GeoMonitoring 2011

03. - 04. März 2011
Programmübersicht
TU Clausthal

Eröffnung

13:00 - 14:30 Uhr
03. März 2011 | 13:00 Uhr
W. Busch
, Prof. Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
03. März 2011 | 13:05 Uhr
T. Hanschke
, Prof. Dr.
, Präsident der Niedersächsischen Technischen Hochschule (NTH) und der TU Clausthal
03. März 2011 | 13:15 Uhr
H.-J. Kümpel
, Prof. Dr.
, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover
D. Balzer
, Dr.
, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover
F. Kühn
, Dr.
, Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), Hannover

Angesichts der zunehmenden Bedeutung und auch Wahrnehmung sozio-ökonomischer Auswirkun-gen von Naturkatastrophen bzw. natürlichen Schadensereignissen werden weltweit ganzheitliche Risiko-Management-Konzepte implementiert, die, geleitet vom Präventionsgedanken, einen gewissen Paradigmenwechsel von der Gefahrenabwehr (‚Wie können wir uns schützen?’) hin zu einer Risiko-Kultur (‚Welche Sicherheit zu welchem Preis?’) widerspiegeln. Zivilgesellschaft, politische Entscheidungsträger und die Wissenschaft stehen im Sinne eines effizien-ten Risiko-Managements gegenüber Naturgefahren vor der Aufgabe, Risiken zu analysieren und zu bewerten, um zielorientiert Maßnahmen zur Risiko-Prävention und -Minderung als Teil der Daseins-Vorsorge ergreifen zu können. Risiko-Analysen umfassen die Analyse potenzieller Gefährdungen (Be-drohungen) und die Abschätzung der Verwundbarkeit der Bevölkerung, der Infrastruktur, ökonomischer Werte etc. gegenüber einer drohenden Gefahr.

Für die Analyse von Gefährdungspotenzialen exogener und endogener geodynamischer Prozesse spielen neben den konventionellen geowissenschaftlichen Methoden die boden-, flugzeug- und satellitengestützten Geomonitoring-Technologien eine immer zentralere Rolle. Durch die Entwicklung neuartiger Sensoren bzw. Messinstrumente können auf unterschiedlichsten Maßstabsebenen geometrische, physikalische oder stoffliche Veränderungen im Verlauf natürlicher Prozesse mit Bedrohungspotenzial permanent oder in definierten Zeitintervallen qualitativ detektiert bzw. quantitativ gemessen werden. Dabei geht der Trend zu einer Kopplung verschiedenster Einzelmethoden hin zu komplexen Geomonitoring-Systemen (Multi-Parameter-Monitoring), zu einer Vernetzung von Messinstrumenten mit digitalen Informations- und Kommunikationstechnologien sowie zu einer Integration von Geomonitoring-Informationen in raumbezogene Datenbestände unter Nutzung Geographischer Informationssysteme (GIS).

Da gefährdungsspezifische Geomonitoring-Informationen nahezu in Echt-Zeit verarbeitet und analysiert werden können, sind sie für den Betrieb von Multi-Parameter-Frühwarnsystemen von überragender Bedeutung. Darüber hinaus bilden Geomonitoring-Informationen die Basis für weitergehende Analysen der geogenen Gefährdung, wie zum Beispiel der regionalen Abschätzung der Seismizitätoder der Ableitung modellbasierter Prognosen aufgrund eines gewachsenen Prozessverständnisses. Näher eingegangen wird auf aktuelle Beispiele aus der Arbeit der BGR mit Bezug zum Georisiko, zu geogenen Gefährdungsanalysen und zum Geomonitoring (Terrestrisches Laserscanning, Erdbeben-Monitoring, Persistent Scatterer Interferometrie).

03. März 2011 | 13:40 Uhr
W. Niemeier
, Prof. Dr.
, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, TU Braunschweig

Unter „Monitoring“ versteht man heute alle Arten der Erfassung, Beobachtung oder Überwachung eines Vorgangs oder Prozesses mittels technischer Hilfsmittel oder anderer Beobachtungssysteme. Dabei sind – bei erweiterter Auslegung - auch notwendige Eingriffe bzw. die Steuerung der betreffenden Prozesse eingeschlossen, sofern sich abzeichnet, dass der Prozess nicht den gewünschten Verlauf nimmt.

Monitoring ist also mehr als der Nachweis geometrischer Veränderungen, eine Aufgabenstellung, die seit vielen Jahrzehnten im Mittelpunkt des Interesses sowohl im Bereich des Markscheidewesens wie auch der Ingenieurgeodäsie steht. Durch ein Monitoring sollen belastbare Aussagen gewonnen werden über das Normalverhalten, die Standsicherheit oder Funktionsfähigkeit des jeweiligen Untersuchungsobjektes. Falls erforderlich, sollen bei abnormem Verhalten geeignete Gegenmaßnahmen eingeleitet werden können.

Als kleinräumige Objekte werden zum Einen lokal abgegrenzte Abschnitte der Erdoberfläche verstanden, also Geo-Objekte, wie rutschungsgefährdete Hänge, Felsgrade, Böschungen u.a., zum Anderen Bauwerke und Infrastrukturanlagen, wie Staudämme, Brücken, Hochhäuser u.a.

Bei der Lösung derartige Monitoringaufgaben hat es in den letzten Jahren einen Paradigmenwechsel gegeben. Konzeptionell kann dieser Wechsel beschrieben werden durch einen Übergang von punktuellen und epochalen Messungen hin zu flächenhaften und kontinuierlichen Verfahren. In der Sensorik werden die bisher oft separat eingesetzten Sensoren zunehmend miteinander vernetzt und die Messdaten über intelligente Informations- und Kommunikationstechnologien in einer Zentrale zur Verfügung gestellt. Im Bereich der Auswertung geht die Entwicklung von früher händischen oder bisher immer noch meist nachträglichen bzw. nur zeitverzögert möglichen Berechnungen hin zu komplexen Online-Verarbeitungssystemen, mit denen die Ergebnisse auch tatsächlich in Echtzeit bereitgestellt werden können.

In diesem Beitrag soll diese Entwicklung und der gegenwärtige Stand aufgezeigt und anhand typischer Beispiele veranschaulicht werden.

03. März 2011 | 14:05 Uhr
Prof. Dr.
, W. Busch
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal

Das Monitoring großflächiger Bodenbewegungen im modernen Verständnis hat im Markscheidewe-sen eine lange Tradition, da insbesondere im Bereich des untertägigen Steinkohleabbaus aber auch z.B. im untertägigen Erz- sowie Kali- und Salzabbau nicht nur die hervorgerufenen Senkungen messtechnisch erfasst sondern auch zur räumlich-zeitlichen Anpassung von Modellparametern in die Vorausberechnung von Bodenbewegungen Eingang fanden und finden. Hieraus sowie parallel dazu haben sich auch in anderen Disziplinen vergleichbare Vorgehensweisen z.B. zur Erfassung und Modellierung von Bodenbewegungen infolge der onshore Erdöl- und Erdgasförderung oder der Grundwassergewinnung entwickelt. Bodenbewegungen, insbesondere Senkungen oder Hebungen aber auch Abstandsänderungen (und daraus abgeleitete Zerrungen und Pressungen) werden zudem gemessen, um geogene Vorgänge in der Erdkruste zu verstehen oder drohende Gefahren vorherzusagen (z.B. infolge Vulkanismus oder Erdbeben).

Die Erfassung von flächenhaften Bodenbewegungen erfordert messtechnisch eine Diskretisierung in Raum und Zeit und die Definition eines übergeordneten räumlich-zeitlich unveränderlichen Referenzsystems. Obwohl mit der Luftbildphotogrammetrie schon seit Jahrzehnten eine „flächenhafte“ Messmethode mit für viele Anwendungen auch ausreichender Genauigkeit verfügbar ist, kann sie die Anforderungen zur Erfassung in der Zeit nichtlinear (oder sogar zyklisch) auftretender Bodenbewegungen nicht erfüllen (mindestens aus wirtschaftlichen Gründen). Erst mit der Anwendung der satellitengestützten Radarinterferometrie steht ein Verfahren zur Verfügung, dass für viele Anwendungen über eine ausreichende räumliche und zeitliche Informationsdichte verfügt.

Erfahrungen am IGMC mit dieser Methode in sehr vielen Projekten zur Erfassung von flächenhaft auftretenden Höhenänderungen infolge unterschiedlicher Ursachen haben zu einem multisensoralen und GIS-gestützten Monitoringsystem geführt. Es basiert (je nach Anwendungsfall) auf räumlich und zeitlich auf einander abgestimmten „linienhaften“ Nivellements, DGPS-Messungen und vor allem den Ergebnissen verschiedener radarinterferometrischer Auswerteverfahren (unter Nutzung der Daten verschiedener Radarsensoren) und integriert diese mittels statistischer Auswerteverfahren zu räum-lich-zeitlichen Aussagen über flächenhafte Bodenbewegungen.

03. März 2011 | 14:30 Uhr
03. März 2011 | 15:00 Uhr
R. F. Hanssen
, Prof. Dr.
, Department of Remote Sensing, Delft University of Technology, Niederlande

Satellite radar interferometry has developed in less than two decades from an exotic new opportunity to an (almost) standard technology. From a geodetic perspective, it combines repeated distance measurements with an imaging capability, while the interferometric basics guarantee very high precision levels, concerning the basic observables. Less well known are the relations with reliability, the precision of the estimated parameters, testing opportunities, significance levels, and network design. In this presentation we will discuss the basic principles of the technology, with special emphasis on its geodetic aspects.

03. März 2011 | 15:40 Uhr
S. Knospe
, Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal

Die Radarinterferometrie ermöglicht die flächenhafte Bestimmung von großräumigen Bodenbewegungen wie sie z. B. durch Rohstoffentnahme, Hangrutschungen und GW-Absenkungen hervorgerufen werden. Die Radarinterferometrie ist ein berührungsfreies, fernerkundliches Messverfahren mit einem aktiven Sensor. Der deutsche Radarsatellit TerraSAR-X mit einer Bodenauflösung von einem oder wenigen Quadratmetern und einer interferometrischen Wiederkehrrate von 11 Tagen bietet besonders gute Möglichkeiten zur großräumigen Erfassung von Höhenänderungen.

Unter dem Begriff Radarinterferometrie sind unterschiedliche Methoden zusammengefasst, mit denen Paare oder Zeitreihen von Radarbildern interferometrisch ausgewertet werden. Es erfolgt eine Phasenvergleichsmessung zur Bestimmung von Abstandänderungen in Blickrichtung des Sensors. Die Radarinterferometrie hat sich in vielen geowissenschaftlichen Anwendungen und in der Rohstoffgewinnung bewährt. Gegenstand derzeitiger Forschungsarbeiten sind die Ableitung von Aussagen zur Verlässlichkeit und zu Genauigkeitsmaßen sowie die Verknüpfung mit Ergebnissen etablierter Messverfahren in der Modellierung.

Im Vortrag werden Bespiele aus der Bearbeitung aktueller Forschungsprojekte vorgestellt und die Möglichkeiten und Grenzen der Radarinterferometrie zur Erfassung von Bodenbewegungen gezeigt.

03. März 2011 | 16:05 Uhr
A. Schunert
, Dipl.-Ing.
, Institut für Photogrammetrie und GeoInformation, Leibniz Universität Hannover
J. Wegner
, Dipl.-Ing.
, Institut für Photogrammetrie und GeoInformation, Leibniz Universität Hannover
U. Sörgel
, Prof. Dr.
, Institut für Photogrammetrie und GeoInformation, Leibniz Universität Hannover

Moderne weltraumgestützte SAR-Sensoren wie etwa TerraSAR-X liefern Auflösungen im Bereich weniger Meter. Dadurch sind Gebäudedetails wie Fenster oder Balkone in den Daten zu erkennen. Diese prägen sich häufig als sehr helle Linien oder Punkte aus, die sich deutlich vom dunkleren Hintergrund abheben. Weiterhin können die Ausprägungen dieser Gebäudestrukturen in vielen Fällen mit sogenannten Persistent Scatterern (PS) identifiziert werden. Dabei handelt es sich um Reflektoren, die eine sehr stabile Phasenhistorie aufweisen und sich somit gut für eine interferometrische Auswertung eignen. Bedingt durch die übliche Bauweise von Gebäuden treten die PS in regelmäßigen Mustern auf. So kann man in vielen Fällen vertikale und horizontale Reihen von PS an Fassaden beobachten, die durch Fensterreihungen hervorgerufen werden. Die Tatsache, dass bestimmte PS auf einem Gebäude liegen stellt dabei eine wichtige Information dar, die in den aktuellen Auswertealgorithmen nicht verwendet wird. Wir demonstrieren in diesem Aufsatz eine Möglichkeit, die in einem Stapel von Interferogrammen identifizierte PS-Menge zu sinnvollen Einheiten zu gruppieren. Dafür verwenden wir ein Produktionssystem, das Konzepte der menschlichen Wahrnehmung verwendet, um regelmäßige Strukturen in einer Menge von Basisobjekten, in diesem Fall den PS, zu finden.

03. März 2011 | 16:30 Uhr
03. März 2011 | 17:00 Uhr
H. Kutterer
, Prof. Dr.
, Geodätisches Institut Hannover, Leibniz Universität Hannover

Geodätische Beobachtungsverfahren leisten einen wichtigen Beitrag zur Erfassung und Überwachung von Geoobjekten und -prozessen. Ein wesentliches Kennzeichen ist die kombinierte Nutzung heterogener Sensorik, um die auf ggf. verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen auftretenden, relevanten Merkmale beobachten zu können. Zum Einsatz kommen typische geodätische Instrumente wie Nivelliere, Totalstationen und GNSS-Ausrüstungen sowie Lote, Neigungs- oder Beschleunigungsmesser. Weiter zu nennen sind flächenhaft aufzeichnende Systeme wie z. B. Laserscanner oder Radarsensoren.

Für die Datenanalyse sind die so erhaltenen, in der Regel räumlich und zeitlich verteilten Beobachtungen zu modellieren und miteinander zu verknüpfen, um Objekt- bzw. Prozessparameter optimal bestimmen und interpretieren zu können. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Beobachtungen in ihrer Dimensionalität und Auflösung, aber auch in ihrer Qualität deutlich unterscheiden können. Gegenstand dieses Beitrags ist es, die für die kombinierte Analyse benötigten Modelle und deren gegenseitige Bezüge sowie die in Frage kommenden Auswertemethoden zu beleuchten und zu diskutieren. Die theoretisch-methodischen Ausführungen werden mit Hilfe von Anwendungsbeispielen veranschaulicht, die im Rahmen von Monitoringprojekten am Geodätischen Institut der Leibniz Universität Hannover bearbeitet werden.

03. März 2011 | 17:25 Uhr
R. Bill
, Prof. Dr.
, Geodäsie und Geoinformatik, Institut für Management ländlicher Räume, Universität Rostock

In Zukunft werden gigantische Mengen miniaturisierter, preisgünstiger und massentauglicher Sensoren unsere Umwelt beobachten und unser Lebensumfeld beeinflussen. Sensornetzwerke bestehen aus großen Mengen von einfach auszubringenden Sensoreinheiten, die sich selbst organisieren, drahtlos miteinander kommunizieren und Messungen durchführen und auswerten können. Ein Geosensornetzwerk (GSN) verknüpft ein solches drahtloses Sensornetzwerk mit der Notwendigkeit, die Position eines oder aller Knoten in einem übergeordneten Koordinatenreferenzsystem zu bestimmen. Dies kann entweder durch Aufbringung einer eigenständigen Lokalisierungskomponente (etwa einem GNSS-Empfänger (Global Navigation Satellite System)) auf dem Sensorknoten oder durch Ableitung der Position aus Mess- oder Kommunikationssignalen zwischen den Sensorknoten und den dann hinsichtlich der Position als bekannt vorausgesetzten Beacons (Stützpunkten in einer Infrastruktur) selbst erfolgen. Der Beitrag stellt einerseits die wesentlichen Ideen von Geosensornetzwerken dar. Andererseits zeigt er an ausgewählten Beispielen, wie Geosensornetzwerke im Geo- und Umweltmonitoring eingesetzt werden können. Die Einbettung der Geosensornetzwerke in offene interoperable Geodateninfrastrukturen steht aktuell erst am Beginn einer Entwicklung, die klassische monolithische Systeme in Zukunft ersetzen wird. Der Beitrag wirft auch einen Blick auf ausgewählte aktuelle Forschungsthemen.

03. März 2011 | 17:50 Uhr
G. Kampmann
, Prof. Dr.
, Kungliga Tekniska Högskolan (Royal Institute), Stockholm, Schweden

Dargelegt wird das theoretische Werkzeug des verallgemeinerten Gleichgewichts beliebiger Merkmale mit seinem Final der inneren Referenz.

Die Auswertung räumlicher Punktwolken, so wie in der Fertigungskontrolle (Ebenheit, Rundheit, Geradheit, Zylinder) gefordert, wird mit dieser Grundlage aufgezeigt. Verwendung findet die frei verfügbare MEC Software des Royal Institute (KTH), Stockholm.

Multimerkmale Punktwolken (Ort, Temperatur, Dichte, usw.), wie im Geomonitoring gefordert, sollen mit dem Werkzeug der Inneren Referenz beherrscht werden (Inter-polation, Referenzierung, Deformation, Einsicht in Abhängigkeiten).

Erläutert wird die Beziehung zwischen physikalischer und auswertetechnischer Anschauung, bis hin zur mathematischen Beziehung der Kreiszahl PI und der Proportion des goldenen Schnittes über Gleichgewichtsberechnung.

Der Schwerpunkt der Darlegung ist auf die Anwendbarkeit und praktische Ergebnisse gelegt (AIDM – Artificial Intelligent Decision Making).

04. März 2011 | 09:00 Uhr
M. Crosetto
, Dr.
, Institute of Geomatics, Mediterranean Technology Park (PMT), Castelldefels, Barcelona, Spanien

The presentation will concern an interesting radar-based deformation measurement technique, which offers complementary advantages with respect to the optical-based techniques: Ground-Based SAR (GB-SAR). In the last years the ground-based (i.e. terrestrial) radar techniques have received an increasing interest for monitoring fast movements at relatively small scale (e.g. < 1 km2) and with spatial resolution better than those offered by the satellite-based SAR techniques. The paper will introduce the main concepts related to GB-SAR deformation measurement. In addition, it will describe some of the most relevant GB-SAR results achieved by the Institute of Geomatics in the last years using C-band (5.955 GHz of central frequency, wavelength = 5.03 cm) and Ku-band GB-SAR data.

04. März 2011 | 09:40 Uhr
B. Riedel
, Dr.
, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, TU Braunschweig
M. Lehmann
, Dipl.-Ing.
, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, TU Braunschweig
W. Niemeier
, Prof. Dr.
, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, TU Braunschweig

Für die Erkennung und Erfassung von großflächigen geometrischen Veränderungen von Teilen der Erdoberfläche, bedingt durch tektonische Aktivitäten, Gewinnung von Bodenschätzen oder ausgedehnte Baumaßnahmen, haben sich inzwischen die verschiedenen Auswertemethoden des Interferometric Synthetic-Aperture-Radar (InSAR) unter Nutzung von Satelliten etabliert.

Völlig neu ist die Möglichkeit, dieses innovative Messprinzip der Radar- Fernerkundung auch für terrestrische Anwendungen nutzbar zu machen. Nach demselben Messkonzept wie vom Weltraum aus können beim „Ground Based Interferometric Synthetic Aperture Radar (GBSAR)“ geometrische Veränderungen für Objekte von der Erde aus großflächig, hochpräzise und in kurzer Zeitfolge bestimmt werden.

Mit einem solchen GBSAR-System sind zwei Messkampagnen zur Böschungsüberwachung in einem Braunkohletagebau südwestlich von Cottbus realisiert worden. Erste vorläufige Ergebnisse aus diesen Messungen werden präsentiert.

04. März 2011 | 10:05 Uhr
H.-P. Hebel
, Dipl.-Ing.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
S. Knospe
, Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
W. Busch
, Prof. Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal

Bei dem Terrestrischen Radar-Scanner GPRI-2 der Firma GAMMA Remote Sensing AG, Schweiz, handelt es sich um ein bislang einzigartiges Messinstrument zur Überwachung von Böschungen bzw. Hängen. Es verbindet die praktischen Vorteile eines Scanners mit den methodischen Vorteilen der Radar-Interferometrie. Der Scanner besteht aus 3 gemeinsam rotierenden Radarantennen mit realer Apertur, von denen eine als Sende, die zwei anderen als Empfangsantennen genutzt werden. Der räumliche Abstand der beiden Empfangsantennen erlaubt absolute Entfernungsmessungen und ermöglicht damit die Berechnung eines aktuellen Digitalen Geländemodells für die aufgenommene Szene. Aufgrund der hohen Aufnahme-Geschwindigkeit von etwa 10° pro Sekunde können Wiederholungsmessungen im Minutentakt erfolgen. Für die Bestimmung von Bodenbewegungen wird eine Phasenvergleichsmessung (Interferometrie) mit einer Sensitivität im sub-mm Bereich durchgeführt. Dadurch eignet sich dieses Messinstrument hervorragend zur Überwachung von Böschungen.

Anhand von Ergebnissen erster Testmessungen in einem Steinbruch werden die Möglichkeiten des Terrestrischen Radar-Scanners aufgezeigt.

04. März 2011 | 10:30 Uhr
04. März 2011 | 11:00 Uhr
A. Reiterer
, Dr.
, Lehrstuhl für Geodäsie, TU München

Felsstürze, Hangrutschungen und Böschungsbewegungen sind weltweit eine der häufigsten Naturgefahren und fordern jedes Jahr eine Vielzahl von Opfern und eine hohe Zahl von Kosten. In den Vereinigten Staaten von Amerika verursachen solche Ereignisse beispielsweise jährlich Kosten im Umfang von über 2 Milliarden US$. Ähnliches gilt für Europa, Asien, Afrika und Südamerika. Neben den direkten Kosten sind solche Ereignisse auch der Grund für sehr hohe indirekte Kosten, wie zum Beispiel die Unterbrechung wichtiger Verkehrsverbindungen, Einbußen in der Touristik, usw. Durch die Zunahme von bevölkerten Gebieten im alpinen Gelände ist in Zukunft ein signifikanter Anstieg von gefährlichen Ereignissen zu erwarten. Zusätzlich führen die veränderten Klimabedingungen, wie zum Beispiel die Zunahme von Niederschlägen, zu einem vermehrten Auftreten von Hangrutschungen und Felsstürzen. Daraus resultiert, dass ein hoher Bedarf an produktiven und zuverlässigen Überwachungssystemen gefährdeter Objekte besteht.

Dieser Bedarf kann auf der einen Seite durch den Einsatz von sehr umfangreicher Messsensorik (z.B. geotechnischen und geodätischen Sensoren), aber auch durch neuartige Datenanalyse- und Interpretationsstrategieen befriedigt werden. Eine zentrale Rolle kommt bei solchen Überwachungssystemen der Datenverarbeitung zu, welche von der Datenfusion bis hin zur Dateninterpretation alle Teilschritte beinhalten kann. Großes Augenmerk muss in Zukunft bei allen Prozessierungsschritten (inkl. Datenerfassung) auf die Automatisierung gelegt werden – dabei bedarf es mitunter völlig neuer Strategien und Techniken. Als Ziel kann ein vollautomatisiertes Datenerfassungs- und interpretationssystem genannt werden.

Der vorliegende Vortrag gibt einen Überblick über aktuelle Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der automatisierten Überwachungsmessungen bei natürlichen Objekten. Der Fokus wird dabei auf ein sehr umfangreiches Forschungsprojekt, welches Datenerfassung, Datenfusion und Dateninterpretation automatisiert abhandelt, gelegt.

04. März 2011 | 11:25 Uhr
W. Guder
, Dipl.-Ing.
, RWE Power AG, Niederzier
D. Dahmen
, Dr.
, RWE Power AG, Niederzier

Die Beobachtung und Zustandsbeurteilung von Böschungsverformungen sind unverzichtbare Maßnahmen zur Gewährleistung der Standsicherheit von Tagebaurandböschungen. Im Rahmen dieser Aufgabenstellung wurde Anfang der 80er Jahre zusammen mit der TU Hannover eine Entwicklung aufgenommen, Bodenbewegungsmessungen zu automatisieren. Der Prototyp dieses, werksintern Georobot genannte Systems wurde mit Förderung des Landes Nordrhein-Westfalen in einem Forschungsvorhaben realisiert. Seither hat sich dieses, in vielen Stufen weiterentwickelten System, im Praxiseinsatz bewährt.

Parallel zur Weiterentwicklung dieses Georobot-Systems wurden die in der Georobot-Datenbank befindlichen Ergebnisse hinsichtlich des Verformungsverhaltens intensiv ausgewertet. Das Ergebnis dieser Auswertungen sind umfangreiche Erfahrungswerte, an denen sich die jeweils aktuellen Messwerte hinsichtlich der Beurteilung der Standsicherheit spiegeln lassen. Auch wenn heute das Georobotsystem in der täglichen Betriebssteuerung eines Großtagebaus nicht mehr wegzudenken ist, so bleibt festzustellen, dass sich das Georobot-System an den Bewegungen vermarkter Beobachtungspunkte orientiert. Neben dem Einsatz dieser automatisierten Messsysteme sind daher bei großflächige Arbeits- und Kippenböschungen zusätzliche, aufwendige und klassisch terrestrische Messungen erforderlich.

Aus diesem Grund wurden - mit dem Ziel einer flächenhaften Erfassung von Verformungen im Tagebau Hambach - die Verfahren des 3D-Laserscanning und der terrestrischen Radar-interferometrie getestet.

In dem Vortrag soll neben dem aktuellen Entwicklungsstand des Georobot-Systems über die ersten Erfahrungen mit den flächenhaft arbeitenden Verfahren des 3D-Laserscanning und der terrestrischen Radarinterferometrie berichtet werden.

04. März 2011 | 11:50 Uhr
K. Thuro
, Prof. Dr.
, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TU München
John Singer
, Dr.
, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TU München
Judith Festl
, M.Sc.
, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TU München

In den Alpen ist vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der fortwährenden Ausweitung von Siedlungsflächen vor allem auf Grund des Tourismus ein wachsender Konflikt zwischen der Landnutzung und der Prävention vor Naturgefahren erkennbar. Dies gilt auch für tiefgreifende Hangbewegungen, die – wenn aktiviert – Siedlungen und Infrastruktur beträchtlichen Schaden zufügen oder sogar Leben bedrohen können.

Bis heute wird das Gefährdungspotential von langsamen tiefgreifenden Hangbewegungen oft unterschätzt. Aus wirtschaftlichen Gründen werden gefährliche Hänge, wenn überhaupt, oft nur sporadisch messtechnisch überwacht. Das alpEWAS-Projekt („Entwicklung und Erprobung eines integrativen 3D Frühwarnsystems für alpine instabile Hänge“) entwickelt deshalb momentan ein ökonomisches 3D Überwachungs- und Frühwarnsystem für Hangbewegungen, welches auf drei kostengünstigen, innovativen und kontinuierlich arbeitenden Messsystemen für die Überwachung von Deformationen an der Oberfläche und im Untergrund basiert: Time Domain Reflectometry (TDR), reflektorlose Video-Tachymetrie (VTPS) und preiswertes Global Navigation Satellite System (GNSS). Diese Messsysteme werden zusammen mit anderen, die typische Triggermechanismen wie z.B. Niederschlag überwachen, in ein Geo-Sensorennetzwerk integriert, das über eine WebGIS Umgebung einen Fernzugriff auf alle anfallenden Daten nahezu in Echtzeit ermöglicht.

Das alpEWAS System wurde in einer ersten Felderprobung im Bereich der Aggenalm-Hangbewegung (Bayerische Alpen nahe Bayrischzell) installiert und ist seit 2 Jahren kontinuierlich in Betrieb. In diesem Zeitraum wurden, von kleinen Störungen abgesehen, die Messungen zuverlässig durchgeführt und die entsprechenden Daten erfasst. Erste Zeitreihen dieser Messergebnisse werden präsentiert. Für eine abschließende Beurteilung der neuen Messsysteme im Geländeeinsatz ist die Datengrundlage noch zu gering, jedoch scheinen sie hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit die in sie gesetzten Erwartungen zu erfüllen.

Die in der ersten Felderprobung gemachten praktischen Erfahrungen fließen in das mittelfristige Ziel der Projektgruppe alpEWAS ein: der Entwicklung eines marktreifen, flexibel einsetzbaren und ökonomischen Frühwarnsystems für Hangbewegungen.

04. März 2011 | 12:15 Uhr
D. Dinkler
, Prof. Dr.
, Institut für Statik, TU Braunschweig
A. Zilian
, Prof. Dr.
, Institut für Statik, TU Braunschweig
F. Pasenow
, Dipl.-Ing.
, Institut für Statik, TU Braunschweig

Hangrutschungen und durch Hangrutschungen ausgelöste Impulswellen in Gewässern könnenaufgrund der Analogie zu fluidähnlichen Bewegungen schnell rutschender Bodenmaterialien als instationäre Drei-Phasen-Strömung aus Bodenmaterial, Wasser und Luft untersucht werden, wenn die Modellgleichungen sowohl den Phasenübergang fest-flüssig und die Auflockerung des Bodenmaterials als auch das Eintauchen des Bodenmaterials in eine Flüssigkeit beschreiben können. Die Modellierung der betrachteten physikalischen Vorgänge erfolgt in Euler’scher Betrachtungsweise. In den Phasengebieten ist die Beschreibung der drei als inkompressibel und unmischbar angenommenen Fluidphasen auf den Navier-Stokes-Gleichungen begründet. Für das viskose Bodenmaterial ist eine Fluidformulierung mit einem nichtlinear viskoplastischen Modellansatz gewählt, der für Luft und Wasser mit entsprechender Wahl der Materialparameter auf einen linear viskosen Newton'schen Modellansatz zurückgeführtwird. Signifikante Struktur- und Gestaltänderungen der Fluidgebiete während der Impulswellenentstehung motivieren die Verwendung der Level-Set-Methode [3] zur Erfassung der Grenzflächendynamik. Somit ist sowohl die einfache Lokalisierung von Grenzflächen als auch die einfache Bestimmung geometrischer Grenzflächeneigenschaften möglich. Die Diskretisierung der Modellgleichungen erfolgt mit der stabilisierten Raum-Zeit-Finite-Element-Methode [2], mit der die diskrete Beschreibung der Physik zeitabhängiger Grenzflächen oberflächengekoppelter Gebiete möglich ist. Grenzflächenseitig unterschiedliche Materialeigenschaften sowie Oberflächenspannungsphänomeneauf den Grenzflächen führen zu unstetigen Spannungsverläufen über die Grenzflächen hinweg. Dies äußert sich durch starke und schwache Unstetigkeiten in den Lösungsverläufen der physikalischen Beschreibungsvariablen. Zur Approximation der unstetigen Lösungsausprägungen werden die lokal in den Grenzflächenbereichen erweiterten Ansätze der X-FEM [1] eingesetzt, die mit knotenweise konstruierten Sprungfunktionen auf starke Unstetigkeiten angereichert sind. Schwach unstetige Lösungsverläufe werden durch die diskrete Auswertung von Grenzflächenübergangsbedingungen auf den Grenzflächen mit Hilfe eines eingebetteten Penalty-Verfahrens erzwungen. Das Berechnungsmodell wird für ausgewählte 2D-Anwendungsbeispiele diskutiert.

Literatur:

  • [1] T. Belytschko, R. Gracie, G. Ventura. A review of extended/generalized finite element methods for material modeling.Model. Simul. Mater. Sci. Engrg., Vol. 17, 043001 (24pp), 2009.
  • [2] B. Hübner, E. Walhorn, D. Dinkler. A monolithic approach to fluid-structure interaction using space-time finite elements. Comp. Meth. Appl. Mech. Engrg., Vol. 193, 2087–2104, 2004.
  • [3] S. Osher, J. A. Sethian. Fronts propagating with curvature-dependent speed: Algorithms based on Hamilton-Jacobi formulations. J. Comp. Phys., Vol. 79, 12–49, 1988.