Bestimmung der Unterwasser Bodentopographie und der Höhe brechender Wellen aus TerraSAR-X Daten

Kurzfassung

In der vorliegenden Arbeit wurde das Refraktions- und Aufllaufverhaltens von Wellen in TerraSAR-X Bildern, die Ableitung der Unterwasser Bodentopographie aus diesem Verhalten und die Abschätzung der Höhe der brechenden Wellen untersucht. Es wurde gezeigt, dass mit dem hoch auflösenden Radarsatelliten TerraSAR-X das Refraktions- und Auslaufverhalten von auf die Küste zulaufenden Wellen gemessen werden kann. Um dieses Verhalten zu untersuchen, wurde ein Tracking-Algorithmus zum Verfolgen von auslaufenden Wellen entwickelt. Mit diesem Algorithmus lassen sich Wellen auf ihrem Weg vom offnen Meer bis an die Küste verfolgen und dabei die Änderungen in Wellenlänge und Richtung messen. Das aus den Radarbildern ermittelte Verhalten bzgl. Refraktion und Verkürzung der Wellenlänge wurde mit dem von der linearen Wellentheorie für kleine Amplituden vorhergesagtem Verhalten verglichen. Dieser Vergleich zeigt eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Theorie. Mit Hilfe der linearen Dispersionsrelation wurde aus der im SAR-Bild gemessenen Wellenlänge und der Wellenfrequenz die Wassertiefe berechnet. Die berechneten Wassertiefen wurden um den aktuellen Tidenstand korrigiert. Mit diesem Verfahren wurden für drei verschiedene Testgebiete die Bathymetrie berechnet. Die so ermittelten Bathymetrien wurden gegen Referenzdaten aus Topographischen Modellen und Seekarten validiert. Es wurde die Genauigkeit der so ermittelten Wassertiefen abgeschätzt und gezeigt, dass diese sich in einem ähnlichen Rahmen wie die von amtlichen Seekarten befinden. Die Wahl der Testgebiete viel auf Gegenden, in denen lange Ozean Dünnungswellen zu erwarten waren. Die Testgebiete waren die Einfahrt nach Port Phillip im Süden Australiens, die Duck Research Pier an der Atlantikküste in den Vereinigten Staaten und die deutsche Hochseeinsel Helgoland in der Nordsee. Für das Testgebiet bei Port Phillip wurden aus mehreren Aufnahmen mit unterschiedlichen Seegangs-situationen die Bathymetrien abgeleitet und untereinander verglichen. Die für unterschiedliche Meereszustände ermittelten Unterwasser Bodentopographien stimmen innerhalb ihrer Fehlergrenzen überein. Des weiteren wurde erstmals eine Idee präsentiert, aus den normalerweise als Bildstörungen betrachteten Verschmierungen, welche durch brechende Wellen verursacht werden, Informationen über die Höhe der brechenden Wellen zu gewinnen. Dazu wurden die Längen der Streifen, aus denen die Verschmierungen bestehen, vermessen. Mit der Länge dieser Streifen und Formeln, welche sich aus der SAR-Abbildungstheorie ergeben, wurde erst die Geschwindigkeit der streuenden Teilchen und dann mit dieser Geschwindigkeit die Höhe der Wellen zum Zeitpunkt des Brechens aus der Orbitalgeschwindigkeit berechnet. Aufgrund mangelnder Insitu-Messungen wurden die aus dem SAR-Bild abgeleiteten Höhen der Wellen zum Zeitpunkt des Brechens mit simulierten Wellenhöhen verglichen. Um die Wellen beim Auflaufen zu simulieren wurde ein Programm geschrieben, welches auf Grundlage der linearen Wellentheorie das Auflaufverhalten von Wellen simuliert. Als Startwerte für die Simulation der Veränderung der Wellenhöhe beim Auflaufen wurden die, von einer in der Nähe verankerten Boje gemessenen Wellenhöhen genommen. Auch hier gab es eine gute Übereinstimmung zwischen den im SAR-Bild ermittelten Wellenhöhen und den von der Simulation vorausgesagten Wellenhöhen. Nur in Gebieten mit Wellenkonvergenz gab es starke Abweichungen zwischen den im SAR-Bild ermittelten Werten und den simulierten. Diese Abweichungen lassen sich aber damit erklären, dass das hier benutzte Simulations-programm nicht mit Wellenkonvergenz umgehen kann und daher die Höhe der brechenden Wellen unterschätzt.