RadarMon

Projektinformationen

Projekttitel

Monitoring vertikaler Bodenbewegungen der Tagesoberfläche im Gebiet Berezniki (Perm, Russland) durch integrierte Nutzung von radarinterferometrischen Erfassungsverfahren und GIS (RadarMon).

Laufzeit

01.04.2007 - 15.12.2012

Ansprechpartner

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch
Kontaktinformationen  ·  e-Mail  ·  Tel. +49 (0) 5323/72-2076

Dr.-Ing. Michael Schäfer
Kontaktinformationen  ·  e-Mail  ·  Tel. +49 (0) 5323/72-2081

Dr.-Ing. Diana Walter
Kontaktinformationen  ·  e-Mail  ·  Tel. +49 (0) 5323/72-2236

Dipl.-Ing. Hans-Peter Hebel
Kontaktinformationen  ·  e-Mail  ·  Tel. +49 (0) 5323/72-3310

Projektpartner

Berginstitut der Uralischen Filiale der Russischen Akademie der Wissenschaften (RAW)
614007, Perm, ul. Sibirskaja, 78-a

Zielstellung

Die Kaligrube BKRU-1 in Berezniki (Region Perm, Russland) ist seit Ende 2006 aufgrund einer Havarie außer Betrieb. Die eintretende Flutung des Hohlraumes kann zu Höhenänderungen an der Tagesoberfläche führen. Im Untersuchungsgebiet der Stadt Berezniki befinden sich u. a. Wohnhäuser, Industrieanlagen sowie Infrastruktureinrichtungen an der Tagesoberfläche.

Um die bergbaubedingten Hebungen und Senkungen großräumig und fortlaufend zu erfassen, werden satellitengestützte Technologien der Radarinterferometrie eingesetzt. Punktbezogen wird das Verfahren der „Persistent Scatterer Interferometry“ (PSI), flächig das Verfahren der „Differentiellen SAR Interferometrie“ (DInSAR) angewendet.

Um das Potential der Radarinterferometrie für das Untersuchungsgebiet festzustellen, wird mit Hilfe der verfügbaren Archiv-Datenbestände der Satelliten ERS-1 und ERS-2 (Zeitraum 1992 - 1997) eine retrospektive radarinterferometrische Auswertung durchgeführt. Vergleichend werden terrestrische Vermessungsergebnisse (Nivellement-Daten) herangezogen.

Zur Erfassung aktueller Höhenänderungen infolge der Flutung Bergwerkes werden ab Dezember 2006 akquirierte ENVISAT-Daten ausgewertet. Mit der geplanten Datenbeschaffung von 10 Radar-Szenen pro Jahr soll eine regelmäßige, weitgehend flächendeckende Erfassung der Höhenänderungen erfolgen.

Hohe Potentiale der Radarinterferometrie in Berezniki liegen im städtischen Bereich, für den gute Ergebnisse erwartet werden. Neben der Vegetations- und Schneebedeckung führt die Länge der Basislinien (räumlich und zeitlich) zu Einschränkungen der radarinterferometrischen Erfassungsmethoden. Die Abschätzung dieser Einflüsse ist ein Gegenstand gegenwärtiger Untersuchungen.

Aufbau eines Geoinformationssystems

Ein Teilaspekt des Projektes ist die Integration aller verfügbaren und erzeugten Datensätze in einem einheitlichen Geoinformationssystem. Für die Datenvisualisierung und -interpretation kommt die Software ArcGIS der Firma ESRI zum Einsatz. Das aufzubauende GIS wird die topographischen Basisdaten mit den Ergebnissen der radarinterferometrischen Auswertungen (differentielle Interferogramme, Ergebnisse der PSI-Auswertungen, daraus abgeleitete Vektordatensätze) sowie Referenzdaten (Nivellement-Daten) verknüpfen.

Artikel GOSLARSCHE ZEITUNG / TU-Nachrichten (29.08.2007)

Katastrophenschutz aus dem Weltall: Clausthaler Forschungsprojekt in Russland

In der russischen Bergbaustadt Berezniki an der Westseite des Urals bricht auf Fußballplatzgröße die Erde weg, aber kein Mensch kommt zu Schaden – weil Forscher in der Clausthaler Erzstraße 18 aufgepasst und rechtzeitig alarmiert haben. Noch mag dieses Szenario zugespitzt erscheinen, möglich ist es. Seit April dieses Jahres arbeitet eine Gruppe am Institut für Geotechnik und Markscheidewesen unter Professor Wolfgang Busch an einem Forschungsprojekt, das aus Russland finanziert wird. Anhand ausgewerteter Satellitenaufnahmen können Bodensenkungen von wenigen Millimetern in der 3000 Kilometer entfernten Bergbauregion ermittelt werden. Das ist in etwa so, als ob Sherlock Holmes von London aus mit der Lupe jedes Detail im nordafrikanischen Wüstensand aufspüren könnte. Das Verfahren nennt sich Radarinterferometrie.

In Berezniki hat das Bergbauunternehmen Uralkali AG seinen Sitz. „Es ist einer der größten Kaliförderer weltweit“, sagt Thomas Hahmann. Der Diplom-Ingenieur der TU Clausthal hat die bodenschatzreiche Gegend in diesem Sommer mit Professor Busch und Diplom-Ingenieurin Diana Walter besucht. Neben den Bildern aus dem All machte sich die Gruppe ein Bild von den Problemen vor Ort.

Im Gebiet der armen Industriestadt Berezniki gab es vier aktive Kaligruben, eine davon unterhöhlt das Stadtgebiet. Ausgerechnet im dortigen Abbaugebiet kommt es seit einem Bergwerksunglück im vergangenen Oktober zu Flutungen. Es besteht Einsturzgefahr. Die Grube musste geschlossen werden. Künftig ist von einem weltweiten Preisanstieg für Kalisalz, das als Düngemittel eingesetzt wird, auszugehen. 1986 hatte es in einer anderen Kaligrube bei Berezniki schon einmal ein Unglück gegeben. Damals sackte die Erde auf einer Fläche von der Größe eines Flugzeugträgers 60 Meter tief ab. „Ähnliche Tageseinbrüche sind im Stadtgebiet zu befürchten, einen hat es Ende Juli am unbewohnten Rand von Berezniki bereits gegeben“, warnt Kartograph Hahmann. Deshalb ist von den örtlichen Stellen beschlossen worden, die Einwohner eines Stadtteils in den nächsten Monaten zu evakuieren. Um menschliches Leid sowie weitere Schäden an der Bebauung und der Verkehrsinfrastruktur zu verhindern, sollen Wissenschaftler Bodenabsenkungen und Einbrüche der Erdoberfläche vorhersagen und die Gefahr so planbarer machen.

Dass das Bergbauinstitut der Russischen Akademie der Wissenschaften der benachbarten Millionenstadt Perm dabei eingebunden wird, ist nahe liegend. Aber wie kommt der russische Großkonzern Uralkali auf Forscher aus dem entfernten Clausthal? Zwischen der Region Perm und Niedersachsen war zu Zeiten der Regierungschefs Jelzin und Kohl eine Partnerschaft vereinbart worden, in deren Rahmen die TU Clausthal eine Kooperation mit dem Bergbauinstitut und zwei Universitäten in Perm abgeschlossen hatte. Als es nun darum ging, externe, unabhängige Experten in das Projekt einzubinden, wurde der alte Kontakt erneuert. Die TU-Wissenschaftler haben Erfahrungen damit, bergbaubedingte Bodenbewegungen zu überwachen, da sie seit Jahren Satellitendaten vom Ruhrgebiet (Steinkohle) und dem Leipziger Braunkohlenrevier auswerten.

In Russland wird das von den Clausthaler Forschern weiterentwickelte Messverfahren differenziert gesehen. Zum einen schätzen die Osteuropäer technologischen Fortschritt. „Die Radarinterferometrie verfügt über wesentliche Vorteile gegenüber aufwendigen bodengestützten Methoden“, bestätigt Arkadi Krasnostein. Der Direktor des Bergbauinstituts und Mitglied der Akademie der Wissenschaften plädiert für eine Kombination aus satelliten- und bodengestützter sowie unterirdischer Überwachung der Erdbewegungen: „Dies ermöglicht es, kritische Situationen in Raum und Zeit rechtzeitig vorherzusagen und Schutzmaßnahmen einzuleiten.“ Zum anderen muss die Radarinterferometrie, die auch zur Vorhersage von Erdbeben und Vulkanausbrüchen eingesetzt wird, noch weiterentwickelt werden. „Wir haben unsere Ergebnisse mit denen der Markscheider der Uralkali AG verglichen – das passt“, sagt Thomas Hahmann. Problematisch werde es mit den Satellitenaufnahmen aus 600 Kilometern Höhe allerdings in vegetationsreichen Gebieten oder nach Schneefall. Am genauesten fällt das Monitoring, also das Überwachen vertikaler Bodenbewegungen, in bebauten Gebieten aus.

Die Daten für sein Verfahren bekommt das Team um Professor Busch vom europäischen Satelliten ENVISAT, der alle 35 Tage über Berezniki fliegt. In Zukunft könnte das Überflugintervall von einer Datenaufnahme zur nächsten verkleinert und damit die Prognosesicherheit über Erdbewegungen vergrößert werden. Denn ein im Juni erfolgreich gestarteter deutscher Radarsatellit mit dem Namen TerraSAR-X würde alle elf Tage über dem Ural neue Daten aufzeichnen.

Ob die TU Clausthal künftig auf den neuen Erdbeobachtungssatelliten setzt, hängt auch von den russischen Auftraggebern ab. Zunächst läuft das Projekt über ein Jahr. Die Verlängerung für zwei weitere Jahre ist geplant. Im September kommen die russischen Partner zum Gegenbesuch nach Clausthal – und schauen dann von dort mit der „überdimensionalen Lupe“ auf ihre heimischen Kaligruben.

Kontakt:
TU Clausthal, Pressereferent
Christian Ernst, Telefon: 05323 - 72 3905
E-Mail: christian.ernst@tu-clausthal.de

Artikel FRANKFURTER NEUE PRESSE (07.09.2007)

Von Bernhard Mackowiak

Bergschäden: Lassen sie sich vorhersagen?

Der Krater im Bochumer Stadtteil Wattenscheid-Höntrop war 500 Quadratmeter groß, hatte in seinem rund 40 Meter tiefen Trichter drei Garagen und mehrere Autos verschlungen. Dieser sogenannte Tagesbruch vom 2. Januar 2000 war nach Meinung der Experten einer der größten in der Geschichte des Ruhrgebiets. Zum Glück war niemand ums Leben gekommen – im Gegensatz zu einem Ereignis im österreichischen Ort Lassing im Sommer 1998. Es hatte zehn Tote gefordert. Während das Unglück von Bochum-Wattenscheid durch einen eingebrochenen Schacht verursacht worden war, dessen Stabilität im Laufe der Jahrhunderte abgenommen hatte, wurde das von Lassing durch den illegalen Abbau von Bodenschätzen ausgelöst.

Tagesbrüche sind nur eine Art von Schaden, die der Bergbau mit seinen Bodenbewegungen und -verformungen an der Erdoberfläche hervorruft. Mauerrisse an Häusern oder Schiefstellung der Gebäude, Risse oder Aufwölbungen bei Straßen oder gar Rohrbrüche; „verzogene“ Abwasserkanäle und Eisenbahnschienen, zum Überlaufen gebrachte Schifffahrtskanäle, in ihrer natürlichen Vorflut gestörte Bäche und Flussläufe, so dass Eindeichungen, Gewässerumlegungen und der Bau von Pumpwerken notwendig sind, und Aufwuchsschäden bei land- und forstwirtschaftlich genutzten Flächen wegen eines veränderten Grundwasserspiegels – die Erscheinungsformen des Bergschadens sind vielfältig.

Doch im Gegensatz zu diesen sich langsam entwickelnden Schäden sind Tagesbrüche das heimtückischste und dramatischste Unglück. Darin gleichen sie Erdbeben, denn wie sie ereignen sie sich unsichtbar in der Tiefe, um sich dann plötzlich verheerend an der Oberfläche auszuwirken. Sie drohen überall, wo Menschen unterirdisch Bodenschätze fördern, um sie als Rohstoffe der industriellen Produktion zuzuführen: Steinkohle, Kali, Steinsalz sowie Erdöl und Erdgas.

Besonders als Folge von oberflächennahem Abbau treten Tagesbrüche auf, nämlich dann, wenn alte Grubenbaue zusammenbrechen. Das ist vor allem im südlichen Ruhrgebiet der Fall – also Dortmund, Witten, Hattingen und Bochum – wo die Kohle dicht unter der Erdoberfläche lag. Jährlich 50 bis 70 solcher Bergschäden sind die Norm, denn das Revier ist löcherig wie ein Schweizer Käse: 10 000 der 50 000 Schächte, aus denen die Kohle gefördert wurde, durchziehen den ehemaligen „Pott“. Theoretisch, so sagen Fachleute, könnten Besucher unterirdisch durch das ganze Ruhrgebiet wandern.

In Deutschland regelt das Bundesbergbaugesetz die Rechtsfragen zum Thema Bergschäden. Danach ist der Verursacher nach den Regeln des BGB ersatzpflichtig. Interessant dabei ist, dass es hier zu einer Beweisumkehr kommt: Der Bergbau muss beweisen, dass es sich nicht um einen Bergschaden handelt. Derzeit werden jährlich rund 35 000 neue Bergschäden der Deutschen Steinkohle AG gemeldet mit einem Schadensvolumen von 70 000 000 Euro für Instandsetzung und Regulierung.

Ein rechtzeitiges Erkennen durch Beobachtungen mit speziellen Vorhersagen würde die Höhe der Schäden merklich eindämmen und vor allem die Gefahr für Menschenleben. Könnte eine Warnung aus dem All durch Satellitenbeobachtungen, wie auf zahlreichen Gebieten heute Alltag, hier Hilfe bringen? Die Arbeiten einer Gruppe um Professor Wolfgang Busch vom Institut für Geotechnik und Markscheidewesen der TU Clausthal machen Hoffnung. Sie wertet Aufnahmen des europäischen Umweltsatelliten Envisat aus, die mit dem Verfahren der Radarinterferometrie (engl. Interferometric Synthetic Aperture Radar – Insar) gewonnen wurden. „Dabei werden die vom Satelliten ausgesandten und von der Erdoberfläche reflektierten Radarwellen von einem Sensor auf dem Satelliten wieder empfangen, und wenn das nach einer Erdumrundung nach 35 Tagen erneut geschehen ist, werden diese beiden Strahlungsbilder auf der Erde mit einer besonderen Software überlagert“, erklärt Busch das Verfahren. „Durch diese Interferometrie können wir Höhenänderungen im Millimeter- und Zentimeterbereich erfassen.“

Erfolgreich geschieht dies für die 3000 Kilometer entfernte russische Kali-Bergbaustadt Berezniki. Eine der vier Kaligruben unterhöhlt das ganze Stadtgebiet, und nach einem Bergwerksunglück im vergangenen Oktober kommt es immer wieder zu Flutungen, so dass Einsturzgefahr besteht. Bei einem anderen Unglück in der Nähe der Stadt war 1986 die Erde auf der Fläche von der Größe eines Flugzeugträgers 60 Meter tief abgesackt. „Unsere Messungen helfen, solche vertikalen Bodenbewegungen bei flächenhaftem Bergbau gut vorhersagen zu können, weshalb Russland dieses Projekt auch finanziert“, sagt Busch. „Leider ist die Bodenauflösung der Radarsensoren noch zu klein und der zeitliche Abstand der Satellitenüberflüge zu groß als dass sich Unglücke wie das von Wattenscheid oder Lassing verhindern lassen.“ Deshalb arbeiten überall auf der Welt, wo Bergbau betrieben wird, Wissenschaftler und Techniker an der Steigerung und Verbesserung des Insar-Verfahrens – durch Platzierung weiterer Radarsatelliten und noch höhere Bodenauflösung der Geräte, denn sie wissen: Nicht nur „vor der Hacke ist es duster“, sondern später auch dahinter.

Artikel DIE WELT (10.09.2007)

Von Bernhard Mackowiak

Satelliten warnen vor Schäden durch Bergwerke

Häuser, die in einem Stollen versinken, sollen der Vergangenheit angehören - Forscher entwickeln ein Alarmsystem für Bergwerksschäden

Clausthal - "Ein Loch klafft im Boden der 170 000-Einwohner-Stadt Berezniki. 60 Meter tief und so groß wie die Fläche zweier Flugzeugträger ist der Krater in der russischen Bergbaustadt. Eine der vier aktiven Kaligruben, die das Gebiet der an der Westseite des Urals gelegenen Stadt mit einem der weltweit größten Kaliförderer unterhöhlen, ist durch Wasserflutungen eingebrochen."

Dass diese Nachricht Fiktion ist, ist der Gruppe um Professor Wolfgang Busch zu verdanken. Sie arbeitet seit April am Institut für Geotechnik und Markscheidewesen der TU Clausthal an einem Forschungsprojekt, das Russland finanziert. Dabei werden Satellitenaufnahmen ausgewertet, die von dem europäischen Umweltsatelliten "Envisat" und seinen Radarinstrumenten gewonnen wurden. Sie registrieren Bodensenkungen von wenigen Millimetern in der 3000 Kilometer entfernten Bergbauregion.
Das Verfahren nennt sich Radarinterferometrie. "Von einem Satelliten werden Radarimpulse ausgesendet, an der Erdoberfläche reflektiert und von einem Sensor auf dem Satelliten wieder empfangen", sagt Wolfgang Busch. "Hat der Satellit jetzt einmal unseren Planeten auf einer Bahn umrundet, wird er etwa wieder an derselben Stelle - in unserem Fall nach 35 Tagen - ankommen, dort erneut seine Radarstrahlung aussenden und sofort wieder die reflektierte Strahlung empfangen. Anschließend werden auf der Erde diese beiden Strahlungsbilder interferometrisch überlagert", sagt Busch.

Interferometrie ist die Überlagerung von Strahlen gleicher Wellenlänge. Daraus ergeben sich Hell-dunkel-Effekte. "Nur durch diese Überlagerung des Datensatzes ist die hohe Messgenauigkeit für die Erfassung dieser Höhenänderung möglich."

Feinste Veränderungen der Erdoberfläche im Millimeter- und Zentimeterbereich können mit dem Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) erfasst werden, wie sie sich nicht nur bei Gletschern, Vulkanismus, Hangrutschungen und Erdbeben abspielen, sondern auch bei (berg)baubedingten Senkungen. Busch und sein Team konzentrieren sich darauf, vertikale Bodenbewegungen zu erfassen, die in einem flächenhaften Bergbau auftreten. Dazu zählen die unter Tage betriebene Steinkohle-, Kali- und Salzgewinnung und nicht zuletzt die Erdöl- und Erdgasgewinnung.

"Während die durch sie erzeugten vertikalen Bodenbewegungen im Bereich von Zentimetern und Dezimetern liegen, nehmen die durch Steinkohle-, Kali- und Salzgewinnung ausgelösten großflächigen Tagesbrüche Meter-Flächenabsenkungen an", erklärt Busch. Ebenso kann es durch Wasserabpumpen in aktiven Braunkohletagebauen und Verfüllen angrenzender Tagebaue mit Wasser zu Bodenabsenkungen kommen, wie es im Mitteldeutschen Braunkohlerevier der Fall ist.

Russland ist zwar das spektakulärste Einsatzgebiet der "Gruppe Busch", aber sie arbeitet auch im Mitteldeutschen Braunkohlerevier, im Ruhrgebiet und im Emsland. 25 Reflektoren haben die Forscher bereits aufgestellt. "Sie senden die Radarstrahlen gebündelt zum Satelliten zurück und erzeugen dadurch besonders gute Signale", sagt Busch. "Diese Reflektoren nutzen wir als Passpunkte für unsere Auswertung."

Überall auf der Welt, wo Bergbau betrieben wird, arbeiten Forscher an der Verbesserung des InSAR-Verfahrens, denn eines ist sicher: "Metalla exercere necesse est - Bergbau ist notwendig!"

 

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