Nutzung von hochauflösenden Satellitendaten zur großräumigen Überwachung von Umweltauswirkungen bergbaulicher Tätigkeiten im Ruhrgebiet (1999)

Ein Projekt der Deutschen Steinkohle AG (DSK) [http://www.deutsche-steinkohle.de], gefördert durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) [http://www.dlr.de], unter Vertragsnummer 50EE9652,
in Zusammenarbeit mit dem Institut für Geotechnik und Markscheidewesen (IGMC) der TU Clausthal-Zellerfeld [http://www.imac.tu-clausthal.de] (Arbeitspaket 1) und dem Institut für Photogrammetrie und Ingenieurvermessungen (IPI), Universität Hannover (Arbeitspaket 2)

Ansprechpartner: Karsten Jacobsen

Hintergrund und Ziel:
Der dynamisch fortschreitende, untertägige Abbau in einer durchschnittlichen Tiefe von 950 m hat Auswirkungen auf die Erdoberfläche. Die von Bergbausenkungen betroffenen Flächen umfassen heute und in Zukunft eine Fläche von rund 1500 km². Bei allen umweltrelevanten Planungen ist die Deutsche Steinkohle AG verpflichtet, die Auswirkungen des untertägigen Steinkohleabbaus auf die Erdoberfläche zu überwachen und zu analysieren. Der Abbau folgt den nach Norden einfallenden Flözen ("Nordwanderung"), so daß zunehmend der dort landwirtschaftlich geprägte Raum von den Senkungen betroffen ist. Hier sind insbesondere die Überwachung der lokalen Vorflutverhältnisse, der ökologischen Standortgegebenheiten sowie der Vergleich der erstellten Prognosen mit den eingetretenen Veränderungen von Bedeutung. Die für die DSK notwendige Erfassung von genauen und aktuellen Höhendaten erfolgt bisher durch terrestrische Vermessungen und flächendeckend durch die Verfahren der analytischen Photogrammetrie. Ziel des Projektes ist die Nutzung von geometrisch hochauflösenden Daten zur Überwachung und Auswertung der Veränderungen in den betroffenen Abbaugebieten.

Aufgabe und Methoden:
Auf der Grundlage des geplanten Abbaus werden bei der DSK jährlich Senkungsvorausberechnungen erstellt. Sobald die Informationen über den tatsächlichen Abbau vorliegen, wird jeweils für das Gebiet eines Bergwerkes eine Senkungsnachberechnung durchgeführt, wobei die vorhandenen terrestrischen und photogrammetrischen Messungen berücksichtigt werden. Da diese Gebiete Größen von 20 km² bis über 100 km² haben, ist eine flächendeckende terrestrische Höhenaufnahme zu zeit- und kostenintensiv. Auch die photogrammetrische Auswertung großer Gebiete an analytischen Auswertegeräten ist mit einem hohen Zeitaufwand verbunden. Aus diesem Grunde gewinnen Aufnahmesysteme an Bedeutung, die in der Lage sind, Höhenmodelle großer Areale in kurzer Zeit zur Verfügung zu stellen. Ein solches Aufnahmesystem ist die Mehrzeilenkamera HRSC-A (High Resolution Stereo Camera - Airborne) des Instituts für Planetenerkundung, DLR Berlin-Adlershof [http://www.dlr.de/HRSC-A]. Aus den Aufnahmen dreier "Stereozeilen" der HRSC-A sowie zweier zusätzlicher sogenannter "photometrischer Zeilen" können mit automatischen Matchingverfahren digitale Oberflächenhöhenmodelle (DOM) erstellt werden.

Ergebnisse:
Die Datengrundlage bilden ein, an analytischen photgrammetrischen Auswertegeräten gemessenes, digitales Geländemodell (DGM) eines Bildfluges vom März 1993 im Bildmaßstab 1:6000, die Höhen einer regelmäßig beobachteten Nivellementlinie von 1992 bis 1999 und die Senkungsvoraus- bzw. Senkungsnachberechnungen für die Zeiträume vom Bildflug ’93 zu den Zeitpunkten weiterer Datenaufnahmen. Im Frühjahr 1999 wurden ca. 1200 GPS-Punkte auf Straßen im Untersuchungsgebiet und etwa 540 GPS-Punkte auf einem Parkplatz (5 m - Gitter) gemessen, um eine unabhängige Kontrolle der Höhendaten zu gewährleisten.Im Jahre 1998 erfolgte im Mai die Aufnahme eines 6 km² großen Testgebietes und im August die Befliegung eines Gebietes von etwa 50 km² mit der HRSC-A. Die Erstellung der digitalen Höhenmodelle und der Orthobilder erfolgte am Institut für Planetenerkundung.Die vom Institut für Planetenerkundung ermittelte Genauigkeit der HRSC-A Kamera ( ± 1,5 Pixel) kann für freie Flächen bestätigt werden. Auf dem Parkplatz lag die Differenz zwischen den GPS-Punkten und dem HRSC-DOM innerhalb der Meßgenauigkeit. Allerdings werden auch die Höhen der Vegetation, von Bauwerken und geparkten Fahrzeugen erfaßt, die sich auf den Vergleich der Höhen auswirken und berücksichtigt werden müssen. Große Höhenfehler wurden in Schattenbereichen und auf gepflügten Feldern gefunden, wo über das angewandte automatische Matchingverfahren keine korrekte Zuordnung der korrespondierenden Bildpunkte erfolgen konnte.Stellenweise konnten Differenzen zwischen dem HRSC-DOM und dem mit der Senkungsnachberechnung korrigierten analytischen DTM im Bereich von ± 1 m festgestellt werden, die auf eine Abweichung des Senkungsmodells vom tatsächlichen Zustand hinweisen.

Literatur

Benecke, N.; Brandt, S.; Fischer, C.; Spreckels, V.; Vosen, P.: Überwachung der Tagesoberfläche im Gebiet des Steinkohlenbergbaus - Nutzung von GIS, Photogrammetrie und Fernerkundung. In: GIS-Zeitschrift für raumbezogene Information und Entscheidungen, Heft 1/99, S. 34 - 39.
 
Spreckels, V.: Airborne High Resolution Digital Stereo Scanner Data. In: ISPRS Joint Workshop on "Sensors and Mapping from Space", ISPRS WG I/I, I/3, IV/4, Hannover, 27.09. – 30.09.1999
[Document (pdf 673 kb)]

Bild:
Das Bild zeigt die Differenz des HRSC-DOM zu dem analytischen DGM. Es sind auf freien Flächen Senkungen bis zu 2,5 m erkennbar. Überlagert sind die 1m-Isolinien der "Senkungsvorausberechnung 1993-2004" für den Zeitraum des gesamten Abbaus dargestellt. Erkennbar ist der Einfluß der Vegetation: so sind die Waldbereiche klar auszumachen und einzelne Maisfelder sind erkennbar. Der linke Rand zeigt von oben nach unten: Analytisches DGM März 93 (senkungskorrigiert), HRSC-DOM Mai 98, HRSC-DOM Aug. 98, HRSC-Orthobild Mai 98 und HRSC-Orthobild Aug. 98.