Weltraumgestützte Meereisbeobachtung mit GNSS-Reflektometrie
Globale Satellitennavigationssysteme (GNSS) werden sowohl im zivilen als auch militärischen Bereich zur Positionierung, Navigation und Zeitgebung genutzt. Zusätzlich zu diesen grundlegenden Diensten und Anwendungen können GNSS heute zur Fernerkundung atmosphärischer Parameter genutzt werden, dabei spielt die Signalbrechung entlang des Signalwegs eine wichtige Rolle. Beobachtungen von sogenannten Radiookkultations-Ereignissen (GNSS-RO) auf erdnahen (LEO) Satelliten ermöglichen die Schätzung des troposphärischen Wasserdampfs, der Temperatur, des Drucks und des ionosphärischen Gesamtelektronengehalts (TEC) mit vertikaler Auflösung und globaler Abdeckung. Inzwischen können auch GNSS-Signalreflexionen zur Gewinnung geophysikalischer Parameter genutzt werden. Die ursprüngliche Fehlerquelle Signalreflexion ermöglicht neue Fernerkundungsmethoden, die als GNSS-Reflektometrie (GNSS-R) zusammengefasst werden. Charakteristika der Ozeanoberfläche (z.B. Höhe, Rauhigkeit und Windparameter) können durch GNSS-R geschätzt werden. Auch Landanwendungen zur Erkundung der Vegetationsbedeckung oder Bodenfeuchte werden erforscht. Die Gewinnung von Meereisparametern steht im Fokus des hier beschriebenen Projekts.
Das Ziel ist es, Parameter wie Dicke, Konzentration, Rauhigkeit und Permittivität des Meereises zu gewinnen. Die kombinierte Auswertung der Parameter ermöglicht es, die verschiedenen Eistypen zu unterscheiden. Die Meereisdicke ist dabei ein Schlüsselparameter der Eismassen, die in klima-relevanter Wechselwirkung mit dem Ozean und der Atmosphäre stehen.
In einem ersten Ansatz wurden sogenannte differentielle Delay Doppler Maps (dDDM) untersucht, um die Meereisbedeckung zu detektieren. Diese Methode wurde erfolgreich für Daten der britischen TechDemoSat-1 (TDS-1) Mission angewandt (Daten verfügbar unter: www.merrbys.co.uk). Die Ergebnisse der Analyse werden durch Daten des National Snow & Ice Center, USA (http://nsidc.org) bestätigt.
In einem zweiten Ansatz wird zurzeit eine Methode entwickelt, um das Meereis mit Hilfe der kohärenten Reflexionsamplitude zu klassifizieren. Diese Methode berücksichtigt die Meereispermittivität und -rauhigkeit als Parameter. Vergleichsmessungen erlauben es, den potentiellen Nutzen dieser Methode zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass bei Zunahme der Eiskonzentration die Reflexionsamplitude deutlich zurückgeht. Die Methodenentwicklung des ReGID-Projekts ist ein Kooperationsprojekt mit der Universität Wuhan und hilft bei der Auswertung der im Projekt ArGID (Arctic GNSS Ice Detection) gesammelten Daten.
Literatur
Zhu, Y., Tao, T., Yu, K., Li, Z., Qu, X., Ye, Z., Geng, J., Zou, J., Semmling, M., Wickert, J. (2020): Sensing Sea Ice Based on Doppler Spread Analysis of Spaceborne GNSS-R Data. - IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 13, 217-226.
https://doi.org/10.1109/JSTARS.2019.2955175
Zhu, Y., Tao, T., Yu, K., Qu, X., Li, S., Wickert, J., Semmling, M. (2020): Machine Learning-Aided Sea Ice Monitoring Using Feature Sequences Extracted from Spaceborne GNSS-Reflectometry Data. - Remote Sensing, 12, 22, 3751, https://doi.org/10.3390/rs12223751
