GeoMonitoring 2012

08. - 09. März 2012
Programmübersicht
TU Braunschweig
08. März 2012 | 11:15 Uhr
Hansjörg Kutterer
, Prof. Dr.
, Präsident des Bundesamtes für Kartographie und Geodäsie, Frankfurt a. Main

Das Global Geodetic Observing System (GGOS) der Internationalen Assoziation für Geodäsie (IAG) verfolgt das langfristige Ziel, unser Verständnis des dynamischen Systems Erde zu befördern, indem es dazu beiträgt, die Veränderungen unseres Planeten in Raum und Zeit zu quantifizieren. Dazu hat es sich folgende Aufgaben gegeben:

  1. die Beobachtungen zu erfassen, die erforderlich sind, um die Änderungen der Form, der Rotation und der Massenverteilung der Erde zu erfassen und zu verstehen,

  2. einen globalen Referenzrahmen bereitzustellen als Rückgrat für die Beobachtung und die Interpretation sowie

  3. eine zentrale Grundlage zu bilden für Fortschritte in den Erd- und den planetaren Wissenschaften zum Nutzen der Gesellschaft und der Wissenschaft insgesamt.

Aus wissenschaftlich-technologischer Sicht verbergen sich hinter GGOS drei wesentliche Bestandteile. Hier sind zum einen die geodätischen Beobachtungsverfahren zu nennen. Wichtige Gruppen sind die sogenannten geometrischen Raumbeobachtungsverfahren, z.B. die Globalen Navigationssatellitensysteme (GNSS), die Laserentfernungsmessungen zu künstlichen Satelliten (SLR) oder die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI), die Satellitenmissionen zur Erfassung des Erdschwerefeldes wie z.B. GRACE oder GOCE, weitere Satellitenverfahren wie die Radarinterferometrie sowie auch verschiedene terrestrische Verfahren.

Diese tragen unmittelbar zur Bestimmung des zweiten Bestandteils von GGOS bei, der Menge an geodätischen Parametern, anhand derer die Oberflächengestalt, die Rotation und das Schwerefeld der Erde einschließlich deren zeitlicher Variationen modellhaft beschrieben werden. Dritter Bestandteil sind die Modelle der Dynamik des Systems Erde und seiner Teilsysteme, die sich je nach Sensitivität in den geodätischen Parametern abbildet. Beispiele sind die Variationen der Erdrotationsparameter, die unter anderem auf Meeresströmungen zurückzuführen sind, und die Variationen der Erdschwerefeldparameter, an denen sich hydrologische Veränderungen erkennen lassen.

Neben der wissenschaftlich-modellhaften Verknüpfung der drei genannten Elemente ist auf technologisch-organisatorischer Ebene deren Abbildung in geeigneter Prozesse (Workflows) erforderlich. GGOS nimmt als Komponente der IAG eine zentrale Stellung zwischen deren etablierten Datendiensten und Kommissionen ein. 2011 wurde es einer grundlegenden Neustrukturierung unterzogen und befindet sich derzeit in der Phase der verstärkten Operationalisierung. Zur nachhaltigen Sicherstellung der Beobachtungsinfrastruktur wurde zudem 2010 das GIAC gegründet, das GGOS Inter-Agency Committee, an dem sich inzwischen mehr als 15 nationale Vermessungsbzw. Raumfahrtagenturen beteiligen.

Der Beitrag konzentriert sich auf die Beschreibung des GGOS und seines Umfeldes, auf die Anforderungen und Möglichkeiten sowie auf die derzeitigen Aktivitäten.

08. März 2012 | 11:40 Uhr
Bruno Merz
, Prof. Dr.
, Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Potsdam

Weltweit sind die Schäden durch Hochwasser in den letzten Jahrzehnten stark angestiegen. Vor diesem Hintergrund wird in den letzten Jahren zunehmend diskutiert, inwieweit der Umgang mit dem Hochwasserrisiko neu konzipiert werden muss. Hier vollzieht sich in Deutschland, aber auch in Europa und international, ein Wandel, weg vom Sicherheitsdenken hin zum Risikomanagement. In diesem Beitrag wird in die Georisiko-Thematik eingeführt, indem am Beispiel von Hochwasser grundlegende Aspekte des Risiko-basierten Entscheidens diskutiert werden. Es werden die verschiedenen Phasen und Aspekte des Kreislaufs des Risikomanagements, von der Identifizierung der Risiken bis zum Risikodialog, kurz beleuchtet. Die Risikoanalyse wird anhand des Fallbeispiels Hochwasser im Mekong-Delta intensiver diskutiert, wobei insbesondere auf die Bedeutung von Monitoringdaten bei der Kalibrierung und Validierung eines großskaligen Überflutungsmodells eingegangen wird.

08. März 2012 | 12:05 Uhr
Manfred Krafczyk
, Prof. Dr.
, Institut für rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen, TU Braunschweig
08. März 2012 | 12:30 Uhr
08. März 2012 | 13:30 Uhr
Robert Veit-Egerer
, Dipl.-Ing.
, Vienna Consulting Engineers (VCE), Wien, Österreich

Erhaltungsmanagement von Verkehrsinfrastruktur bewegt sich im Spannungsfeld zwischen notwendigen Erhaltungsmaßnahmen und dem zur Verfügung stehenden Budget. Anhand eines ausgewählten, rund 25 km langen Autobahnabschnittes (S6 Semmering Schnellstraße) mit 102 Kunstbauwerken (Brückentragwerke, Wegweiserbrücken, Tunnel, Lärmschutzwände) werden im vorliegenden Beitrag die Ergebnisse eines detailliert ausgearbeiteten - Life Cycle Analyse basierten - Erhaltungskonzeptes für Kunstbauwerke im Streckennetz der Österreichischen ASFINAG präsentiert. Dieses soll zur langfristigen Vorschau und Planung der Erhaltungsmaßnahmen (30 Jahre) sowie der Minimierung der Erhaltungskosten über die Nutzungsdauer in Abhängigkeit von der Zustandsentwicklung des jeweiligen Bauwerks bzw. von dessen Bauteilen dienen. Im Hinblick auf die Einhaltung der Funktionsanforderungen für Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit wurden folgende Punkte ausgearbeitet:

  • Alterungskurven für die maßgebenden Bauteile und Kunstbauwerke
  • Bauwerksüberwachungs- und -prüfungsplan
  • Erhaltungsintervalle für jedes Kunstbauwerk bzw. seiner maßgebenden Bauteile unter Berücksichtigung des Verlaufes der bisherigen Zustandsbewertung und des Letztprüfungszeitpunkts
  • Zeitliche Abfolge der Erhaltungsmaßnahmen in Abstimmung mit dem Erhaltungskonzept Fahrbahn (Blockbildung)
  • Massenabschätzung für die Maßnahmen
  • Kostenabschätzung für die Maßnahmen
  • Auswirkungen der Erhaltungsmaßnahmen auf die Verkehrsführung/Verfügbarkeit
  • Für die Erhaltungsplanung einer großen Anzahl verschiedenartiger Bauwerke über einen langen Zeitraum wurde von VCE ein integrales Life Cycle Modell entwickelt, das an die Gegebenheiten und speziellen Anforderungen dieses Projekts angepasst wurde. Kern des Modells ist die Prognose der Zustandsentwicklung von Ingenieurtragwerke und deren Bauteilen, die anhand von mittleren zu erwartenden Lebensdauern aus Bauwerksdatenbanken bzw. aus Literatur gewonnen und für jedes Bauwerk/Bauteil abhängig vom Bauwerkstyp, der Bauart, des Fabrikats, des Alters, des dokumentierten Erhaltungszustandes und der jeweils zum Errichtungszeitpunkt gültigen Normenlage adaptiert wurde. Mit Hilfe probabilistischer Methoden wurden zudem obere und untere Grenzen des Zustandsverlaufes erarbeitet. Das Ergebnis - ein Erhaltungsplan für sämtliche Brücken und Bauteile – ist Grundlage für Optimierungsberechnungen hinsichtlich Kosten und Verfügbarkeit.

08. März 2012 | 13:50 Uhr
G. Weithe
, Dipl.-Ing.
, Alpine BeMo Tunnelling GmbH, Werne
P. Sterzik
, Dipl.-Ing.
, Alpine BeMo Tunnelling GmbH, Werne

1 Projekt Neuer Kaiser-Wilhelm-Tunnel

Zur Sanierung und Aufrüstung der Bahnstrecke 3100 von Koblenz nach Trier wird im Auftrag der Deutschen Bahn eine neue zweite Tunnelröhre parallel zum Alten Kaiser-Wilhelm-Tunnel bei Cochem gebaut. Im Zuge der Erneuerungsmaßnahme wird auch der ca. 4.200 m lange Alte KaiserWilhelm-Tunnel saniert und an die neuen Sicherheitsstandards der Deutschen Bahn angepasst.

Der Neue Kaiser-Wilhelm-Tunnel mit 4.242 m Länge wird von der ausführenden Baufirma Alpine BeMo Tunnelling GmbH (ABT) mittels Tunnelvortriebsmaschine (TVM) mit einem Ausbruchsdurchmesser von 10,12 m aufgefahren. Die Bodenverhältnisse teilen die Vortriebsstrecke in einen ca. 3.750 m langen Abschnitt mit Sand- und Tonstein sowie einen Lockergesteinsbereich mit rund 500 m Länge, den die Dual-Mode TVM im geschlossenen Erddruck-Modus bis zum Durchschlag in der Cochemer Innenstadt bewältigt.

2 Automatisches Geomonitoring

Hierbei unterquert die TVM in diesem 500 m langen Streckenbereich zahlreiche Gebäude und Straßen der Cochemer Oberstadt mit teilweise nur ca. 3 m Überdeckung zwischen Tunnelfirste und den Fundamenten der Gebäude. Die Unterfahrung der kritischen Bebauung wird durch gezielte Bodenverbesserungsmaßnahmen und vorlaufende Hebungsinjektionen in Verbindung mit einem aufwändigen Messprogramm angegangen. Trotz Permanentüberwachung mit einer Vielzahl von Sensoren gilt die Unterfahrung der Extremlage mit nur 3 m Überdeckung bei fünf Gebäuden im Bereich der Oberbachstraße 14 - 16b als heikel. Insgesamt liegen in einem 30 m breiten Areal über der Tunneltrasse ca. 80 Gebäude im Einflussbereich der Tunnelvortriebsarbeiten. Um Schäden an den Gebäuden frühzeitig zu erkennen, werden alle betroffenen Bauwerke sowie Straßen- und Geländepunkte rund um die Uhr auf resultierende Baugrundbewegungen überwacht. Parallel hierzu erfassen hochgenaue hydrostatische Drucksensoren der Firma GeTec GmbH in den kritischen Gebäuden Deformationen im Submillimeterbereich. In der extremen Phase laufen alle Informationen in einem oberirdischen Steuerstand der Keller Grundbau GmbH zusammen. Vom Injektionsschacht aus können bei Bedarf zeitnah gezielte Hebungsinjektionen unter den Gebäuden ausgeführt werden.

Gemeinsam mit der Bruchsaler VMT GmbH entwickelt die Abteilung Messtechnik der ABT GmbH Niederlassung West mit Sitz in Werne ein umfangreiches Mess- und Systemkonzept zum automatisierten Deformations-Monitoring der Objekte mit Echzeit - Datentransfer bis zum Schildfahrer im Steuerstand der Tunnelvortriebsmaschine. Das neu entwickelte "Customized Monitoring System TUnIS Geomonitoring" der VMT GmbH wird modular an die speziellen Anforderungen zur Überwachung der Anlagen und Bauwerke angepasst. Die fortlaufenden Messungen des Deformationsnetzes erfolgen automatisch durch motorisierte Tachymeter vom Typ Leica TS30. Zur Steigerung der Genauigkeit und der Zuverlässigkeit der Ergebnisse werden zusätzlich GNSS Basislinien automatisch prozessiert und gemeinsam mit den terrestrischen Messungen in einer Netzausgleichung durch die Software GOCA ausgewertet. Zur Erfassung von Bewegungen im Untergrund wurden zusätzlich insgesamt drei Extensometer - Messquerschnitte installiert.

Eine gesicherte Datenkommunikation garantiert eine lückenlose Überwachung der Objektpunkte in Echtzeit mit automatischem Alarmmanagement. Sobald die vorab definierten Grenzwerte überschritten werden, wird eine Alarmierung des berechtigten Personenkreises ausgelöst. Die Ergebnisse werden im Tunnelinformationssystem IRIS geomonitoring zusammen mit den Prozessdaten des Tunnelbaus und den Maschinendaten gesammelt, dargestellt und im benutzerdefinierten Reportmanagement archiviert. Die zuständigen Ingenieure, Bauleiter, Vermesser sowie die Bauüberwachung haben somit jederzeit Zugriff auf alle notwendigen Informationen und Daten.

Die erfassten Daten werden hierbei in einem Geosensornetzwerk zusammen geführt und an die Software TUnIS übertragen, welche die Datenauswertung und statistische Qualitätskontrolle übernimmt. Anschließend stellt die Software IRIS.geomonitoring die ausgewerteten Daten allen Projektbeteiligten zur Verfügung.

3 Systemmerkmale und Komponenten

Das oberirdische Automatische Monitoring in der Cochemer Oberstadt besteht im Überblick aus folgenden Systemmerkmalen und Komponenten:

  • Modularer Systemaufbau für projektbezogene Zusammenstellung der Hard- und Software in Cochem
  • Installation von mehr als 150 Objektprismen
  • 12 Tachymeterstandpunkte, vortriebsabhängig mit bis zu neun Leica TS30 besetzt
  • GNSS Erweiterung zur Steigerung der Zuverlässigkeit sowie zur Besetzung von Objektpunkten
  • Installation von geotechnischen Messquerschnitten mit vollautomatischer Messung von Stangenextensometern
  • Vollautomatische Echtzeitauswertung, Datenaufbereitung, Alarm- und Reporting Management
  • Visualisierung der Ergebnisse im gesamten Baustellennetzwerk über die gesicherte Internetplattform IRIS (Integrated Risk and Information System)

4 Unterfahrung der Oberstadt im Oktober / November 2011

Die detaillierte Planung der oberirdischen Messtechnik beginnt bereits im Dezember 2010 mit dem Entwurf eines Messprogramms. Das Konzept sieht vor, dass alle Gebäude im Unterfahrungskorridor von 30 m Breite in die Permanentbeobachtung einbezogen werden. Die Installation von hydrostatischen Druckschlauchwaagen beschränkt sich auf die Gebäude im Bereich der Hebungsinjektionen. Alle anderen Gebäude sollen mit hochpräzisen Tachymetern überwacht werden. Hierbei fällt die Wahl der Sensoren auf die Baureihe TS30 der Firma Leica Geosystems, da nur diese Instrumente im Hinblick auf die geforderte Genauigkeit der Messergebnisse und den zu messenden Distanzen den Projektanforderungen entsprechen. Die technische Ausrüstung zur Installation der Systemkomponenten übernimmt die Fa. Goecke GmbH, Schwelm mit einem neuen Schutzsystem für die Tachymeter. Durch spezielle Konsolen mit GeoMonitoring 2012

Überdachungen und Kunststoffblenden können die Instrumente kostengünstig vor Wettereinflüssen und Vandalismus geschützt werden. Durch das neuartige Schutzsystem sind die Instrumente nicht mehr sichtbar und die Vorrichtungen werden von Passanten eher für Beleuchtungskörper gehalten. Bei allen Instrumentenstationen kann somit auf eine teure Einhausung verzichtet werden. Bevor die herannahende Tunnelvortriebsmaschine die Siedlung erreicht, wird das System in Betrieb genommen zunächst getestet. Mit Beginn der Unterfahrung im Oktober 2011 sind kleinere Störungen behoben und das Geomonitoring nimmt den Betrieb mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit auf. Da bei maschinellen Vortriebsarbeiten im Gegensatz zum konventionellen Tunnelbau weniger Möglichkeiten zur Messung der untertägigen Verformungen bestehen, kommt dem Geomonitoring an der Infrastruktur bei diesem Projekt eine besondere Bedeutung zu.

Die Projektbeteiligten haben jederzeit und von jedem Ort aus Zugang zu den aktuellen Messdaten. Ein Bildschirm im Steuerstand der Vortriebsmaschine zeigt in Echtzeit die aktuelle Maschinenposition im Satellitenfoto und sämtliche Sensoren an der Oberfläche mit den aktuellen Messergebnissen. Somit kann jederzeit auf kritische Werte reagiert werden.

Die Unterfahrung der Gebäude kann Anfang November erfolgreich abgeschlossen werden. Im kritischen Bereich an der Oberbachstrasse geht das Kalkül der Planer auf: die Vorhebung der Gebäude entspricht in etwa den Gebäudesetzungen und der Komplex wird ohne nennenswerte Schäden unterfahren.

Am 07.11.2011 schlägt die Tunnelvortriebsmaschine in der Innenstadt Cochem nach 4.300 Metern Schildfahrt mit hoher Präzision durch. Ohne den hohen Stand der Injektions- und Messtechnologie und den verlässlichen Betrieb des Automatischen Geomonitoring hätte man dieses anspruchsvolle Projekt mit dieser Trassenführung nicht realisieren können.

08. März 2012 | 14:10 Uhr
C. Meyer
, Dipl.-Ing.
, terra monitoring AG, Zürich, Schweiz

Mit der Zunahme der individuellen Ansprüche an die Lebensqualität und Mobilität werden Ballungsräume weltweit mit rapide zunehmenden Pendlerströmen konfrontiert. Da Raumressourcen auf dem Niveau der Geländeoberfläche begrenzt verfügbar sind und vorzugsweise höherwertiger Nutzung zugeführt werden, müssen neue Schienen- und Strassenwege zunehmend in den Untergrund verlegt werden.

Der Bau unterirdischer Verkehrswege beeinflusst bestehende Infrastruktur. Durch die linienhafte Ausprägung der Baustellen ist es zudem unvermeidlich, dass es zu Überschneidungen mit anderen Bauaktivitäten kommt. Risiken müssen identifiziert, Auswirkungen bestimmt und Schutzmassnahmen abgeleitet werden. Die in diesen Prozess einfliessenden Variablen sind während der Ausführungsphase zu verifizieren und zu präzisieren. Es ist deshalb erforderlich, dass grosse innerstädtische Infrastrukturbaumassnahmen durch ein integriertes Monitoring begleitet werden. Mit dem Monitoring werden zwei Ziele verfolgt:

  • Impact-Monitoring: Beobachten, Warnen und Dokumentieren als Bestandteil eines erweiterten Beweissicherungsverfahrens.
  • Design-Monitoring: Optimierung von Methoden und Prozessen durch messtechnische Beobachtung wichtiger Messgrössen (EC7, Beobachtungsmethode) Am Beispiel von zwei Eisenbahn-Grossprojekten werden aktuelle Entwicklungen bei der Umsetzung von Monitoring-Projekten für innerstädtische Infrastrukturmassnahmen aufgezeigt.

Ein Zwischenfazit zu den im Rahmen des Projektes "Durchmesserlinie Zürich", der grössten innerstädtischen Infrastrukturbaumassnahme in der Schweiz, realisierten Überwachungsaufgaben wird gezogen. Im Rahmen dieses seit 2007 laufenden Projektes wurde mit swissMon ein umfassendes Monitoring-System eingesetzt, mit dem täglich bis zu 395‘000 Messdatensätze vollautomatisch erfasst, ausgewertet und in Echtzeit visualisiert werden.

Seit 2010 wird an dem ca. 5 km langen Tunnelbauprojekt für den "Florence High Velocity Link" gearbeitet. Dieses Beispiel zeigt, wie sich die Konzepte und technischen Möglichkeiten innerhalb von nur drei Jahren weiterentwickelt haben.

Aufbauend auf unseren Erfahrungen als Anbieter von integrierten Messdienstleistungen werden konzeptionellen Entwicklungen und strukturellen Voraussetzungen diskutiert, die für zukünftige Projekte zu erwarten bzw. erforderlich sind.

08. März 2012 | 14:30 Uhr
Wolfgang Niemeier
, Prof. Dr.
, Institut für Geodäsie und Photogrammetrie, TU Braunschweig
P. Mark
, Prof. Dr.
, Lehrstuhl für Massivbau, Ruhr Universität Bochum

Bei der Lösung von geometrischen Monitoringaufgaben hat es in den letzten Jahren einen Paradigmenwechsel gegeben, der beschrieben werden kann durch einen Übergang von punktuellen und epochalen Messungen hin zu flächenhaften und kontinuierlichen Methoden. Ein innovatives Beispiel hierfür ist die Radarinterferometrie von Satelliten aus, mit der grundsätzlich flächendeckend und in enger zeitlicher Folge ein Nachweis von Gebäude- und Oberflächenbewegungen möglich wird. In diesem Beitrag sollen die zugrunde liegende Konzepte und die Anwendbarkeit dieser Methode dargelegt werden, wobei neben herkömmlichem Differentiellen Interferometrischen SyntheticAperture Radar (DInSAR) auch die Permanent Scatterer Technologie (PSI) vorgestellt und kritisch

diskutiert wird. Ein Vorteil der PSI-Technologie ist, dass hier für eine Vielzahl von ortsidentische Reflektoren längere Zeitreihen von Radarsignalen bestimmt und analysiert werden, wodurch Störeffekte besser eliminiert werden können und auch ein zeitlich variabler Ablauf einer Bewegungen bestimmt werden kann.

Diese PSI-Methodik wird in einem Kooperationsprojekt zwischen der Ruhr-Universität Bochum, genauer mit dem dort eingerichteten Sonderforschungsbereich (SFB) 837, und der Technischen Universität Braunschweig für die Überwachung des innerstädtischen Tunnelbauprojektes „Wehrhahnlinie“ in Düsseldorf eingesetzt. Ziel dieses durch die Landeshauptstadt Düsseldorf unterstützten Forschungsvorhabens ist es, Setzungen und Hebungen der Erdoberfläche und der dort befindlichen Bebauung während des Tunnelvortriebs und eine gewisse Zeit danach mit hoher Genauigkeit und möglichst flächendeckend zu bestimmen. Für dieses Vorhaben standen TerraSAR-X Daten des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) zur Verfügung, die eine Wiederholrate von 11 Tagen aufweisen und somit eine recht hohe zeitliche Auflösung des Deformationsverhaltens erlauben.

Ein derartiges Monitoring ist sinnvoll bzw. notwendig, da es durch die Vortriebsarbeiten im maschinellen Tunnelbau mit den heute üblichen geringen Überdeckungen fast unvermeidbar zu Setzungen an der Erdoberfläche kommt, die sich je nach konstruktiver Ausgestaltung auch auf die Bestandsbebauung auswirken. Ein flächenhaftes Monitoring mittels Radarinterferometrie soll diese Interaktionen zwischen Tunnelvortrieb und Oberflächendeformationen aufzeigen und neuartige Erkenntnisse erbringen, wie zukünftig bereits in der Planungsphase von Tunnelbauprojekten Setzungseinflüsse für die Bebauung reduziert werden können.

08. März 2012 | 15:00 Uhr
08. März 2012 | 15:30 Uhr
Andreas Schenk
, Dipl.-Ing.
, Karlsruher Institut für Technologie
Malte Westerhaus
, Dr.
, Karlsruher Institut für Technologie
Bernhard Heck
, Prof. Dr.
, Karlsruher Institut für Technologie
08. März 2012 | 15:50 Uhr
Uwe Sörgel
, Prof. Dr.
, Institut für Photogrammetrie und GeoInformation, Leibniz Universität Hannover

In Bilder hochauflösender satellitengestützter SAR-Sensoren können Gebäudedetails wie Fenster oder Balkone zu starken und zeitlich stabilen Reflexionen führen. Die typische lineare Anordnung solcher städtischer Objekte in horizontaler oder vertikaler Richtung führt zu ähnlichen Mustern in den SARBildern.

In Zeitreihenanalysen dienen Netze starker und zeitstabiler Reflektoren (Persistent Scatterer) der 3DRekonstruktion der Szene sowie der Beobachtung von Deformationsprozessen. Jedoch wird bislang hierbei die regelmäßige Anordnung der Objekte nicht ausgenutzt. Im vorliegenden Aufsatz diskutieren wir die auftretenden Muster auch anhand Vergleich mit optischen Referenzdaten. Desweiteren schlagen wir ein Verfahren zur Gruppierung solcher Reihungen vor. Schließlich gehen wir darauf ein, inwiefern man durch Ausnutzung von Redundanzen bessere Schätzwerte für die Höhen- und Lagebestimmung erhalten kann

08. März 2012 | 16:10 Uhr
Hiddo Velsink
, M.Sc.
, Hogeschool Utrecht, Niederlande

Geodetic deformation measurements are concerned with determining modifications induced by physical causes in spatial geometry. They can be used to determine soil subsidence by mining activities, sea level variation, subsidence and distortions of civil engineering and architectural constructions (building of underground railways, engineering works in ports and locks, industrial installations, etc.), landslides of hills, mountains, dikes and dams. The measurements are performed because it is a legal obligation, because assurance companies demand it, because security is at stake or because an early warning system is seen as essential by the principal, who may be a private company or a state institution. This presentation is concerned with the governance of geodetic deformation measurements.

If we want to know if and how fast the Netherlands or Germany, or parts of it, are subsiding or rising, who descides that it should be measured and how is the methodology determined? What interests are at stake? How is the proper use and innovation of geodetic methods guaranteed? To be able to answer such and similar questions a taxonomy of governance arrangements for geodetic deformation measurements is presented. Relevant aspects of activities to measure deformations are put into a classification. By interviewing experts in the field of geodetic deformation measurements in the Netherlands the activities of companies, institutions and other structures that are concerned with geodetic deformation measurements were rated within the presented taxonomy and its adequacy demonstrated.

A view on possible applications of the taxonomy is given.

08. März 2012 | 16:30 Uhr
Johannes Ohlmann-Lauber
, Dipl.-Ing.
, Lehrstuhl für Geodäsie, TU München

Die Ingenieurgeodäsie bedient sich zur Überwachung von künstlichen und natürlichen Objekten zahlreicher Messtechnologien, aus denen sich zumeist Koordinaten eindeutig identifizierbarer Messpunkte ableiten lassen. Herkömmliche Methoden zur Deformationsanalyse bauen daher auf der Zuordnung homologer Objekt- bzw. Stützpunkte zweier Beobachtungsepochen auf. Diese Ansätze lassen sich jedoch nicht ohne weiteres auf hochauflösende und flächenhafte TLS-Daten übertragen, da aus registrierten Punktwolken mehrerer Messepochen keine identischen Objektpunkte direkt reproduzierbar sind.

Es existieren zahlreiche, interdisziplinäre Anwendungsbeispiele aus Forschung und Praxis, welche diese Problemstellung behandeln. Deshalb einen Überblick über die Schwierigkeiten und unterschiedlichen Herangehensweisen zur Ableitung von flächenhaften Deformationen zu gewinnen, soll zunächst Ziel dieses Beitrags sein.

Neben der allgemeinen Gegenüberstellung von Deformationsmodellen für TLS-Daten wird insbesondere auf die vorhandenen Probleme bei der Überwachung natürlicher Objekte mittels Terrestrischem Laserscanning (TLS) eingegangen. Lokaler Materialabtrag oder Oberflächenveränderungen durch Sicherungsmaßnahmen wie z.B. Spritzbetonauftrag verfälschen im Normalfall die automatisch abgeleiteten Deformationen besonders bei der Aufdeckung kleiner Deformationen welche nahe an der Registrierungsunsicherheit liegen. Aus diesem Grund ist es zur Bestimmung hochgenauer und zuverlässiger Deformationen nötig, die aufgrund der Änderung der Oberflächengeometrie resultierenden Pseudodeformationen aus der flächenhaften Deformationsinformation zu filtern. Hierzu sollen Filterungsansätze und deren Grenzen aufgezeigt werden.

09. März 2012 | 09:00 Uhr
Wilhelm Hannemann
, Dipl.-Inf.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
Michael Schäfer
, Dipl.-Geol.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
Wolfgang Busch
, Prof. Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal

In diesem Beitrag sollen die Möglichkeiten der Persistent Scatterer Interferometrie zur Beobachtung von kleinen, nicht periodischen Bewegungen in ländlich geprägten Gebieten aufgezeigt werden. Bei der Persistent Scatterer Interferometrie werden grundsätzlich nur zeitlich und räumlich stabile Punkte für die interferometrische Auswertung von Radardaten genutzt und in langen Zeitreihen ausgewertet. Dies ist von Vorteil, wenn die differentielle SAR Interferometrie aufgrund des Kohärenzverlustes versagt. Oftmals sind diese stabilen Rückstreuer künstliche anthropogene Objekte, weshalb man insbesondere in Stadtgebieten eine gute räumliche Abdeckung hat. Mit den neuen hochauflösenden Radarsatelliten bietet sich jetzt die Möglichkeit, kleine Objekte und Infrastruktureinrichtungen, z. B. Strommasten, Bahnschienen und Windräder in sonst dünn besiedelten Gebieten für die Persistent Scatterer Interferometrie zu nutzen. Mit ausgewählten Beispielen von Infrastrukturanlagen die überall im ländlichen Bereich vorhanden sein können, soll das Potenzial der Persistent Scatterer Auswertung für diese Gebiete erläutert werden.

Für die Auswertung standen hochauflösende Radardaten der Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X zur Verfügung.

09. März 2012 | 09:20 Uhr
Britta Riechmann
, Dipl.-Phys.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
Steffen Knospe
, Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal
Wolfgang Busch
, Prof. Dr.
, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen, TU Clausthal

In diesem Beitrag sollen die Möglichkeiten der Persistent Scatterer Interferometrie zur Beobachtung von kleinen, nicht periodischen Bewegungen in ländlich geprägten Gebieten aufgezeigt werden. Bei der Persistent Scatterer Interferometrie werden grundsätzlich nur zeitlich und räumlich stabile Punkte für die interferometrische Auswertung von Radardaten genutzt und in langen Zeitreihen ausgewertet. Dies ist von Vorteil, wenn die differentielle SAR Interferometrie aufgrund des Kohärenzverlustes versagt. Oftmals sind diese stabilen Rückstreuer künstliche anthropogene Objekte, weshalb man insbesondere in Stadtgebieten eine gute räumliche Abdeckung hat. Mit den neuen hochauflösenden Radarsatelliten bietet sich jetzt die Möglichkeit, kleine Objekte und Infrastruktureinrichtungen, z. B. Strommasten, Bahnschienen und Windräder in sonst dünn besiedelten Gebieten für die Persistent Scatterer Interferometrie zu nutzen. Mit ausgewählten Beispielen von Infrastrukturanlagen die überall im ländlichen Bereich vorhanden sein können, soll das Potenzial der Persistent Scatterer Auswertung für diese Gebiete erläutert werden.

Für die Auswertung standen hochauflösende Radardaten der Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X zur Verfügung.

09. März 2012 | 09:40 Uhr
H.-H. Baumbach
, Dipl.-Ing.
, Lausitzer und Mitteldeutsche Bergbau-Verwaltungsgesellschaft mbH (LMBV), Senftenberg
09. März 2012 | 10:00 Uhr
Frank-Peter Reetz
, Dipl.-Ing.
, Mitteldeutsche Braunkohlengesellschaft mbH, Zeitz

In den Tagebauen der MIBRAG sind einige Böschungen oder Böschungssysteme als nicht standsicher eingestuft. Die Ursachen der Standsicherheitsprobleme sind dabei sehr vielfältig. Zur Gefahrenabwehr werden spezielle Standsicherheitsnachweise erarbeitet, in denen die spezifischen geotechnischen Verhältnisse, Bodenmechanische Kennwerte und Berechnungen sowie die Gefährdungspotentiale beschrieben und Überwachungsmaßnahmen festgelegt sind. Daraus abgeleitete Verhaltensanforderungen an die Mitarbeiter werden in Arbeitsanweisungen geregelt.

Darüber hinaus wurde das Markscheidewesen mit der Auswahl geeigneter geodätischer Messverfahren zur permanenten Überwachung gefährdeter Böschungsbereiche und der Entwicklung eines Onlinesystems zum Deformationsmonitoring an fortschreitenden Tagebauböschungen beauftragt. Das Ziel besteht darin, Bewegungen, die einen Böschungsbruch ankündigen, frühzeitig nachzuweisen. Mit der Aktivierung eines Alarmsystems soll es ermöglicht werden, Mitarbeiter und Technik vor dem kritischen Ereignis aus dem Gefahrenbereich zu verbringen.

Gemeinsam mit Projektpartnern konnten in diversen Feldversuchen mit terrestrischen 3DLaserscannern der Firma RIEGL Laser Measurement Systems bis zu einer Stunde vor einem Böschungsbruch erste Deformationen in der Böschungsoberfläche detektiert werden. Diese Erkenntnisse haben MIBRAG und Riegl ermutigt auf Basis eines Scanners der V-Serie ein Onlinesystem zum Deformationsmonitoring für den mobilen Einsatz auf einem Schaufelradbagger im Braunkohlentagebau zu entwickeln. Die Integration des Systems auf dem Tagebaugroßgerät stellt alle Projektbeteiligten wegen der Komplexität der unterschiedlichsten Einflussfaktoren vor große Herausforderungen. Parallel hierzu ist im 1.Quartal 2012 der Einsatz dieses Monitoringsystems auf stationärer Basis in einem Abbaugebiet mit mobiler Fördertechnik geplant.

Neben dieser automatisierten Lösung setzt die MIBRAG terrestrische 3D-Laserscanner auch manuell zur Überwachung von Böschungssystemen ehemaliger Tagebaue bzw. Tagebaurestseen ein. Da hier im Allgemeinen keine Onlineüberwachung erforderlich ist, wird in größeren Zeitintervallen gemessen und im Postprozessing ausgewertet

09. März 2012 | 10:20 Uhr
09. März 2012 | 10:45 Uhr
Stefan Hinz
, Prof. Dr.
, Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, Karlsruher Institut für Technologie
09. März 2012 | 11:10 Uhr
Andreas Eichhorn
, Prof. Dr.
, Geodätisches Institut, TU Darmstadt

Im Rahmen des Beitrags werden neue Methoden in der Ingenieurgeodäsie bei der Erfassung und Analyse von Massenbewegungen vorgestellt. Neben der inzwischen weitgehend automatisierten messtechnischen Erfassung von Veränderungen in diskreten Objektpunkten gewinnen flächenhafte Messverfahren (z.B. terrestrisches Radar) zunehmend an Bedeutung. Es wird ebenfalls angestrebt, auch Annahmen über die physikalische Struktur der Massenbewegung mit in die Auswertung einzubeziehen. Dies kann beispielsweise durch die Generierung und Kalibrierung von numerischen Modellen erfolgen. Eine wichtige Zielsetzung ist dann die Erstellung von möglichst realitätsnahen Deformationsmodellen, welche auch zur Simulation von messtechnisch nicht erfassten / erfassbaren Ereignissen geeignet sind und damit eine weiterführende Beurteilung des Deformationsprozesses erlauben.

Anhand des vom FWF (Wissenschaftsfond, Österreich) geförderten Projektes „KASIP“ wird die oben beschriebene Vorgehensweise veranschaulicht. Das gezeigte Beispiel behandelt die Überwachung einer Hangrutschung in der Nähe von Innsbruck. Die Massenbewegung „Steinlehnen“ weist jährliche Bewegungen im dm-Bereich auf und wird mittels eines Monitoringsystems vom Gegenhang aus beobachtet. Das Monitoringsystem besteht aus einem Tachymeter und dem terrestrischen Radarsystem IBIS-L. Neben dem Monitoring erfolgt eine numerische Modellierung der Massenbewegung mit Hilfe der Methode der Finiten Differenzen (dynamisches FD-Modell). Zielsetzung ist hierbei, die der Bewegung zugrunde liegenden Versagensmechanismen zu verstehen und somit weiterführend eine zuverlässige Alarmierung zu generieren. Die Zusammenführung von Modell und Monitoringdaten erfolgt im Rahmen einer „Modellkalibrierung“, in welcher relevante Parameter (z.B. Festigkeitsparameter wie die aktuelle innere Reibung und Kohäsion) des Hanges geschätzt werden.

09. März 2012 | 11:35 Uhr
Dirk Rieke-Zapp
, Dr.
, Institut für Geologie, Universität Bern, Schweiz

The scope of SedyMONT is to assess the susceptibility of European mountainous landscapes to changes in temperature, precipitation and runoff. This requires the identification of sediment sources and sinks, and building the knowledge base of physical processes, rates and times scales of sediment transfer in different environments. In SedyMONT, we address this topic on the basis of: (i) an advanced understanding of the timescales and the mechanisms of sediment production and transfer and related effects in selected European mountain landscapes; (ii) the documentation of changes in process rates over different timescales; (iii) the analysis of how the inheritance of the landscape (e.g., due to the influence of previous glaciations) has affected process rates; (iv) the investigation of how landscape connectivity affects sediment transfer rates and residence times; and (v) the development of a conceptual modelling framework to understand the transfer of sediment from sources to sinks. These tasks are carried out at 7 selected sites located in Norway, Switzerland, Italy and Austria. The sites are characterized by distinct conditions that potentially lead to different controls and timescales of sediment discharge including: (i) the glacial inheritance (entire Swiss Alps); (ii) the modern glacial and permafrost environment (forefield of Pasterze glaciers, Austria); (iii) landsliding (Schimbrig and Zielbach, Swiss and Italian Alps); (iv) debris flows (Illgraben, Central Alps); and (v) variations in bedrock lithology (entire Alps). In addition, the Nordfjords of western Norway (Erdalen and Bødalen catchment) provide the unique possibility to understand how the landscape’s inheritance of the Last Glacial Maximum has influenced the source-to-sink processes in a typical fjord-valley system.

We find that sediment discharge and landscape change of the study basins are mainly related to five independent variables: (i) the extent of the perturbation of the European landscape during Pleistocene and Holocene glaciations; (ii) the mechanical strength and tilt direction of the bedrock; (iii) the ratio between incision rates in channels and bedrock weathering rates on hillslopes; (iv) the connectivity and coupling relationships between hillslope processes and channels; and (v) the degree to which sediment transport has occurred by debris flows as opposed to fluvial processes.

  1. Detailed mapping shows that the glacial deposits have been the most important sediment reservoirs during the Holocene. Additionally, the glacial inheritance appears to exert a firstorder control on Holocene sediment discharge in nearly all analyzed basins, affecting various geomorphological components at different spatio-temporal scales. The perturbation of the Central European landscape during Pleistocene glaciations is evident by: fluvio-glacial deposits of various thicknesses, deeply scoured valleys and hanging tributary valleys with steep headwalls incised by inner gorges, and by a thick permafrost regolith cover particularly in regions that were not covered by ice. Additionally, sediment budgets indicate a general decrease in sediment discharge since the termination of the LGM, modulated by seasonal and daily variations in sediment flux.

  2. Litholologic properties of bedrock, particularly the mechanical strength and dip direction, have a measurable impact on the landscape's morphologic properties in glacially nonperturbed landscapes where channel gradients and hillslope angles positively correlate with bedrock strength. In contrast, these correlations break down in transient segments adjusting to the glacial perturbation. In particular, channels and hillslopes in inner gorges are oversteepened and have gradients that are not related to the bedrock properties. Additionally, we consider that the tilt direction of the bedrock drives the importance of sediment discharge in channels relative to hillslopes, which in turn explains the topographic roughness, the GeoMonitoring 2012 channel density and the response time. In particular, hillslopes where the bedrock dips parallel to the topographic slope (dip slope situation) are perched by landslides and display smooth curvatures and low channel densities. These landscapes are characterized by long response times. In the opposite case where the bedrock dips at a high angle to the topographic slope (non-dip slope case), the hillslopes are deeply dissected by a highly branched network of bedrock channels and are bordered by strength-limited hillslopes.
  3. Fluvial incision, mainly motivated by the glacial perturbation, explains variations in soil cover of bedrock. In particular, hillslopes are soil mantled and display smooth curvatures where fluvial incision rates are less than weathering rates of bedrock, which is limited to 0.2-0.3 mm/yr in Europe. In contrast, hillslopes are stripped of regolith, expose bedrock and respond by strength-limited failure to channelized erosion where fluvial incision rates exceed the upper limit of bedrock weathering rates.
  4. The dip-slope situation frequently results in a down-slope directed coupling between hillslopes and channels where the hillslope-derived sediment discharge exerts a strong control on the channel dynamics. In the opposite, non-dip slope case, the channel-hillslope coupling occurs in the upslope direction, where changes in sediment transport and erosion in the channel network have an implicit response on the bordering hillslopes.

We find that stochastic sediment transfer in general, and debris flows in particular, may be a dominant mechanism of transport and sedimentary fan development, although the rate of debris-flow transport and the resulting fan stratigraphy and morphology (including incision and aggradation) have varied strongly through time. Also, transport-limited sediment transfer by debris flows may dominate the sediment budget of an entire basin. The application of the sediment cascade model which schematizes the basin into a system of connected reservoirs, representing source areas as well as connected and disconnected hillslopes and channels, shows that residence time results in a lag in the reservoir output. This is seen most clearly where the outputs of successive reservoirs in the series are increasingly lagged. Another effect of residence time is to smooth the output, as also seen in situations where the outputs of successive reservoirs show progressively less variation in time. Thus, these first experiments demonstrate how the final sediment yield disguises the temporal variation in sediment transfer higher up in the catchment.