Vertikale Krustenbewegungen im Bereich des Oberrheingrabens aus der Analyse von Wiederholungsnivellements, SAR-Interferometrie und GNSS
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Gegenstand des Forschungsprojekts ist die Analyse geodätischer Daten zur Bestimmung von Oberflächenbewegungen in der trinationalen Oberrheingrabenregion. Im Rahmen des Projekts wurden erstmalig Nivellementdaten aus Deutschland, Frankreich und der Schweiz grenzüberschreitend ausgewertet und vertikale Verschiebungsraten an Nivellementpunkten in einem Gebiet mit einer Nord-Süd- und Ost-West-Ausdehnung von jeweils ca. 250 km bestimmt. Die hochgenauen linearen Raten, die sich aus einem Gesamtdatenzeitraum von mehr als 100 Jahren ergeben, liefern Rückschlüsse auf die rezente Geodynamik des tektonisch aktiven Oberrheingrabens. Eine im ursprünglichen Projektantrag nicht vorgesehene Aufarbeitung von Nivellementdaten aus dem 19. Jahrhundert erwies sich als gewinnbringend für die Gesamtauswertung der Daten, insbesondere da der Zeitraum zur Bestimmung linearer Raten durch die historischen Daten deutlich verlängert werden konnte. Methodische Studien zum Einfluss des Schwerefeldes auf die kinematische Ausgleichung von Nivellementdaten und zu einer Optimierung des stochastischen Modells durch Varianzkomponentenschätzung liefern wichtige Erkenntnisse, auch für die Anwendung des Ausgleichungsansatzes in anderen Untersuchungsgebieten. In Kooperation mit dem „Institut de Physique de Globe“ (Ecole et Observatoire de Science de la Terre, Université de Strasbourg) wurde am GIK im Jahr 2008 ein Netz permanenter GNSS-Stationen in der Oberrheinregion etabliert und ausgewertet. Die Koordinatenzeitreihen an 85 GNSS-Stationen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojekts näher untersucht und u.a. lineare Verschiebungsraten in horizontalen und vertikalen Komponenten ermittelt. Das homogene und in sich schlüssige, resultierende Bewegungsfeld zeigt, dass es möglich ist, mit GNSS-Daten aus einem Zeitraum von mindestens 4 Jahren (maximal 2002–2011), Verschiebungsraten im sub-mm/a-Bereich zu bestimmen. Die horizontalen Verschiebungsraten geben einen interessanten Einblick in die aktuelle Deformation des Oberrheingrabens und lassen sich mit geomechanischen Modellen vergleichen. Es ist zu erwarten, dass künftige Auswertungen der permanenten GNSS-Daten mit längeren Zeitreihen die Genauigkeit der Verschiebungsraten weiter steigern und dadurch auch vertikale Raten aus den GNSS-Daten zuverlässig bestimmt werden können. Mit der Radarinterferometrie ist es möglich, Bewegungen flächenhaft mit hoher räumlicher Auflösung zu bestimmen. Im Rahmen dieses Projekts wurden archivierte Daten der ESA-Satelliten ERS-1/2 und Envisat über einen Zeitraum von 1992–2000 bzw. 2003–2010 ausgewertet. Es zeigte, sich dass die Radarinterferometrie prinzipiell in der Oberrheingrabenregion anwendbar ist, jedoch aufgrund der ländlichen und bewaldeten Gebiete größere Datenlücken entstehen. In den Städten und Dörfern des Oberrheingrabens liefern die PS-InSAR-Auswertungen von insgesamt acht verschiedenen Datenstapeln ein detailliertes Bild der Oberflächenbewegungen in den letzten zwei Dekaden. Insbesondere konnten anthropogene Deformationen in mehreren Gebieten erstmalig in hoher räumlicher Auflösung detektiert und visualisiert werden. Da sowohl für ERS als auch für Envisat Daten aus aufsteigenden und absteigenden Aufnahmegeometrien ausgewertet wurden, können aus den LOS-Bewegungen vertikale und horizontale Bewegungen berechnet werden. Hauptziel der zweiten Projektphase war die Entwicklung eines Kombinationsansatzes, welcher die Vorteile der drei Techniken Nivellement, GNSS und InSAR in bestmöglicher Art und Weise ausschöpft und ein 3D-Bewegungsfeld mit hoher Genauigkeit und hoher räumlicher Auflösung liefert. Der hier vorgestellte Ansatz kombiniert die drei Techniken auf einem Gitter mit 200 m Auflösung, welches nur in der Nähe des ursprünglichen PS-Punktfeldes Werte besitzt. Zusätzlich werden Differenzen der PS-InSAR-Ergebnisse bzgl. Nivellement und GNSS aufgrund des unterschiedlichen Referenzrahmens und großräumiger Trends (Resteffekte von Orbitungenauigkeiten und Atmosphäreneinflüssen) in der Datenfusion berücksichtigt. Der entwickelte Kombinationsansatz lässt sich leicht auch auf andere Untersuchungsgebiete und andere Sensorkombinationen übertragen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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(2013). Recent surface displacements in the Upper Rhine Graben - Preliminary results from geodetic networks, Tectonophysics, 602(0), 300–315
Fuhrmann, T., Heck, B., Knöpfler, A., Masson, F., Mayer, M., Ulrich, P., Westerhaus, M., Zippelt, K.
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(2013). Towards a Fusion of SAR-Interferometry, GNSS and Precise Levelling in the Upper Rhine Graben Area, Southwest Germany, Proc. ‘ESA Living Planet Symposium 2013’, Edinburgh, UK, ESA SP-722
Fuhrmann, T., Knöpfler, A., Mayer, M., Schenk, A., Westerhaus, M., Zippelt, K., Heck, B.
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(2014). Historische Nivellements aus Preußen und Baden und ihre Bedeutung für die Bestimmung von Vertikalbewegungen im Oberrheingrabengebiet, Zeitschrift für Vermessungswesen (zfv), 139(6), 389–397
Fuhrmann, T., Zippelt, K., Heck, B.
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(2014). Vertical displacement rates in the Upper Rhine Graben area derived from precise leveling, Journal of Geodesy, 88(8), 773–787
Fuhrmann, T., Westerhaus, M., Zippelt, K., Heck, B.
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(2015): Estimation of small surface displacements in the Upper Rhine Graben area from a combined analysis of PS-InSAR, levelling and GNSS data, Geophysical Journal International Volume 203, Issue 1, 1 October 2015, Pages 614–631
Fuhrmann, T., Caro Cuenca, M., Knöpfler, A., van Leijen, F.J., Mayer, M., Westerhaus, M., Hanssen, R.F., Heck, B.
