Ziel
Im Rahmen dieser wissenschaftlichen Arbeit soll das prinzipielle Potenzial untersucht werden, welches globale satellitengestützte Positionierungs- bzw. Navigationssysteme, wie z.B. GPS, besitzen, um als Sensoren zur Quantifizierung des wichtigen und i.Allg. schwer bestimmbaren Parameters Bodenfeuchte besitzen.
Ansatz und Voruntersuchungen
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Zur Gewährleistung einer hochgenauen und zuverlässigen Positionsbestimmung unter Verwendung von Beobachtungen globaler Navigationssysteme (z.B. GPS) muss im Rahmen der überbestimmten Datenauswertung allen die Genauigkeit limitierenden Einflüssen Rechnung getragen werden. Die auf das GPS einwirkenden Faktoren werden in satelliten- und stationsspezifische sowie die Signalausbreitung betreffenden Einflussfaktoren klassifiziert. Stationsspezifische Fehlereinflüsse können dabei entweder korrekt modelliert (z.B. Empfangsantennenmodell) oder schwer modellierbare Einflussfaktoren (z.B. Mehrwegeeffekte) bspw. durch eine geeignete, mit geodätischem Sachverstand durchgeführte Stationsauswahl weitestgehend ausgeschlossen werden.
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Im Rahmen einer Kooperation mit dem Institut für Meteorologie und Klimaforschung (IMK) der Universität Karlsruhe (TH) bzw. dem Forschungszentrum Karlsruhe werden am GIK in Ergänzung zum herkömmlichen Einsatz von GPS Anstrengungen unternommen, den Fehlereinfluss Mehrwegeausbreitung zur Detektion von Änderungen der Bodenfeuchte einzusetzen.
Wird eine Korrelation zwischen der Eindringtiefe der am Boden reflektierten Signale und der Bodenfeuchte vorausgesetzt, so können bei Verwendung der Signalstärke der empfangenen GPS-Beobachtungen als maßgebendem Parameter Untersuchungen hinsichtlich der prinzipiellen Verwendbarkeit von GPS als Bodenfeuchtesensor durchgeführt werden.
Zur Verifikation dieses Ansatzes wurden Voruntersuchungen an zwei unterschiedlichen Örtlichkeiten mit einer um 90° gekippten und nach Süden ausgerichteten Antenne durchgeführt, die auf Grund einer Abschirmung keine GPS-Daten auf direktem Weg empfangen kann.
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Eine Analyse der Signalstärke zeigte deutlich eine Abhängigkeit vom jeweiligen potenziellen Reflektor (Acker, See). Dabei waren die absoluten Beträge des S/NR (Signal to Noise Ratio, Maßzahl für Signalstärke) des Experimentstandortes See deutlich größer als die vergleichend betrachteten, für den Standort Acker ermittelten S/NR-Werte.
Vertiefte Studien im Rahmen von MESMERISE
Im Rahmen einer unter dem Akronym MESMERISE (Meteorological Soil Moisture Experiment Series) firmierenden Kooperation wurden die Anstrengungen der Evaluierung der möglichen Nutzbarkeit von GPS zur Detektion von Änderungen der Bodenfeuchte intensiviert. Neben dem federführenden IMK beteiligten sich weitere Projektpartner der Nachbardisziplinen Geophysik, Bodenkunde und Elektrotechnik der TU Berlin, der Universität Würzburg sowie der Universität Trier an diesem interdisziplinär angesiedelten Projekt.
Im Speziellen hat sich das Projekt MESMERISE zum Ziel gesetzt, innovative Methoden zur Bestimmung der großflächigen Bodenfeuchte für meteorologische Fragestellungen vergleichend zu untersuchen. Ziel ist es hierbei, die räumliche und zeitliche Variabilität der Bodenfeuchte und ihre Relevanz für meteorologische Prozesse zu analysieren. Hierzu wurde im Juli 2004 eine erste Messkampagne auf einem Messfeld in der Nähe von Karlsruhe durchgeführt. Hierbei kamen neben dem experimetellen GPS-orientierten Versuchsaufbau bspw. die Sensoren bzw. Verfahren Energiebilanz (Strahlungsbilanz, fühlbarer/latenter Wärmestrom, Bodenwärmestrom, relative Feuchte, Niederschlag, Bodentemperatur, Turbulenz), Radiosonden, Szintillometer, Widerstandstomographen, ground penetrating radar, time domain reflectometry, gravimetrische Feuchtebestimmung, Bodenanalyse und Freileitungen zum Einsatz.
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Aktuelle Ergebnisse
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 GPS-Aufbau |
Unter der Annahme, dass sich die GPS-Satelliten nach einem siderischen Tag wieder exakt an der gleichen Position befinden, können sog. siderische Differenzen gebildet werden. Diesen Ansatz nutzt man bspw. erfolgreich bei langzeitstatischen GPS-Beobachtungen zur Elimination von Mehrwegeeinflüssen.
Wird weiterhin angenommen, dass sich die Bodenfeuchte innerhalb dieses Zeitraums geändert hat, kann eine siderische Änderung der Signalstärke auf eine Änderung der Bodenfeuchte hinweisen.
Im Rahmen des MESMERISE-Projekts wurden im Zeitraum DOY 187-191 des Jahres 2004 GPS-Beobachtungen mit einer Taktrate von 5 s erfasst. Bisherige, hier präsentierte Analysen beschränken sich auf 2700 Epochen (3:45 h) der drei Tage (DOY 188-190). Da lediglich am Morgen von DOY 190 im Anschluss an eine längere Trockenperiode ein Niederschlagereignis beobachtbar war, ist v.a. eine vergleichende Analyse von DOY 190 mit DOY 188 bzw. DOY 189 von Interesse. Wird basierend auf siderischen Differenzen ein Vergleich zwischen den S/NR-Werten durchgeführt, so lässt sich eine signifikante Erhöhung der S/NR-Werte für DOY 190 feststellen. Dies kann in der Erhöhung der Bodenfeuchte begründet sein.
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Resümierend kann somit festgestellt werden, dass die Auswertung von GPS-Beobachtungen ausgeführt mit einer gekippten und abgeschirmten Antenne im Rahmen des oben beschriebenen Experiments die Vermutung, dass GPS das Potenzial hat, als Sensor zur Detektion von Bodenfeuchteänderungen eingesetzt zu werden, nicht entkräften kann.
Ausblick und künftige Arbeiten
- Analyse von Signalen einzelner GPS-Satelliten
- Verbesserung der funktionalen Modellbildung hinsichtlich der Differenzbildung unter Berücksichtigung tatsächlicher Satellitenpositionen
- Durchführung eines Langzeitexperiments unter kontrollierten meteorologischen Bedingungen (z.B. gesteuerte Bewässerung)
- Normierung der S/NR-Maßzahlen unter Verwendung der GPS-Beobachtungen einer nicht gekippten baugleichen GPS-Antenne
- Ableitung von absoluten Bodenfeuchtewerten
- Vergleich zu alternativen Sensoren