Horn
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    In­sti­tut für Hoch­fre­quenz­tech­nik und Ra­dar­sys­te­me
    Münchner Straße 20
    82234 Oberpfaffenhofen-Weßling
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Hydroterra

Hydroterra wurde der ESA als eine mögliche zukünftige Earth Explorer Mission vorgeschlagen. Das Konzept basiert auf einem Radarsatelliten im geosynchronen Orbit. Das heißt, der Satellit bewegt sich in einer leichten Ellipse quasi „auf der Stelle“ und beobachtet permanent dieselbe Region. Hydroterra soll den Wasserkreislauf im Mittelmeerraum über Afrika und Europa erfassen.