Überflutungs-Risiken: Genauere Daten dank Covid-19

A geodetic GPS sensor obtains more precise measures of antenna height due to absence of cars in the neighboring parking lot during the lockdown.

© Makan A. Karegar

Momentan entwickelte GPS-Verfahren erlauben es, Höhenänderungen der Erdoberfläche regelmäßig zu messen. Eine Studie der Universität Bonn belegt nun, dass sich während der Pandemie die Qualität der Messdaten zumindest an manchen Stationen deutlich verbessert haben dürfte. Die Ergebnisse zeigen, welche Faktoren bei der Installation von GPS-Antennen künftig verstärkt berücksichtigt werden sollten. Genauere Daten sind unter anderem für die Berechnung von Überflutungsrisiken oder für Erdbeben-Frühwarnsysteme wichtig. Das Journal „Geophysical Research Letters“ berichtet nun darüber.

Zu Beginn der Covid-19-Pandemie ging eine Reihe von Ländern in den politisch verordneten verspäteten Winterschlaf. Für viele Betroffene hatte der Lockdown ökonomisch und sozial eher negative Konsequenzen. Die Erdvermessung hat dagegen von der drastischen Verringerung der menschlichen Aktivität deutlich profitiert. Das zeigt zumindest die jetzt in den Geophysical Reserch Letters veröffentlichte Studie. In ihr haben Geodäten der Universität Bonn exemplarisch den Standort einer sogenannten GNSS-Antenne in Boston (Massachusetts) unter die Lupe genommen.

GNSS-Empfänger können die Position ihres Standorts auf wenige Millimeter genau bestimmen. Dazu nutzen sie unter anderem die GPS-Satelliten der USA sowie ihre russischen Pendants, GLONASS. Mit einer neuen Methode ist es seit einigen Jahren zudem möglich, den Abstand der Antenne zur Bodenoberfläche zu messen.

„Auf diese Weise lassen sich Höhenänderungen der Erdoberfläche, genau genommen der obersten Bodenschichten, erfassen, und das ohne großen Aufwand oder zusätzlich installierte Geräte“, erklärt Dr. Makan Karegar vom Institut für Geodäsie und Geoinformation der Universität Bonn. So können Wissenschaftler zum Beispiel die wellenförmige Ausbreitung eines Erdbebens messen und den Anstieg oder die Absenkung eines Küstengebiets.

Die dazu verwendete Messmethode basiert darauf, dass die Antenne nicht nur das direkte Satellitensignal auffängt. Stattdessen wird ein Teil des Signals von der Umgebung zurückgeworfen und gelangt über diesen Umweg zum Empfänger. Dieser reflektierte Anteil ist daher länger unterwegs. Er bildet bei der Überlagerung mit dem direkt empfangenen Signal bestimmte Muster, Interferenzen genannt. Aus ihnen lässt sich der Abstand der Antenne zum Erdboden errechnen, der sich über die Zeit ändern kann. Für die Berechnung des Überflutungsrisikos in Küstengebieten ist es wichtig, diese Änderung – und damit die Absenkung der Erdoberfläche – genau zu kennen.

Das funktioniert natürlich vor allem dann besonders exakt, wenn der Boden in der Umgebung eben ist, ähnlich wie die Oberfläche eines Spiegels. „Viele GNSS-Empfänger sind aber auf Gebäuden in der Stadt oder in Industriegebieten angebracht“, erklärt Prof. Dr. Jürgen Kusche. „Und die sind häufig von großen Parkplätzen umgeben – so auch die von uns untersuchte Antenne in Boston.“

Autos stören

In der Analyse konnten die Wissenschaftler zeigen, dass parkende Autos die Qualität der Höhendaten deutlich mindern: Sie streuen das Signal und sorgen dafür, dass es teilweise mehrfach reflektiert wird, bevor es zur Antenne gelangt – wie bei einem Spiegel, der jede Menge Sprünge hat. Dadurch vermindert sich nicht nur die Signal-Intensität, sondern auch die Information, die sich aus ihm gewinnen lässt: Es ist „verrauscht“. Dazu kommt, dass sich das „Muster“ der parkenden Autos von Tag zu Tag ändert. Die Daten lassen sich also nicht einfach korrigieren.

„Vor der Pandemie hatten die Antennenhöhenmessungen aufgrund des großen Rauschens eine durchschnittliche Genauigkeit von etwa vier Zentimetern“, sagt Karegar. „Während des Lockdowns parkten dagegen in der Umgebung der Antenne so gut wie keine Fahrzeuge mehr; dadurch waren es nur noch zwei Zentimeter.“ Ein entscheidender Sprung: Je zuverlässiger die Werte, desto kleinere Höhenschwankungen der oberen Bodenschichten lassen sich damit feststellen.

Wurden GNSS-Stationen früher vorzugsweise in wenig bewohnten Regionen errichtet, hat sich das in den letzten Jahren deutlich geändert. „Inzwischen werden sie zunehmend auch in städtischen Gebieten installiert, trotz der negativen Auswirkungen auf ihre Empfindlichkeit“, sagt Karegar. „Unsere Studie zeigt, dass man zumindest darauf achten sollte, sie nicht in der Nähe von Parkplätzen anzubringen.“

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Dr. Makan Karegar
Institut für Geodäsie der Universität Bonn
Tel. 0228/73-6160
E-Mail: karegar@uni-bonn.de

Originalpublikation:

Makan A. Karegar und Jürgen Kusche: Imprints of COVID-19 lockdown on GNSS observations: An initial demonstration using GNSS interferometric reflectometry. Geophysical Research Letters; DOI: 10.1029/2020GL089647

http://www.uni-bonn.de/

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