11. 05. 2023
Verfasst von: Mahdi Motagh, Andreas Piter

Deformationen an Brücken und Straßen frühzeitig erkennen

Ein Teil der Autobahn mit zwei Fahrspuren und Standstreifen ist einen Hang hinabgerutscht. — Im Oktober 2017 sackte ein Bereich der Trebeltalbrücke der Autobahn 20 in der Nähe von Tribsees in Mecklenburg-Vorpommern ab. Das Ziel des Projekts SAR4Infra ist es, Bodenbewegungen frühzeitig zu erkennen, um derartige Schäden an der Verkehrsinfrastruktur zu verhindern (Quelle: CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=63327949).

Der Gesundheitszustand von Brücken, Straßen und Schienen sollte während ihrer Lebensdauer großflächig und kontinuierlich erfasst werden. Die Überwachung ist aber zeitaufwendig und erfolgt meist nur punktuell. Ein Forschungsteam der Leibniz Universität Hannover erweitert in einem Verbundprojekt das traditionelle Monitoring am Boden auf eine größere Region: Durch interferometrische Auswertung von Satellitenbildern lassen sich Bodenbewegungen erkennen, die auf potentielle Deformationen an Verkehrsbauwerken hinweisen. Ziel ist eine innovative Karte zur Risikoabschätzung für gefährdete Infrastruktur.

Risikoabschätzung durch Auswertung von Satellitenbildern

Grundlage für viele bedeutende Wirtschaftszweige Deutschlands bildet das eng verknüpfte Netz aus Autobahnen und Schienen. Um seine Funktion zu gewährleisten, bedarf es einer regelmäßigen Schadensüberwachung. Die Verkehrsinfrastruktur wird üblicherweise zeitaufwendig und punktuell von Messtrupps im Außendienst auf ungewünschte Bewegungen überwacht. Eine Alternative hierzu stellt eine satellitengestützte Methode dar: Die Radarinterferometrie ermöglicht es, flächendeckend Bodenbewegungen zu erfassen, die zum Beispiel Schäden an Autobahnbrücken verursachen können. Zur Unterstützung der konventionellen Schadensüberwachung entwickelt das Institut für Photogrammetrie und GeoInformation der Leibniz Universität Hannover eine automatisierte, radarinterferometrische Prozesskette. Diese baut auf kostenlosen Daten und Open-Source-Software auf.

Bodenbewegungen fortlaufend beobachten

Die Grundlage für die Bodenbewegungsanalyse im Verbundprojekt SAR4Infra stellen die frei verfügbaren Radarbilder des Fernerkundungssatelliten Sentinel-1 dar, der Teil des Copernicus-Programms der Europäischen Raumfahrtagentur ESA ist. Aus einem Stapel von Radarbildern lassen sich Bodenbewegungszeitreihen ableiten. Aus diesen können Forschende selbst kleine Veränderungen im Millimeter- bis Zentimeterbereich detektieren. Alle sechs bis zwölf Tage liefert der Satellit Sentinel-1 Bilder für alle Gegenden Deutschlands und ermöglicht es so, die Bodenbewegungen fortlaufend zu beobachten. Anhand des Bildarchivs lassen sich auch rückblickend Bodenbewegungen detektieren und dokumentieren.

Verschieden farbige Messpunkte auf einem Satellitenbild vom Testgebiet machen gefährdete Straßen sichtbar. — Die Karte zeigt erste Ergebnisse des Projekts für ein Testgebiet am Hambacher Tagebau in Nordrhein-Westfalen (oben; Karte enthält modifizierte Copernicus-Daten). Die mittleren Geschwindigkeiten der Messpunkte in Blickrichtung des Satelliten sind farblich dargestellt: Je intensiver das Rot und Blau, desto mehr bewegt sich der Boden, Grün ist stabil. Die Punktdichte zur Überwachung an der Verkehrsinfrastruktur wurde erhöht, während in urbanen und ländlichen Gebieten die Dichte der Messpunkte geringer gewählt wurde.

Bereitgestellte Rechnerkapazitäten nutzen

Die immer größer werdenden Datenmengen erfordern optimierte Auswertealgorithmen und rechenstarke Computer. Das Projektteam nutzt dafür die Cloudplattform CODE-DE des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR). Auf dieser Plattform sind alle Sentinel-1-Bilder ohne aufwendiges Herunterladen zugänglich. Gleichzeitig erlauben rechenstarke Server eine schnelle Prozessierung. Mit fortlaufender Zeit werden neue Aufnahmen kontinuierlich in die automatische Auswertung integriert, um frühzeitig ein erhöhtes Risiko für Schäden an Verkehrsinfrastruktur aufzudecken. Das Bundesministerium für Digitales und Verkehr fördert das Projekt SAR4Infra. Verbundpartner sind das Landesamt für Vermessung und Geoinformation Schleswig-Holstein, das Helmholtz Innovation Lab FERN.Lab sowie der Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein.