Quantitative Erfassung des Wassergehalts im Boden mittels Drohnen-basiertem digitalem Radar

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Waldschmidt
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 541018053

Die Erfassung des Wassergehalts im Boden stellt eine wichtige messtechnische Aufgabe dar, insbesondere für die Modellierung von Klima und Wetter sowie für die Landwirtschaft und die Erforschung von Ökosystemen. Aktuell erfolgt die lokale Messung des Bodenwassergehalts durch die Entnahme von Bodenproben oder invasive Messsysteme. Beides resultiert in einem hohen Zeitaufwand. Alternativ kommen Radarsensoren auf Satelliten zum Einsatz. Diese fernerkundlichen Verfahren sind allerdings weniger genau und erlauben nur sporadische Messungen, da sie von den Überflügen der Satelliten abhängen. Um umfangreiche Erkenntnisse aus der Bodenfeuchtemessung zu gewinnen, ist jedoch eine häufige, schnelle, großflächige und präzise Erfassung des Wassergehalts erforderlich. Drohnenbasiertes Ground-Penetration-Radar (GPR) bietet hierbei die ideale Kombination aus Flexibilität und Kosten- sowie Zeiteffizienz. Kombiniert mit einer Messauswertung, die zu einer direkten Bestimmung der Bodenfeuchtigkeit als relevante Messgröße führt, ergibt sich ein großes Potential für die Bodenfeuchtigkeitsmessung. Dabei ist auch die Quantifizierung des Messfehlers entscheidend, um die Messdaten aussagekräftig interpretieren zu können. Im vorgeschlagenen Projekt wird ein vollkommen neues Messprinzip entwickelt. Der Wassergehalt im Boden wird punktuell mittels eines drohnenbasierten GPRs erfasst. Ansätze sollen erforscht werden, mit denen aus den Radardaten über die dielektrischen Eigenschaften des Bodens die Bodenfeuchtigkeit bestimmt werden kann. Mithilfe von Algorithmen für Radare mit synthetischer Apertur können diese punktuellen Messungen auf größere Flächen angewendet werden. Im Fokus steht zudem die Bewertung der Messgenauigkeit des neuen Messprinzips in Abhängigkeit von Ressourcen wie Flugzeit und Gewicht. Das Vorhaben besteht aus vier Hauptzielen. Ziel 1 ist die Erforschung eines neuen Messprinzips zu Erfassung der Bodenwassergehalts mittels Drohnen. Dies beinhaltet die Verwendung einer geeigneten Radarsignal-Modulation und die Entwicklung eines zum Anwendungszweck passenden tomographischen SAR-Verfahrens. Letzteres wird über das Verhältnis von Messgenauigkeit zum Ressourcenaufwand im Sinne der Flugdauer bewertet. Ziel 2 ist die Erforschung eines neuen Radarsensors inklusive Breitbandantennen mit geringem Gewicht und geringer Windlast. Die Erforschung von Signalverarbeitungsansätze zur Bodenwassergehaltsmessung ist Ziel 3. Dieses Ziel soll mithilfe einer Modellierung und Simulation der Einflüsse von Bodenfeuchtigkeit auf die Radardaten erreicht werden. Ziel 4 ist die Analyse der Fehlereinflüsse sowie eine umfangreiche Messgenauigkeitsbestimmung nach GUM. Zur Verifikation des Signalverarbeitungsansatzes und zur Fehleranalyse sind umfangreiche Messungen geplant. Dabei wird die vorhandene Infrastruktur optimal genutzt, um sowohl Messungen unter Laborbedingungen über einem Sandboden als auch eine umfangreiche Freifeld-Messkampagne auf einem vorhandenen Testfeld durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2433: Messtechnik auf fliegenden Plattformen