Überwachung von Veränderungen im urbanen Raum mittels SAR-Techniken – Fallbeispiel der Neuordnung des Bahnknotens Stuttgart

Dauer der Arbeit: 6 Monate
Abgabe: Dezember 2017
Betreuer: M.Sc. Chia-Hsiang Yang
Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Uwe Sörgel

Die Entwicklung der Urbanisierung kann seit Jahren beobachtet werden. Das Städtewach- stum wird in Zukunft weiterhin anhalten und ländliche Räume werden erschlossen. Dies führt zwangsläufig zur Überschreitung der Belastungsgrenzen städtischer Infrastrukturen. Die Ausbau- und Modernisierungsarbeiten verursachen große Eingriffe in das bisherige Stadt- bild. Dank der Satellitenmission TerraSAR-X stehen SAR-Aufnahmen der Stuttgarter Innen- stadt (Deutschland) zur Verfügung. Basierend auf ihrer Auswertung dient diese Arbeit der Untersuchung, ob im Rahmen der Bauarbeiten zur Neuordnung des Stuttgarter Bahnknotens Veränderungen, im Sinne von Absenkungen, auftreten. Mit Hilfe der differenziellen SAR Interferometrie Methode Persistent Scatterer Interferometry werden punktbasiert Deformationen sowie deren Geschwindigkeit geschätzt. Zusätzlich werden Veränderungen im Stuttgarter Stadtbild, welche beispielsweise durch Modernisierungsmaßnahmen, oder dem Bau beziehungsweise Abriss von öffentlichen und privaten Gebäuden hervorgerufen werden, detektiert. Diese zweite Art der Veränderung im Urbanen Raum wird mit Hilfe der Methode 4D Change Detection Based on Persistent Scatterer Interferometry detektiert. Jedoch ist nicht der gesamte Trassenverlauf des Bahnprojektes von den SAR-Bildern abgedeckt. Deswegen konzentriert sich diese Arbeit auf den Planfeststellungsabschnitt 1.5 (Abb.1). Dieser und alle weiteren Planfeststellungsabschnitte des Bahnprojektes werden im vierten Kapitel ausführlich vorgestellt.

Bei der PSI-Analyse, ob aufgrund der Tunnelbauarbeiten Absenkungen in Stuttgart auftreten, werden zwei Zeitreihen an SAR-Aufnahmen untersucht. Der erste Zeitraum verläuft vom 19. März 2010 bis zum 25. Dezember 2012 (Abb.2). Er definiert den Zustand vor Baubeginn. Die zweite Zeitreihe, vom 01. April 2014 bis zum 07. Januar 2017, repräsentiert die Gegebenhei- ten während den Bauarbeiten (Abb.3). Die dargestellten Geschwindigkeiten liegen in Line-of- Sight Richtung und nur mit relativer Genauigkeit vor. Die exakte Vorgehensweise zur Gene- rierung der Resultate wird in Kapitel 3 erläutert.

Beim Betrachten der Ergebnisse vor Baubeginn des Bahnprojektes ist auffällig, dass nur eine geringe Anzahl an PS-Punkten Deformationen unterliegen. Diese liegen hauptsächlich im bereits bestehenden Gleisfeld. Bei einem visuellem Vergleich mit dem zweiten Zeitraum ist eine deutliche Zunahme an Punkten mit negativer Deformationsgeschwindigkeit erkenn- bar. Neben den bisherigen PS im Gleisfeld, sind jetzt auch Absenkungen von Gebäuden in unmittelbarer Nachbarschaft zum Tunnelverlauf identifizierbar. Somit liegt ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Tunnelbauarbeiten und der Zunahme an Deformationen vor.

4D Change Detection Based on PSI erlaubt neben der reinen Detektion (Abb.4) von unve- ränderten (PS, blau), verschwundenen (DBC, rot) oder neu auftretenden (EBC, grün) Objek- ten, auch die Bestimmung ihrer zeitlichen Abfolge (Abb.5). Die Ergebnisse werden in ein 3D- und ein 1D-Resultat aufgeteilt. Die Grundlagen der am IFP entwickelten Methode sind dem dritten Kapitel der Studienarbeit zu entnehmen.

Diese Arbeit zeigt, dass mit Hilfe von SAR-Techniken das Monitoren großer Bauprojekte, wie Stuttgart 21, realisierbar ist. Einerseits zeigen die PSI-Ergebnisse einen deutlichen Zusam- menhang zwischen dem Absinken von Gebäuden und den Tunnelbauarbeiten im Rahmen von Stuttgart 21. Andererseits werden alle vorbereitenden Bauarbeiten und Folgemaßnah- men in Form von Abrissarbeiten oder neu gebauten Einrichtungen detektiert. 4D-CDPSI er- möglicht sogar die Erfassung der zeitlichen Abfolge aller Teilprojekte. In zukünftigen Arbeiten könnte die Bedeutung von Punkten, die innerhalb des Untersuchungszeitraumes sowohl DBC- als auch EBC-Charakter aufweisen, genauer analysiert werden. Einzig Bereiche mit hoher Vegetationsdichte wirken limitierend. Hierfür müssen in Zukunft Lösungen gefunden werden. Beispielsweise können in Stadtparks In-situ Messungen vorgenommen oder Corner- Reflektoren installiert werden. Für zukünftige Arbeiten sind Messungen vor Ort von besonde- rem Interesse um die ground truth abzuleiten. Mit ihrer Hilfe ist die absolute Genauigkeit der erzielten Ergebnisse bestimmbar.