Die Shuttle Radar Topography Mission
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Am 23. Februar 2000, 00:22 MEZ ist Endeavour erfolgreich gelandet, nachdem
der Space Shuttle am 11. Februar zu einer wichtigen Mission gestartet ist.
Ihr Ziel ist es, erstmals die ganze Welt mit einem einzigen Instrument zu kartieren. Das hochauflösende
Produkt, eine Karte mit Höheninformationen im horizontalen Gitterabstand von 30m, wird
in wenigen Jahren praktisch frei verfügbar sein und viele Anwendungen revolutionieren.
Bei der Erhebung der Qualität des Höhenmodells sind zwei Mitglieder von
astro!nfo beteiligt und während der Dauer der Mission in den Schweizer Alpen
und Mittelland mit dem Betrieb und Einmessen von Referenzpunkten beschäftigt.
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| Offizieller Patch der SRTM-Mission (NASA) |
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Topographische Modelle - ihre Anwendungen
Topographische Höheninformationen, wie sie uns SRTM bringen wird, werden vielfältig gebraucht,
z.B. für die Schrafur und Höhenlinien in Karten,
von Wanderkarten bis hin zu Karten für die Luftfahrt.
Aber auch Klimamodelle basieren auf Höhenmodellen: Was geschieht, wenn sich
die Atmosphäre erwärmt? Führen die dadurch verursachten Winde zu einem Stau
an einer Bergregion? Kommt es hierdurch zu einer erhöhten Niederschlagstätigkeit?
Mit den Höhenmodellen lässt sich der Abfluss der Niederschläge
simulieren und man kann untersuchen, ob es zu einem erhöhten Überschwemmungsrisiko kommt.
Höhenmodelle sind heute ebenso unentberlich für die Planung von Mobilfunknetzzellen;
es sollen nur soviele Antennen aufgebaut werden müssen, wie unbedingt notwendig sind.
Natürlich sind diese topographischen Informationen auch unentberlich für Flugsimulatoren.
Die Liste von Anwendungen lässt sich beliebig erweitern.
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| Die Verwendung von topographischen Karten am Beispiel unserer Sonnenfinsterniskarte von Zambia.
Die Qualität des globelen Modells (links) lässt zu wünschen übrig (A. Barmettler). |
Allerdings bereits heute gibt es globale Modelle der Erde. Zur Erstellung unserer Karten zum Verlauf von
Sonnenfinsternissen wurde das globale Höhenmodell DTED® (Digital Terrain Elevation Data Level 0)
zusammen im einer globalen Vegetationskarte verwendet. Das DTED hat eine Maschenweite von einer halben
nautischen Meile, was knapp einem Kilometer entspricht. Doch wenn wir einen genaueren Blick auf die
nebenstehende Karte der Sonnenfinsternis vom 21. Juni 2001 von Sambia werfen, dann sehen wir rechteckige Bereiche,
die unscharf wirken und kaum Details zeigen. Dies bedeutet, dass noch Lücken bestehen.
Dort waren die verfügbaren Informationen nicht ausreichend, um die geforderte Auflösung zu erreichen.
Es konnten also nicht Oberflächendetails von nur einem Kilometer Ausdehnung wiedergegeben werden.
Modelle von hoher Qualität existierten bisher nur für begrenzte Gebiete. So existiert beispielsweise
ein digitales Höhenmodell der Schweiz mit 25m Maschenweite. Doch wie das Beispiel der Sambiakarte zeigt, besteht
gerade in der dritten Welt starker Nachholbedarf.
Technik
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| Im Laufe der 11 Tage werden 80% der festen Erdoberfläche kartiert (grüner Bereich) (NASA). |
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Hier setzt nun die Radar-Mission des Space-Shuttles SRTM ein. Das neue Geländemodell, das die gesamte Landmasse mit einer
Maschenweite von nur 30 m abdecken soll, stellt ein Quantensprung in der Modellierung der Landfläche unseres Planeten dar.
Eine kleine Einschränkung existiert: SRTM wird in eine Umlaufbahn gestartet, die eine Bahnneigung zum Äquator von 57
Grad haben wird. Damit können nur Gebiete zwischen 60 Grad Nord und 56 Grad Süd erreicht werden. Doch ist das 80% der
Landmasse der Erde und umfasst beinahe 98% der Weltbevölkerung.
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Um das hochgesteckte Ziel zu erreichen, in nur 11 Tagen alle Daten für die Erzeugung dieses hochauflösenden Geländemodells
zu sammeln, bedient sich SRTM einer Technik, die Radar-Interferometrie genannt wird. In der Radar-Interferometrie nimmt man zwei Radarbilder
von zwei nur leicht verschiedenen Positionen auf. Die Unterschiede in diesen beiden Bildern erlauben es, die Höhenkurven des abgebildeten
Gebietes zu berechnen. Um diese beiden Radarbilder von zwei leicht verschiedenen Positionen zu erhalten, besteht das Radsarsystem von
SRTM aus einer Radarantenne die in der Ladebucht untergebracht ist und einer zweiten Radarantenne, die am Ende eines 60 m langen Masts
angebracht ist. Dieser Mast wird das längste Gebilde sein, das bisher im Weltraum war. Gegenüber optischen Stereobildern hat
der Radar den für eine so kurze Mission entscheidenden Vorteil, dass er unabhängig von Bewölkung und Tageslicht arbeitet.
Nur so ist es möglich, das gesteckte Ziel in 11 Tagen zu erreichen.
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| Der 60m lange Mast wird innerhalb von 20 Minuten ausgefahren. Es ist die längste technische Struktur im Weltraum (DLR). |
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| So stellt sich ein Künstler die SRTM-Mission vor; die Radarstrahlen durchdringen die Wolkendecke und tasten die Erdoberfläche ab (NASA). |
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Die SRTM Daten werden auch zur Erzeugung von virtuellen Bildern der Erdoberfläche genutzt werden, die sogenannte
Landschaftsvisualisierung. Diese können von Wissenschaftlern zur Untersuchung von Überschwemmungen, Erosion, Erdbeben, für Untersuchungen im Bereich Ökologie, Klimatologie und Geologie verwendet werden. Die militärische Anwendung umfasst Missionsplanung und Simulation von Einsätzen. Auch die Mobiltelefonanbieter sind von guten Geländemodellen abhängig um eine Flächendeckung mit möglichst wenig Sende- und Empfangsstationen zu erreichen. Somit ist SRTM eine sehr anwendungsorientierte und zudem auch kostengünstige Raumfahrt-Mission.
Kalibrierungspunkte
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| RSL stellt für SRTM einen Reflektor auf einem Gletscher in der Umgebung des Matterhorns auf etwa 4000 müM auf.
Für den Radar von SRTM werden an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt ähnliche Reflektoren installiert
(© RSL). |
Die Autoren dieses Artikels arbeiten im Bereich der Fernerkundung in den Remote
Sensing Laboratories (RSL) des Geographischen Instituts der Universität Zürich.
Wir stellen im Auftrag von RSL für SRTM im Schweizer Mittelland und in den Alpen insgesamt 7 Radarreflektoren auf.
Die Reflektoren erscheinen im Radarbild als helle Flecken und können somit leicht identifiziert werden.
Die Position der Reflektoren werden wir mit Hilfe von differentiellem GPS auf Zentimeter genau vermessen. Damit ist nun ein Punkt im
aus den Radardaten errechneten Modell des Gelände in Höhe und Position genau bekannt.
Solche Punkte werden Kalibrierung und zur Qualitätsprüfung des Höhenmodells verwendet.
Anders als im gezeigten Bild werden die Reflektoren
für SRTM deutlich grösser sein. An zwei Positionen auf Bergen im Wallis (auf 4000 und 3000 müM) werden kubische
Reflektoren von 1.25m Seitenlänge verwendet. Im Schweizer Mittelland werden Reflektoren von 1m Grösse aufgestellt.
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| Der Punkt an dem der Reflektor aufgestellt werden soll, wird mit differentiellem GPS auf Zentimeter genau
vermessen. Die Antenne zum Empfang der GPS-Satelliten befindet sich an der Spitze des gelben Stativs
(© RSL). |
Bevor ein solcher Reflektor aufgestellt wird, muss zuerst ein Punkt im Geläe markiert werden. Dazu schlagen wir einen
kurzen Holzplock in den Boden. Danach wird eine auf ein Stativ montierte Antenne zum Empfang der Signale der GPS-Satelliten
genau über dem mit dem Holzplock markierten Punkt positioniert. Die empfangenen Signale werden nun über ein paar
Stunden von einem Gerät in der orangen Box aufgezeichnet. Im Labor werden diese
GPS-Messungen mit den gleichzeitig auf festen Stationen mit bekannter geographischer Position gemachten Messungen verglichen.
Erst dieses Vergleichen ermöglicht die Bestimmung der Zentimeter genauen geographischen Position des makierten Punktes. Dieses
Messprinzip heisst differentielles Global Positioning System (DGPS).
Nach der GPS Messung wird die Ecke des Radarreflektor auf die ausgemessene Position gesetzt. Der Orbit des Shuttles und die
Strahlrichtung relativ zur Flugrichtung sind im voraus bekannt. Man kann so die zu erwartende Richtung des Radarstrahls berechnen.
Der Reflektor wird aufgrund der berechneten Strahlrichtung nun so ausgerichtet, dass er den Radarstrahl optimal reflektiert wird, damit
der genau vermessene Punkt in den Radarbildern leicht identifiziert werden kann. Jeder unserer sieben Punkte in der Schweiz wird
wärend der Mission mehrmals überflogen. Bei jedem Überflug kommt dabei der Radarstrahl aus einer anderen Richtung.
Deshalb müssen wir die Reflektoren nach jedem Überflug neu ausrichten.
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| Der Radarreflektor ist auf die berechnete Richtung des Radarstrahls ausgerichtet.
Der Berg im Hintergrund links ist das Breithorn.
Die offiziellen Missions-Berechnungen wurden mit unserer Software überprüft,
damit bei Problemen mit der Einhaltung des nominellen Orbits schnell reagiert werden könnte
(© RSL). |
Die Ecke des Reflektors wird auf einen im windgepressten Schnee eingeschlagenen Holzpflock gesetzt.
Die geographische Position des Pflocks wurde mit DGPS auf Zentimeter genau vermessen
(© RSL). |
(A. Barmettler und R. Brodbeck, RSL)
Weiterführende Links:
23. Februar 2000, Arnold Barmettler,
Roland Brodbeck
