© 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Copernicus Forum Workshop D.2 - Copernicus für Verkehrs- und Mobilitätsanwendungen Dr. Michael Riedmann, Dr. Oliver Lang 5. November 2015 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Projektübersicht - 1 • Ziel: Untersuchung des Potentials des satellitengestützten Monitorings für die Erfassung der Bewegungen von Straßenbauwerken • Projektlaufzeit: 01. Februar 2013 – 31. August 2015 • Projektteilnehmer: Airbus DS (Hauptauftragnehmer), Ruhr Universität Bochum – Lehrstuhl für Verkehrswegebau (vor Ort Texturmessungen), Niedersächsische Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr regionaler Geschäftsbereich Oldenburg (terrestrisches Nivellement) Diesem Bericht liegen Teile der im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur, vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen, unter FE-Nr. 07.0263/2012/PRB durchgeführten Forschungsarbeit zugrunde. Die Verantwortung für den Inhalt liegt allein beim Autor. 5. November 2015 2 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Projektübersicht - 2 Zwei Fragestellungen: 1. Wann erzeugt eine Straße ausreichend Messpixel für eine satellitengestützte Bewegungsmessung? 2. Erprobung der Anwendung von Bewegungsmonitoring mittels Radarinterferometrie an einem Dammbauwerk 3 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken • Einfallswinkel im Bereich von 20° bis 55° © DLR e.V. 2014 5. November 2015 Confidential Verwendung von Daten des deutschen TerraSAR-X Satelliten • Wellenlänge 3,1cm (X-Band) • 11 Tage Wiederholrate • Hochauflösende Aufnahmemodi wurden benutzt (1m und 25cm Auflösung) 4 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Fragestellung 1 Testgebiet 1: Autobahnkreuze im Nordosten von Hannover, Niedersachsen Autobahn Material SplittmastixAsphalt (SMA) A2 A7 A37 (B3) 5. November 2015 Größtkorn (mm) Gestein 8 Gabbro und / oder Diabas Offenporiger Asphalt (PA) 11 Offenporiger Asphalt (PA) 8 Waschbeton 8 A7 A2 SplittmastixAsphalt (SMA) 11 Grindingbeton 8 SplittmastixAsphalt (SMA) A37 11 Gabbro und / oder Diabas Gabbro und / oder Diabas Hintergrundbild © Google Earth 2014 5 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Fragestellung 1 Testgebiet 2: Autobahn BAB A24 bei Neuruppin, Brandenburg Testfeld Material Größtkorn (mm) Art der groben Gesteinskörnung Rüttelstreifen 1 SplittmastixAsphalt (SMA) 11 Granodiorit Ja 2 SplittmastixAsphalt (SMA) 8 Granodiorit Ja 3-6 Offenporiger Asphalt (PA) 8 Eolit Ja 7-8 SplittmastixAsphalt (SMA) 11 Granodiorit Ja 9 SplittmastixAsphalt (SMA) 11 Granodiorit Ja 10-11 Offenporiger Asphalt (PA) 8 Eolit Nein 12-15 Offenporiger Asphalt (PA) 8 Eolit Ja 11 Granodiorit Ja 5 Granodiorit Ja 5 Eolit Nein 16 17-18 19 SplittmastixAsphalt (SMA) Lärmoptimierter Gußasphalt (PMA) Lärmoptimierter Gußasphalt (PMA) 5. November 2015 A24 Hintergrundbild © Google Earth 2014 6 Confidential Fragestellung 1 Ableitungen – Beispiel Testgebiet 2 • Plot Rauigkeits- (MPD) Werte gegen Reflexionswerte 0.40 -8.0 0.90 1.40 1.90 • Plot Reflexion versus Messpixeldichte 2.40 9000 Messpixeldichte (Pixel/ha) 8000 -10.0 Reflexion (dB) © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken -12.0 N_A_26 N_A_49 -14.0 N_D_27 N_D_49 -16.0 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 -18.0 0 -17 -20.0 -15 -14 -13 Reflexion des Straßenbelags (dB) -12 -11 Mean Profile Depth (mm) – Je höher der MPD Wert (Rauigkeit), desto höher der Rückstreuwert. – Je steiler (kleiner) der Einfallswinkel, desto höher die Reflexion. 5. November 2015 -16 – Starker linearer Zusammenhang (Bestimmtheitsmaß R² von 0,77) 7 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Fragestellung 1 Zusammenfassung der Ergebnisse Optimale Parameter für Satellitenaufnahmen für ein Bewegungsmonitoring von Fahrbahnoberflächen • VV-Polarisation • möglichst hohe räumliche Auflösung, um Mischpixel von Straße mit umliegender Vegetation zu vermeiden (mindestens TerraSAR-X HS Modus) • mittlerer Einfallswinkel von etwa 35° bis 40° • Blickrichtungsazimut ausschlaggebend nur bei Baumbewuchs am Straßenrand: soweit als möglich entlang der Fahrbahnausrichtung • keine nasse Fahrbahnoberfläche, da sonst Veränderung der Reflexion der Straßenoberfläche • Aufnahmezeitpunkt bei möglichst geringer Verkehrsdichte 5. November 2015 8 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Fragestellung 1 Zusammenfassung der Ergebnisse Eignung unterschiedlicher Fahrbahnoberflächen für ein Bewegungsmonitoring mit TerraSAR-X Daten • • • • Rauigkeit des Fahrbahnbelags mit einem MPD Wert (Rauigkeit) von mindestens 0,4 mm Rüttelstreifen und Arten der groben Gesteinskörnung des Fahrbahnbelags unerheblich Neigung der Fahrbahn nur in Fahrtrichtung und bei mehr als 5° zu berücksichtigen Stabile Rückstreuer wie z.B. Schutzplanken entlang der Fahrbahn stellen wünschenswerte Messpixel dar 5. November 2015 Priorität Straßenbelag MPD-Wert (mm) Eignungsklasse 1 2 3 4 5 6 7 PA 11 PA 8 SMA 11 SMA 8 PMA 5 Waschbeton Grindingbeton 1,88 1,32 1,23 0,68 0,61 0,50 0,38 / 0,77 Geeignet Geeignet Geeignet Geeignet Geeignet Weniger Geeignet Weniger Geeignet 9 5. November 2015 10 Hintergrundbild © Google Earth 2014 © DLR e.V. 2014 und © Airbus DS / Infoterra GmbH 2014 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Fragestellung 1 Potentielle Messpixeldichte - Beispiel • Beispiel Messpixeldichte BAB A7: SMA 11 und Grindingbeton Confidential Fragestellung 2 Testgebiet 3: Neubautrasse B212 Ortsumgehung Berne, Niedersachsen • Test von Bewegungsmonitoring mittels Radarinterferometrie an einem Dammbauwerk Hintergrundbild © Google Foto © BASt 2014 Earth 2014 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. 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Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Installation von 20 Pegelreflektoren am 24.04.2014, in Abständen von ungefähr 40 m voneinander, in einigen Fällen auf beiden Seiten der Dammkrone 12 Gemitteltes TerraSAR-X Amplitudenbild, © DLR e.V. 2014-2015, Distribution Airbus DS Geo GmbH 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Pegelreflektor-Installation Foto © BASt 2014 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Pegelreflektor-Installation 13 Foto © BASt 2014 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. 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November 2015 Confidential Fragestellung 2 Pegelreflektor-Installation 15 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Datenaufnahme • Terrestrisches Nivellement der Pegel-Reflektoren und Pegelstangen in regelmäßigen Abständen von der Niedersächsischen Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr, regionaler Geschäftsbereich Oldenburg (NLStBV-rGB Ol) 16 Confidential Fragestellung 2 Nivellement Nivellement Pegelreflektor Nivellement Pegelstange 40 40 20 20 PR_6 0 0 PR_7 -20 -20 PR_8 -40 -40 -60 -60 -80 -100 -120 -140 Bewegung [mm] Bewegung [mm] © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken PR_5 PR_9 PR_10 PR_11 -80 PR_12 -100 PR_13 -120 PR_14 PR_15 -140 PR_16 -160 -160 -180 -180 PR_18 -200 -200 PR_19 -220 -220 PR_20 -240 -240 -260 04.2014 06.2014 07.2014 09.2014 11.2014 12.2014 Datum -260 04.2014 PR_17 PR_21 PR_22 06.2014 07.2014 09.2014 Datum 11.2014 12.2014 PR_23 PR_24 Abweichungen ab Messzeitpunkt 14.10.2014 wegen Sandabtransporten beim Rückbau des Schüttdammes (Reflektoren wurden z.T. verschüttet, schief gestellt oder in ihrer Höhe verändert). 5. November 2015 17 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Nivellement - Pegelstangen 18 © DLR e.V. 2015 and © Airbus DS Geo GmbH 2015 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Bodenbewegungskarte 19 Confidential Fragestellung 2 Bewegungszeitserien Pegelreflektoren aus Satellitendaten 40.0 PR5 20.0 PR6 0.0 Bewegung [mm] © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken PR7 -20.0 PR8 -40.0 PR9 -60.0 PR10 -80.0 PR11 -100.0 PR12 -120.0 PR13 -140.0 PR14 PR15 -160.0 PR16 -180.0 PR17 -200.0 PR18 -220.0 PR19 -240.0 PR20 -260.0 PR21 -280.0 -300.0 Mai. 14 5. November 2015 PR22 PR23 Jun. 14 Jul. 14 Aug. 14 Sep. 14 Okt. 14 Datum 20 Nov. 14 Dez. 14 Jan. 15 PR24 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Satellitengestützte Messungen 21 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Fragestellung 2 Nivellement - Pegelstangen 22 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Terrestrisches Nivellement <> Satellitenüberwachung • Terrestrisches Nivellement: hochgenaue und absolute Höhenmessungen, kann bei zunehmender Größe des Gebietes und Häufigkeit der Messungen kostenintensiv werden. • Satellitenüberwachung: Abdeckung kilometergroßer Messgebiete, berührungslos mit einem niedrigen oder keinem Personaleinsatz vor Ort, viele mögliche Messpixel auf Straßen, weniger bis keine in Gebieten mit viel Vegetation -> dann Installation von Reflektoren. Einschränkung: messbar sind hauptsächlich langsame und konstante Bewegungen, z.B. kriechende Setzungserscheinungen oder sich langsam absenkende Dolinen (nicht z.B. ein plötzlich eintretender Erdfall oder Tagesbruch). Erstauswertung braucht mindestens 16 Aufnahmen um millimeter-präzise Bewegungsinformationen ableiten zu können. 5. November 2015 23 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Herausforderungen zur operationellen Nutzung von Satellitenmessungen • Aufnahme eines langfristigen Datenstapels: kommerzielle Missionen (z.B. TerraSAR-X) -> Konflikte mit anderen Nutzern; öffentliche Missionen (z.B. Sentinel1) -> kein Einfluss auf Aufnahmen (möglicherweise sich ändernde Aufnahmeparameter) • Für kleinräumige Bewegungsphänomene: Satellitenmethoden momentan teurer als terrestrische Vermessung. Beispiel hier: Kosteneinsparung durch die Satellitenmessung erst wenn der zu vermessende Dammabschnitt länger als 1800 m ist. • Verständlichkeit der Technik – Anwendbarkeit ist abhängig von vielen Faktoren (Daten, Bewegungssignal, Methode, Nutzer), die oftmals nur durch eine Möglichkeitsstudie abgeschätzt werden können -> Beispiele für alle möglichen Anwendungsbereiche schaffen 5. November 2015 24 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Nutzbarkeit von Sentinel-1 Daten Bei der Wahl räumlich gröber aufgelöster Sentinel-1 C-Band Daten (5 m x 20 m): • Bewegungsmonitoring von Straßen nur sehr eingeschränkt möglich (Mischpixel) • Monitoring von Überschüttdämmen mittels Pegelreflektoren hingegen möglich, da sie etwa 50% mehr Bewegung eindeutig abbilden können als X-Band Satelliten bei gleichbleibender Aufnahmefrequenz, eventuell wirtschaftlich (da Satellitendaten kostenlos), größere Pegelreflektoren wären notwendig 5. November 2015 25 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Konkrete Empfehlungen • Datenaufnahme: Aufbau langfristiger Datenstapel unterstützen • Straßenüberwachung: Testen von großräumigem Bewegungsmonitoring von Fahrbahnoberflächen mit hochaufgelösten X-Band Daten • Straßenplanung: Berechnen von Bodenbewegungen im geplanten Trassenverlauf mittels Archivdaten unterschiedlicher Satelliten (bis in das Jahr 1992), v.a. in Gebieten mit Hangrutschen, (Alt)-Bergbau oder Erdfällen. • Tunnelbau: Bewegungsmonitoring für eine langfristige Beweissicherung und Dokumentation der Bewegungen des betroffenen Gebiets. 5. November 2015 26 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Forschungsbedarf • Kombination punktueller und seltener terrestrischer Vermessung mit großflächiger und häufiger satellitengestützter Bodenbewegungsmessung • Bodenbewegungsmonitoring mit Sentinel-1 Daten (Probleme wie Burst Synchronisation & Atmospheric Phase Screening) • Kombination von phasenbasiertem Bewegungsmonitoring mit amplitudenbasierten SAR Geodesy bei starken horizontalen Bewegungen 5. November 2015 27 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken Confidential Danksagung Airbus DS bedankt sich • bei der Bundesanstalt für Straßenbau (BASt) für die Finanzierung und Zusammenarbeit während des Forschungsprojekts, • bei den Projektpartnern Ruhr Universität Bochum – Lehrstuhl für Verkehrswegebau (vor Ort Texturmessungen), • insbesondere bei der Niedersächsischen Landesbehörde für Straßenbau und Verkehr (regionale Geschäftsbereiche Oldenburg und Hannover) und dem Landesbetrieb Straßenwesen Brandenburg, sowie • bei allen anderen beteiligten Straßenbehörden der Länder, wie z.B. dem Regierungspräsidium Freiburg (Abteilung Straßenwesen und Verkehr), der Bayrischen Straßenbauverwaltung und dem Landesbetrieb Straßenbau NordrheinWestfalen. 5. November 2015 28 © 2014 Airbus Defence and Space – All rights reserved. The reproduction, distribution and utilization of this document as well as the communication of its contents to others without express authorization is prohibited. Offenders will be held liable for the payment of damages. All rights reserved in the event of the grant of a patent, utility model or design. Potential der satellitengestützten Überwachung von Straßenbauwerken 5. November 2015 Confidential Kontakt Dr. Michael Riedmann Application Development Manager, Geo-Intelligence Airbus Defence and Space Platz der Einheit 14, 14467 Potsdam, Germany T +49 331 237 484 22 F +49 331 237 484 27 Email [email protected] www.airbus-geo.com 29
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