Radarfernerkundung in der Geologie. Exploration und Radar Rivers

Inhalt

Abbildungen

1 Einleitung

2 Grundlagen der Radarfernerkundung für geologische Anwendungen

3 Anwendungsgebiete und Aufnahmesysteme
3.1 Oil spill detection – Erdölexploration (offshore)
3.2 Geologische Kartierung
3.3 Exploration mineralischer Lagerstätten
3.4 „Radar Rivers“

4 Anwendungsbeispiele der Radarfernerkundung in der Geologie
4.1 Erdölexploration offshore / onshore (Kaspisches Meer, Australien, PNG)
4.2 SIR-C/X-SAR Daten für geologische Studien von Bir Safsaf, Ägypten

5. Zusammenfassung

Literatur

Anhang

Abbildungen

Abb.1: Abhängigkeit der Wellenlänge, Backscatter + Rauhigkeit

Abb.2: Backscatter for different incidence angles

Abb. 3: Rückstreuungskurven unterschiedlicher Oberflächentypen

Abb.4: Volumenstreuung im inhomogenen Material

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

Abb.6: SAR Aufnahmeprinzip

Abb.7: Bragg scattering mechanism

Abb.8: Zeitreihe Radarrückstreuung 5 Radarbänder bei VV–Polarisation

Abb.9: ERS – Aufnahme anthropogener Ölflächen

Abb.10: ERS – Aufnahme natürlicher Ölflächen

Abb.11: schematische Darstellung zur Entstehung natürlicher Ölteppiche

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

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

Abb:14: ERS-2/Landsat TM Composite

Abb.15: Geologische Karte des Untersuchungsgebietes mit Lagerstätten

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

eines hyperariden Geländes

Abb:17: Paläochannels Kufra (Lybien)

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

Flanken des “Nubian Swell”

Abb.19: geologische Strukturen möglicher Erdölfallen 35

Abb.20: schematischer Schnitt durch das Kaspische Meer

Abb.21: RADARSAT-Szenen vor der Küste Australiens

Abb.22: Seismisches Profil Australische Bucht – Indikator für Ölteppiche

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

Abb.25: Lokalität Bir Safsaf

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

Abb.27: Landsat und Radaraufnahme Safsaf, Ägypten

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).

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 in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Abhängigkeit der Wellenlänge, Backscatter + Rauhigkeit (nach Lillesand & Kiefer 2004)

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).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Rückstreuungskurven

unterschiedlicher Oberflächentypen

(Henderson&Lewis 1998:515)

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).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Volumenstreuung im inhomogenen Material (Gupta 1991:173)

Die Volumenstreuung des inhomogenen Untergrundes besitzt einen direkten Zusammenhang zur Eindringtiefe. Der komplexe Koeffizient der Volumenstreuung ist eine Funktion mehrerer Variablen wie der Wellenlänge, den dielektrischen und physikalischen Eigenschaften des Untergrundes. „The depth penetration is inversely related to complex dielectric constant“ (Gupta 1991:179). Je geringer die Dielektrizitätskonstante, also je geringer die Bodenfeuchte, desto höher ist die potentielle Eindringtiefe des Radarsignals. Aus Abbildung 5 kann die Abhängigkeit des Bodenwassergehaltes, der Wellenlänge und der potentiellen Eindringtiefe entnommen werden. Höhere Bodenfeuchtegehalte limitieren dabei die Eindringtiefe, während in hyperariden Gebieten, mit weniger als 1% Wassergehalt, Informationen über den Untergrund entnommen werden können (Ford 1998.519; Vgl. Tabley 2002:24).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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

(Deane & Domville 1973;In: Gupta 1991:179)

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