Satellitendaten ermöglichen flächendeckendes Monitoring großer Flusssysteme

Aus dem Weltraum den Pegel von Flüssen bestimmen

Überflutete Reisfelder im Mekong-Delta in Vietnam. (Foto: iStock / Huy Thoai)
Überflutete Reisfelder im Mekong-Delta in Vietnam. (Foto: iStock / Huy Thoai)

Forschung

Der Mekong gilt mit seinen mindestens 4.300 Kilometern Länge als Lebensader Südostasiens. Treten dieser gewaltige Fluss und seine Nebenarme über die Ufer, können Millionen Menschen von Überschwemmungen betroffen sein. Nun hat ein Forschungsteam der Technischen Universität München (TUM) eine Methode entwickelt, die erstmals ein rein satellitengestütztes Monitoring verzweigter Flussläufe ermöglicht.

Abhängig von der Jahreszeit schwanken die Wasserstände im Mekong-Gebiet, das sich über sechs Länder Südostasiens erstreckt, erheblich. Wie sich extreme Wetterereignisse, etwa anhaltender Starkregen und Dürreperioden, auf den Wasserstand einzelner Bereiche entlang des Flusses auswirken, lässt sich jetzt mit einem neuen Modell errechnen.

Statistisches Modell des Flusssystems

Um das Fließverhalten des verzweigten Flusssystems zu modellieren, verknüpfte Claudia Klüppelberg, Professorin für Mathematische Statistik an der TUM, Satellitendaten statistisch miteinander. Ein Team am Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut an der TUM hatte die rohen Messdaten aus Satellitenmissionen mit eigens dazu entwickelten Algorithmen aufgearbeitet. Das neue Modell ermöglicht es, von Wasserständen, die an bestimmten Punkten gemessen wurden, Rückschlüsse darauf zu ziehen, wie hoch das Wasser an nahezu beliebigen weiteren Punkten des Flusssystems steht.

Wasserstände mithilfe von Satellitendaten ermitteln

Sogenannte Altimeterinstrumente senden Radarwellen von Satelliten zur Erdoberfläche, wo sie von der Wasserfläche zurück in Richtung des Satelliten reflektiert werden. „Aus der Laufzeit der Radarwellen können wir die Wasserstände ermitteln“, sagt Florian Seitz, Professor für Geodätische Geodynamik am Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut an der TUM. „Allerdings geht das nur dort, wo eine Satellitenspur ein Gewässer kreuzt. Die Berechnung des Wasserstands für weitere Punkte ist wichtig für die Wasserversorgung, für hydrologische Analysen und für Fragen der Sicherheit wie mögliche Gefahren durch Überflutung.“

Daten aus unterschiedlichen Satellitenmissionen werden verknüpft

Altimetersatelliten überfliegen üblicherweise auf sogenannten Wiederholbahnen alle 10 bis 35 Tage dieselben Punkte. An diesen Punkten liegen also in regelmäßigen zeitlichen Abständen Informationen über den Wasserstand vor. Die Forscherinnen und Forscher bezogen in ihre Studie zusätzlich die Beobachtungsdaten eines sogenannten SAR-Altimetersatelliten ein. Da dieser nicht auf einer Wiederholbahn fliegt, bemisst er einen Punkt am Fluss nur jeweils einmal – allerdings sind die von ihm gemessenen Punkte flächendeckend über das Flusssystem verteilt. Außerdem übertrifft das SAR-Altimeter herkömmliche Systeme hinsichtlich seiner Genauigkeit.

Mit dem sogenannten „Universal Kriging“, einem speziellen statistischen Verfahren, verknüpften die Teams der beiden beteiligten Institute die verschiedenen Satellitendaten miteinander. „Dadurch, dass wir diese zusätzlichen Messdaten mit hoher Genauigkeit und guter räumlicher Verteilung in unser Modell miteinbeziehen konnten, haben wir die Ergebnisse qualitativ deutlich verbessert“, sagt Claudia Klüppelberg.

Eine Methode für alle großen Flusssysteme

„Aufgrund der saisonalen Wasserstandveränderungen, der vielseitigen Topographie und den regelmäßigen Überflutungen entlang des Mekong konnten wir an diesem Beispiel viele Szenarien testen“, sagt Florian Seitz. „Die Methoden, die wir dabei entwickelt haben, sind auf alle großen Flusssysteme anwendbar – auch, wenn es keine Stationen zur Messung der Wasserpegel vor Ort gibt.“

Publikationen:

Boergens E., Dettmering D., Seitz F.: Observing water level extremes in the Mekong River Basin: The benefit of long-repeat orbit missions in a multi-mission satellite altimetry approach. Journal of Hydrology, 570, 463-472, 2019. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2018.12.041

Boergens E., Buhl S., Dettmering D., Klüppelberg C., Seitz F.: Combination of multi-mission altimetry data along the Mekong River with spatio-temporal kriging. Journal of Geodesy, 91(5), 519-534, 2017. DOI: 10.1007/s00190-016-0980-z; Frei verfügbar auf mediaTUM

Kontakte:

Prof. Dr.-Ing. Florian Seitz
Technische Universität München
Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt
Deutsches Geodätisches Forschungsinstitut (DGFI-TUM)
Tel.: 089 / 23031 - 1106
florian.seitz@tum.de

Prof. Dr. Claudia Klüppelberg
Technische Universität München
Fakultät für Mathematik
Lehrstuhl für Mathematische Statistik
Tel.: 089 / 289 - 17432
cklu@tum.de