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GeoWerkstatt-Projekt des Monats Januar 2021 - Untersuchung von Landsenkungen in Niedersachsen

Von Messpunkten zum Modell: Untersuchung von Landsenkungen in Niedersachsen

GeoWerkstatt-Projekt des Monats Januar 2021

Projekt: Oberflächenbasierte Modellierung von Bodenbewegungsgebieten in Niedersachsen

Forschende: Bahareh Mohammadivojdan M. Sc., Prof. Dr.-Ing. Ingo Neumann, Marco Brockmeyer M. Sc. (LGLN), Dr.-Ing. Cord-Hinrich Jahn (LGLN), Dr.-Ing. Hamza Alkhatib

Projektidee: Genauere Modellierung von Bodenbewegungen durch Multi-Level-B-Splines

Auch wenn es mit bloßem Auge nicht zu beobachten ist: Die Erdoberfläche bewegt sich – auch in Niedersachsen. Systematische Untersuchungen haben in fast 30 niedersächsischen Landstrichen Senkungen ergeben. Das spielt sich zwar innerhalb von Jahrzehnten und nur im Milimeterbereich ab, jedoch sind Variationen der Erdoberfläche in dieser Dimension für die Geodäsie bereits bedeutsam, um die räumlichen Bezugssysteme aktuell zu halten, die beispielsweise die genaue Navigation mit GPS erst möglich machen.

In diesem Projekt untersuchen wir die Bodenbewegung bestimmter Gebiete in Niedersachsen in Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Geoinformation und Landesvermessung Niedersachsen (LGLN). Die Daten stammen aus der Region Hengstlage (zwischen Cloppenburg und Oldenburg) und beinhalten eine Zeitreihe von Messungen aus Nivellements, Beobachtungen des Global Navigation Satellite System (GNSS) und Höhenänderungen, die mit der Radartechnik der Persistent Scatterer Interferometry (PSI) erfasst werden.

In Abbildung 1 ist dargestellt, welche Änderungen der Höhenkomponente an bestimmten Punkten gemessen wurden. Dazu gehören Nivellement-Messungen (rote Pfeile) aus 20 Jahren (1988 bis 2008), die sich auf 106 Festpunkte beziehen, und PSI-Messungen aus den Jahren 2003 bis 2010.

© GIH
Abbildung 1: PSI- und Nivellementmessungen im Gebiet von Hengstlage, Niedersachsen.

Wie in der Abbildung zu sehen, führen die geodätischen Beobachtungen zu einzelnen, diskreten Punkten. Damit aber nicht nur an diesen Punkten, sondern Vorhersagen an jeder beliebigen Position in diesem Gebiet möglich sind, ist es notwendig, diese Messungen mathematisch zu modellieren und damit eine kontinuierliche Oberfläche zu erhalten. Allerdings ist die Modellierung nicht ganz so einfach, weil die Daten bei dieser Art von Messungen in der Regel ungleichmäßig verteilt sind. Dazu kommt, dass die Daten aus verschiedenen Messtechniken stammen und damit unterschiedliche Qualitäten und Eigenschaften mitbringen.

Es gibt verschiedene mathematische Ansätze, mit diesem Problem umzugehen, wir setzen hier die deterministische Approximationsmethode der Multilevel B-Splines (MBA) und die stochastische Approximationsmethode des Kriging zur Modellierung von Bodenbewegungen ein. Die Ergebnisse zeigen vergleichbare Ergebnisse aus beiden Ansätzen. Beide Methoden detektierten ein großes Senkungsgebiet im mittleren Bereich bis zu -8 [mm/Jahr], wie in der Abbildung 2 dargestellt.

© GIH
Abbildung 2: Heatmap der Höhenänderungen in Hengstlage, Niedersachsen.