Der Erde in 3D ein großes Stück näher

Erste TanDEM-X Abdeckung der Erde abgeschlossen
TerraSAR-X and TanDEM-X radar satellites in space

Nach einem Jahr hat der deutsche Erdbeobachtungssatellit TanDEM-X zusammen mit seinem Zwillingssatelliten TerraSAR-X die Landflächen der Erde zum ersten Mal komplett abgebildet. Aus der Datenbasis entsteht das weltweit erste einheitliche, hochpräzise und digitale Höhenmodell der Erde in 3D. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) steuert beide Radarsatelliten, erzeugt das Höhenmodell und ist für die wissenschaftliche Nutzung der TanDEM-X-Daten verantwortlich.

Mission TanDEM-X arbeitet zuverlässig wie ein Uhrwerk

TanDEM-X First Coverage

TanDEM-X hat die Erde erstmals komplett erfaßt.

Es erinnert an eine Kür auf dem Eis: Seit einem Jahr bewegen sich die beiden deutschen Radarsatelliten TanDEM-X und TerraSAR-X nur wenige hundert Meter voneinander entfernt in enger Formation im All. Stück für Stück nehmen sie die Erde aus unterschiedlichen Blickwinkeln auf und senden hochauflösende Radardaten aus ihrer Umlaufbahn in 514 Kilometern Höhe zu den drei Bodenstationen in Kiruna (Schweden), Inuvik (Kanada) und O’Higgins am Südpolarkreis. "Die Mission läuft besser als erwartet, es gab keine Aussetzer im Formationsflug der beiden Satelliten, die Sicherheitsmechanismen funktionieren robust und stabil", freut sich Manfred Zink, Projektleiter für das TanDEM-X Bodensegment beim DLR.
Im Lauf des Jahres 2011 wurde der Abstand immer weiter bis auf die minimal zulässigen 150 Meter verkleinert.

"Radaraugen" müssen millimetergenau funktionieren

TanDEM-X Opencast Mine Jülich, Germany

Im Vergleich der Höhenmodelle von SRTM aus dem Jahr 2000 und den aktuellen Daten von TanDEM-X für den Kohletagebau bei Jülich wird die verbesserte Genauigkeit eindrucksvoll sichtbar. Zusätzlich erkennt man die Veränderung im Zeitraum von zehn Jahren.

Die Satelliten-Mission ist bislang weltweit einzigartig und auch für erfahrene Ingenieure hochkomplex. "Nach dem Start von TanDEM-X am 21. Juni 2010 folgte eine sechsmonatige Testphase, in der wir den Satelliten und sein Verhalten in der erdnahen Umlaufbahn umfassend überprüft und kalibriert haben", erinnert sich DLR-Wissenschaftler Zink. In dieser Zeit begann auch der Formationsflug mit dem 2007 gestarteten baugleichen Partnersatelliten TerraSAR-X. Am 14. Dezember 2010 konnte dann der operationelle Betrieb, also das eigentliche Sammeln der Daten für das hochgenaue Höhenmodell, starten.

Dabei wird ein Gebiet - ähnlich dem räumlichen Sehen - von zwei unterschiedlichen Punkten aus per Radar abgebildet. "Die Erzeugung genauer Höhendaten erfordert eine präzise Abstimmung der beiden Satelliten aufeinander", erklärt Gerhard Krieger, leitender Systemingenieur der TanDEM-X-Mission. Unterschiede, zum Beispiel in den Kabellängen der beiden Radarinstrumente, aber auch der Abstand zwischen den beiden Satelliten, müssen präzise kalibriert werden. "Eine gewaltige Herausforderung, wenn man bedenkt, dass ein Millimeter Abweichung einen Höhenfehler von einem Meter verursacht", verdeutlicht Krieger.

Die Aufnahme-Streifen der beiden Radarsatelliten werden zu 50 mal 30 Kilometer großen Höhenmodellen verarbeitet. Aufgrund der hochgenauen Kalibrierung des Satellitenpärchens haben diese "Basisdaten", die am Schluss zu einer globalen dreidimensionalen Karte zusammengesetzt werden, schon jetzt eine sehr gute Qualität.

TanDEM-X und TerraSAR-X sollen bis Mitte 2013 die komplette Landoberfläche der Erde, also rund 150 Millionen Quadratkilometer, mehrfach vollständig erfassen. Entstehen soll ein globales, homogenes, dreidimensionales und hochgenaues Höhenmodell, das für kommerzielle und wissenschaftliche Zwecke gleichermaßen interessant ist.

Datenqualität abhängig von Bodenreflektion

Ursprünglich waren mindestens zwei vollständige Abdeckungen vorgesehen. Für einzelne Teile der Erdoberfläche, beispielsweise den Großteil Australiens, hat das Satelliten-Duo aber schon jetzt, nach dem ersten Überflug, Daten mit ausreichender Qualität aufgenommen. "Die Genauigkeit hängt davon ab, wie gut der Boden die Radarpulse reflektiert, die von den Satelliten ausgesendet und wieder empfangen werden", sagt DLR-Wissenschaftler Manfred Zink. Die Sahara beispielsweise sei schwieriger zu erfassen, da dort das Signal im wahrsten Sinne des Wortes "versandet". Auch Gebiete mit dichter Vegetation, zum Beispiel Regenwälder, erfordern zusätzliche Aufnahmen mit speziell angepasstem Satellitenabstand. "Es werden ein paar weiße Flecken bleiben, doch wir wollen die Lücken natürlich minimieren", wirft Zink einen Blick auf die kommenden Monate.

TanDEM-X Iceland Mosaic

Das erste TanDEM-X Mosaik von Island

Das System Erde besser verstehen

Wir wollen das System Erde besser verstehen und verwenden die Daten zum Beispiel für die Klimaforschung oder die Verkehrsforschung

Irena Hajnsek wissenschaftliche TanDEM-X-Koordinatorin

2011 hat die Wissenschaftlerin 166 beim DLR eingereichten Forschungsanträgen "grünes Licht" gegeben: "Die meisten stammen aus den USA und aus Deutschland. Die TanDEM-X-Fähigkeiten sollen für Fragen der Landschaftsnutzung und Vegetation, der Hydrologie, Geologie oder auch Glaziologie genutzt werden", verdeutlicht Irena Hajnsek. Die Erdbeobachtungssatelliten können also auch Informationen zur Schneehöhe oder zur Veränderung der Eismassen an den Polen oder geologische Karten aus Vulkanregionen und Erdbebengebieten generieren. Die Geschwindigkeit von Schiffen oder Fahrzeugen im Straßenverkehr kann ebenso dokumentiert werden wie Veränderungen in der Natur. Auch für die Landwirtschaft ist die Arbeit der beiden Radarsatelliten wertvoll: "Anhand der Höhe und der Struktur einer Pflanze, beispielsweise Raps, können zum Beispiel Rückschlüsse auf die Qualität und die Biomasse dieser Pflanze gezogen werden", sagt DLR-Wissenschaftlerin Hajnsek.

Erste TanDEM-X Abdeckung

Wußten Sie schon?

Die TanDEM-X Mission wird die Datengrundlage für ein globales digitales Höhenmodell in einer einzigartigen Kombination aus Qualität, Genauigkeit und Abdeckung generieren. Bereits im Jahr 2014 wird das Höhenmodell flächendeckend für die gesamte Landmasse der Erde - immerhin 150 Mio. Quadratkilometer - verfügbar sein.
Die Genauigkeit des TanDEM-X DHMs wird die aller aktuell verfügbaren satellitengestützten Höhenmodelle bei weitem übertreffen und eine relative vertikale Genauigkeit besser als 2m (10m absolute Genauigkeit) in einem horizontalen Raster von ca. 12m x 12m aufweisen.