Inhalt

Inhalt...........................................................................................................................   1

Abbildungen.   2

1  Einleitung  3

2  Grundlagen der Radarfernerkundung für geologische Anwendungen.  4

3  Anwendungsgebiete und Aufnahmesysteme.  9

3.1  Oil spill detection - Erdölexploration (offshore)  9

3.2  Geologische Kartierung  13

3.3  Exploration mineralischer Lagerstätten  15

3.4  „Radar Rivers“  18

4  Anwendungsbeispiele der Radarfernerkundung in der Geologie  22

4.1  Erdölexploration offshore / onshore (Kaspisches Meer, Australien, PNG)  22

4.2  SIR-C/X-SAR Daten für geologische Studien von Bir Safsaf, Ägypten.  25

5.  Zusammenfassung  29

Literatur.   31

Anhang. 35   

1

Abbildungen

Abb.1: Abhängigkeit der Wellenlänge, Backscatter + Rauhigkeit 4

Abb.2: Backscatter for different incidence angles 5

Abb. 3: Rückstreuungskurven unterschiedlicher Oberflächentypen 6

Abb.4: Volumenstreuung im inhomogenen Material 7

Abb.5: Depth penetration by radar frequencies at different moisture levels 7

Abb.6: SAR Aufnahmeprinzip 8

Abb.7: Bragg scattering mechanism 9

Abb.8: Zeitreihe Radarrückstreuung 5 Radarbänder bei VV-Polarisation 9

Abb.9: ERS - Aufnahme anthropogener Ölflächen 10

Abb.10: ERS - Aufnahme natürlicher Ölflächen 10

Abb.11: schematische Darstellung zur Entstehung natürlicher Ölteppiche 11

Abb.12: Radarsat - Aufnahme geologischer Einheiten in Bathurst Island 13

Abb.13: Landsat TM image (Bands 7, 4,2) 14

Abb:14: ERS-2/Landsat TM Composite 14

Abb.15: Geologische Karte des Untersuchungsgebietes mit Lagerstätten 15

Abb.16: Profil zur Reflexion von Radarwellen in Abhängigkeit von der Untergrundbeschaffenheit

eines hyperariden Geländes 16

Abb:17: Paläochannels Kufra (Lybien) 17

Abb.18: LANDSAT-TM Aufnahme (oben) und SIR-C Aufnahme eines rezenten Flusslaufes an den

Flanken des “Nubian Swell” 18

Abb.19: geologische Strukturen möglicher Erdölfallen 29

Abb.20: schematischer Schnitt durch das Kaspische Meer 19

Abb.21: RADARSAT-Szenen vor der Küste Australiens 20

Abb.22: Seismisches Profil Australische Bucht - Indikator für Ölteppiche 20

Abb.23+24: Antiklinalstrukturen in PNG (Radarbild) + geologische Ableitung (Kartierung) 21

Abb.25: Lokalität Bir Safsaf 22

Abb.26: Diagramm co- und kreuzpolarisiertes C- und L-band gegenüber X-Band für versch. Einheiten 30

Abb.27: Landsat und Radaraufnahme Safsaf, Ägypten 23

2

1 Einleitung

Die steigende Nachfrage nach Energie und Rohmaterialen (Erz, Öl, Gas etc.) hat die Kluft zwischen vorhandenen Ressourcen und zukünftigen Bedarf größer werden lassen. Als Konsequenz haben Bergbau- und Ölgesellschaften auf aller Welt ihren Blick für zukünftige Explorationsaktivitäten vermehrt auf entlegene Gebiete, den polaren Regionen und der Tiefsee, gerichtet. Explorationen mit konventionellen Methoden, wie der Schifferkundung und Bohrungen in diesen relativ unzugänglichen Gebieten, ziehen eine Reihe von Umweltproblematiken nach sich. Für großmaßstäbliche und möglichst kosteneffektive Erkundungen wird, neben optischer und multispektraler Sensorik, vermehrt die Radarfernerkundung eingesetzt. Die Identifikation und die Kartierung terrestrischer Strukturen, welche in Beziehung zu Kohlenwasserstoff- und Minerallagerstätten stehen, bilden den Schlüssel für geologische Anwendungen, im Wesentlichen der Exploration. Erkundungen und Kartierungen von großräumigen geologischen Strukturen vor Ort sind zumeist schwierig und kostenintensiv. Mit der Verwendung der Radarfernerkundung, vor allem der SAR-Technologie, können diese Strukturen anhand von Satellitenbildern zur Lagerstättenerkundung herangezogen werden.

Neben der Exploration von Erdöl- und Erdgasfeldern durch die Radarfernerkundung liefern Satellitendaten auch Informationen über Abflusssysteme vergangener Erdepochen, den sogenannten „Radar Rivers“ bzw. „Palaeochannels“, welche darüber hinaus Hinweise auf Grundwasser- und Mineralvorkommen liefern können.

Innerhalb des Hauptseminars „Radarfernerkundung“ unter Leitung von Prof. Ch. Schmullius, soll die Ausarbeitung mit dem Thema „Radarfernerkundung in der Geologie: Exploration und Radar Rivers“ einen Überblick über die Grundlagen der Radarfernerkundung, der verwendeten Sensorik für geologischen Anwendung sowie eine Auswahl von Anwendungsbeispielen geben. Dem allgemeinen Teil der Arbeit, über spezielle Satellitensysteme und deren Sensorik (Kap.3) sowie den Anwendungsbeispielen zur Erkundung von Lagerstätten und „Radar Rivers“ (Kap.4), werden grundlegende Eigenschaften der Radarfernerkundung (backscatter, surface roughness, incident angle etc.) vorangestellt (Kap.2). Auf einen detaillierten Überblick über die SAR - Technologie wird weitestgehend verzichtet, da die Thematik ausreichend innerhalb der dazugehörigen Vorlesung erläutert wurde und als Wissensgrundlage vorrausgesetzt wird. Abschließend werden die Ergebnisse der Radarfernerkundung in der Geologie zusammengefasst und diskutiert (Kap.5).

3

2 Grundlagen der Radarfernerkundung für geologische Anwendungen

Die Radarfernerkundung liefert Satellitendaten (-bilder), welche die physikalischen Eigenschaften (Morphologie, Rauhigkeit, dielektrische Eigenschaften, Geometrie) der Geländeoberfläche, seiner Bedeckung und bodennahen Informationen, beinhalten. Aufnahmen aktiver Radarsysteme sind unabhängig von der Wolkenbedeckung, leichtem Regen und der solaren Einstrahlung und erlauben somit die Erkundung der Geländeoberfläche zu jeder Jahres- und Tageszeit sowie in allen klimatischen Regionen. Ein wesentlicher Vorteil des Radars ist die Fähigkeit, Einstrahlungs- und Azimutwinkel auszuwählen, um Strukturen und Geländeeigenschaften hervorzuheben (TAPLEY 2002:22).

Ein typisches Radarsystem misst die Stärke und die Laufzeit des von der Radarantenne emittierten und auf der Geländeoberfläche gestreuten Signals. Diese Rückstreuung ist zumeist ein schwächeres Radarecho und wird durch die Radarantenne in einer spezifischen Polarisation empfangen.

Dominanter Faktor des reflektierten, zurückgestreuten Signals stellt die

Oberflächenrauhigkeit dar. Diese Rauhigkeit zeigt sich dabei für die Amplitude des zurückgestreuten Radarsignals (backscatter) verantwortlich. „In the range of wavelenghts used by imaging radars, backscatter intensity from terrain surfaces is strongly controlled by decameter-scale changes in surface slope, or by centimeter-scale roughness characteristic of the surface” (FORD 1998:511). Auf Radarbildern können Oberflächen in “smooth”, “intermediate” und “rough” in Abhängigkeit der Wellenlänge und des Einfallswinkels des Signals klassifiziert und unterschieden werden. „Ground surface of the same roughness appear as rough or smooth, depending upon the wavelength used and depression angle. Therefore, the radar varies, i.e. the same object appears as dark or bright on different SAR images“ (GUPTA 1991:169). Rauhe Oberflächen produzieren diffuse Rückstreuung und erzeugen helle Flächen auf dem Radarbild, während ebene Oberflächen eher zur Reflexion der Welle tendieren, geringere Informationen den Sensor erreichen und dunkel dargestellt werden.

Abbildung 1 (S.4) zeigt, dass unterschiedliche Wellenlängen differenzierte Backscattersignale bei gleichbleibender Oberflächenrauhigkeit liefern. Dabei ist festzuhalten, dass das L-Band (λ = 15 - 30cm) mit steigender Rauhigkeit bessere Ergebnisse liefert, als das kürzere K- (λ = 0,86 cm) und X-band (λ= 2,4 - 3,75 cm). Ein wesentliches Kriterium, ob eine Oberfläche als rau bzw. als eben gekennzeichnet werden kann, ist der Zusammenhang der Rayleigh-Gleichung. Dabei ist eine Oberfläche als rauh oder eben definiert, wenn

h > λ / 4,4cosθ (rauh) und h < λ / 25cosθ (eben),

wobei h die Höhe der Oberfläche, λ die Wellenlänge und θ den Einfallswinkel darstellen (HENDERSON & LEWIS 1998:514).

Weitere Faktoren, welche die Intensität der Rückstreuung beeinflussen, sind die Polarisation des ausgesandten und des empfangenen Signals, Einfallswinkel zwischen Signal und Geländeoberfläche, die Neigung des Geländes sowie die dielektrischen Eigenschaften des Oberflächen- und Suboberflächenmaterials (GUPTA 1991:167).

Gerade die Variation des Einfallswinkels der Radarstrahlung liefert, über unterschiedliche Rückstreuungsdichten, Informationen über die Oberflächenrauhigkeit und kann zur Interpretation der Oberflächenbedeckung und von Oberflächenformen herangezogen werden. Eine ebene Oberfläche reagiert bei geringen Einfallswinkeln wie ein Spiegel, während bei Winkeln über 20° die Rückstreuung deutlich abnimmt. Bei rauhen Oberflächen ist das Gegenteil der Fall (Abb.2). „At steep angles (incidence angle less than 20 degrees), most of the emitted pulse is scattered in random directions so that the total backscatter measured by the antenna is lower than from a smooth surface at the same angle (HTTP://WWW.GEOG.UCSB.EDU/~JEFF/115A/REMOTE_SENSING/REMOTESENSING.HTML).

5

Abb.2: Backscatter for different incidence angles

(HTTP://WWW.GEOG.UCSB.EDU/~JEFF/115A/REMOTE_SENSING/RADAR/RADARSCATTER.JPG)

Durch Änderungen des Einfallswinkels und mit dem Wissen, wie sich die Rückstreuung dadurch ändert, besteht die Möglichkeit unterschiedliche Oberflächentypen zu charakterisieren und zu kartieren (GUPTA 1991:171). Die Backscatterkurven in Abbildung 3 zeigen das generelle Verhalten unterschiedlicher Oberflächen als eine Funktion des Einfallswinkels. Die Daten wurden in Kalifornien, unter Verwendung des L - Bandes (λ= 19cm) und einer HH - Polarisation, aufgenommen. Die Unterschiede der drei Oberflächen in der Rückstreuung, mit etwa 6 dB bei 25° Einfallswinkel, bleiben mit steigenden Winkeln relativ konstant. Ein Vergleich der Gradienten zwischen den Kurven und ein Blick auf Abbildung 3 lässt die Aussage zu, dass es sich bei der oberen Kurve, mit geringem Gradient, um eine rauhe Oberfläche (Lava) handelt. Den anderen Rückstreuungskurven können, gemäß der Abhängigkeit vom Einfallswinkel und Rückstreuung, intermediäre bzw. ebenen Oberflächenstrukturen zugeordnet werden (HENDERSON & LEWIS 1998:515).

6

Eine weitere wichtige Wellenlängen- und Einfallswinkelabhängigkeit in der Radarfernerkundung ist die Eindringtiefe (subsurface penetration) der ausgesandten Radarsignale. Diese ist direkt proportional zur Wellenlänge; je länger die Wellenlänge desto Höher das Eindringpotential. „Because penetration is directly related to wavelength, a long wavelenght radar would penetrate deeper” (FORD 1998:519). Die Bedingungen, bei denen das Radarsignal in den Untergrund eindringen kann, sind jedoch sehr limitiert. Die zu durchdringende Oberfläche muss für das Radarsignal relativ eben sein, um diffuse Streuung zu vermeiden, während der Untergrund rauhe Charakteristika aufweisen muss, um ein deutliches Backscattersignal zu produzieren. „The cover to be penetrated must be fine grained, homogenous, and not too thick (2 - 6 m of penetration be possible)” (GUPTA 1991:171). Ist dagegen das Material aufgrund unterschiedlicher Korngröße, Zusammensetzung und/oder Bodenfeuchte inhomogen, kann die einfallende Energie durch Volumenstreuung (volume scattering) den Sensor wieder erreichen und Informationen über den Untergrund liefern (Abb. 4; S.7).

7