SRTM-Daten

SRTM-Daten (von Shuttle Radar Topography Mission) sind Fernerkundungsdaten der Erdoberfläche, die bei der STS-99 Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) im Februar 2000 aus dem Weltraum aufgezeichnet wurden. Sie dienen dazu, ein einheitliches, hochauflösendes digitales Geländemodell der Erdoberfläche zu erstellen.

Mit SRTM wurden innerhalb von 11 Tagen selbst unwegsame Regionen der Erde erfasst und vermessen. Abgedeckt wurden Landflächen zwischen dem 60. nördlichen und 58. südlichen Breitengrad, durch die Bahnneigung der Umlaufbahn bedingt sind die Pole in diesen Datenbeständen nicht enthalten. Seit dem 7. August 2015 sind die kompletten Daten mit einer Auflösung von 1 Bogensekunde (ca. 30 m) frei verfügbar.[1]

Erfassung der Daten: SIR-C, X-SAR
Vergleich der X-SAR (links) und SIR-C (rechts) Daten für den Berliner Grunewald
Das X-SAR deckt nur 40 % der Erdoberfläche ab. Deutlich zu erkennen die streifenweisen Footprints (Schwad), bedingt durch die Umlaufbahnen des Shuttles

Das Radarsystem der SRTM gehörte zur Missionsausrüstung des Space Shuttle Endeavour auf der Transportmission 99. Es bestand aus zwei Komponenten:

  • das SIR-C, entwickelt von der NASA, produzierte Daten von annähernd 100 % der vermessenen Erdoberfläche[2] mit einer horizontalen Auflösung von etwa 30 Metern und einer Höhengenauigkeit von etwa 6 Metern. Die produzierten Daten wurden vom Jet Propulsion Laboratory der NASA ausgewertet und sind beim US Geological Survey (US-amerikanischer Geologischer Dienst) teilweise als Public Domain kostenfrei im Internet verfügbar.
  • das X-SAR vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt, dessen Daten eine höhere Genauigkeit aufweisen, jedoch nur 40 % der Erdoberfläche abdecken. Die mittels Synthetic Aperture Radar erfassten Höhendaten geben die Oberflächenform der Erde einschließlich Bewuchs und Bebauung wieder, was zu entsprechenden Abweichungen zum Boden führt.

Diese Art der Fernerkundung hat im Gegensatz zur Anfangszeit der Geodäsie große Vorteile: Zuvor wurde die Höhe und Position eines Ortes auf der Erdoberfläche mittels Triangulation anhand von Referenzpunkten ermittelt. Das ist mit viel Aufwand verbunden, da die Messpunkte jeweils in Sichtweite liegen müssen. Weit entfernte Orte mussten somit mittels Zwischenschritten erfasst werden, unzugängliches Gelände konnte teilweise gar nicht oder nur unzureichend vermessen werden.

Daten des United States Geological Survey

Datenformat und Auflösung: SRTM-1, SRTM-3

Zunächst stellte der USGS für die freie Nutzung zwei unterschiedliche Datensätze zur Verfügung:

  • Für die gesamte vermessene Fläche sind die Daten mit einer Auflösung von einer Bogensekunde in Länge und Breite verfügbar (SRTM-1). Diese Daten werden in Stücken von 1 Grad × 1 Grad mit einer Größe von 3601 × 3601 Pixel angeboten.
  • Zusätzlich werden die Daten mit einer reduzierten Auflösung von 3 Bogensekunden angeboten (SRTM-3). Die Größe der 1-×-1-Grad-Stücke beträgt hier 1201 × 1201 Pixel.
  • Das Benutzerinterface des USGS erlaubt zudem eine frei definierbare rechteckige Auswahl beliebiger Gebiete, für welche die Datensätze individuell zusammengestellt und an den Benutzer übertragen werden.[3]
    Anmerkung: Am Äquator entspricht eine Bogensekunde ungefähr 30 Meter bzw. drei Bogensekunden etwa 90 Meter. Zu den Polen hin nimmt der Abstand zwischen den Längengraden ab (siehe Abweitung).

Die Datensätze werden als Matrizen von 16-bit-Integer-Zahlen (Big-endian-Byte-Reihenfolge) auf den FTP-Servern des USGS angeboten. Außerdem sind sie an verschiedenen Stellen in anderen Dateiformaten verfügbar. Die Höhendarstellung erfolgt in Metern. Pixel, für die keine Höheninformation existiert, sind mit dem Wert −32768 versehen.

Die Höhenangaben der Oberflächenvermessung beziehen sich auf das weltweit einheitliche Referenzsystem WGS84 EGM96 Geoid, die horizontale Georeferenzierung erfolgt mit WGS84 als geodätisches Datum. Bereits bestehende, national erfasste Höhenmodelle hatten im Gegensatz dazu unterschiedliche Bezugssysteme, was deren Weiterverarbeitung erschwerte.

Im Zuge des Klimagipfels 2014 verkündete die US-Regierung, innerhalb eines Jahres SRTM-1 Daten auch für die Gebiete außerhalb der USA frei zur Verfügung stellen zu wollen.[4] Mit Freigabe der Daten für den Nahen Osten wurde am 7. August 2015 die Ankündigung vollständig umgesetzt. Die alten Datensätze sind jedoch weiterhin abrufbar.

Dateinamen

Die USGS-Dateinamen (Beispiel: „N53E009“ für 53° Nord geographische Breite und 9° Ost (East) geographische Länge) beziehen sich auf die Länge und Breite der unteren linken Ecke des dargestellten Datenfeldes, also des Bildpixels (1,1).

Datenversionen

Die zunächst veröffentlichten Daten (Version 1) weisen neben Fehlpixeln ohne Höheninformationen auch andere Messfehler auf und Wasserflächen haben keinen konstanten Höhenwert. 2005 wurden die Daten deshalb mit verbesserter Qualität neu herausgegeben (Version 2). 2009 wurde die Version 2 erneut überarbeitet und als Version 2.1 herausgegeben.[5]

Urheber- und Nutzungsrechte

Die vom USGS veröffentlichten Daten sind als Public Domain zum Herunterladen kostenfrei verfügbar und dürfen uneingeschränkt verwendet werden: USGS-authored or produced data and information are in the public domain. Die nicht veröffentlichten Daten mit einer Bogensekunde Auflösung von Gebieten außerhalb der USA unterliegen der Kontrolle des US-Verteidigungsministeriums.[6]

Verfügbarkeit der Daten

Die vom X-SAR erfassten Daten kann man beim DLR kostenfrei im DTED-Format herunterladen.[7]

Das Projekt openDEM[8] stellt ein freies Höhenmodell zur Verfügung, das durch die Bearbeitung mit frei zugänglichen Daten wie beispielsweise OpenStreetMap oder viewfinderpanoramas[9] weiter verfeinert wurde.

Datenqualität

Die Auflösung der X-Band-Höhendaten des DLR beträgt horizontal 25 m und vertikal 1 m. Die Genauigkeit beträgt horizontal 20 m absolut, 15 m relativ und vertikal 16 m absolut, 6 m relativ.

Urheber- und Nutzungsrechte

Die X-Band-Höhendaten des DLR dürfen selbst nicht weitergegeben werden. Aus den Daten abgeleitete Werke (Karten o. Ä.) unterliegen jedoch außer der Verpflichtung zur Quellenbenennung keinen Nutzungsbeschränkungen.

Schwachpunkte

Aus technischen Gründen und zur Reduzierung der Datenmengen ist der Datenbestand fehlerhaft:

  • Die Höhendaten geben die Oberflächenstruktur der Erde wieder. Das muss nicht der Höhe des Erdbodens entsprechen, siehe Bewuchs, Bebauung usw.
  • An einigen Stellen, wo die Messungen zu starke Fehler ergaben oder die empfangene Strahlung zu gering war, weisen die Daten „Löcher“ auf (Fehlpixel). Dafür kommen mehrere Ursachen in Frage: In Gebieten mit starken Geländeneigungen wurde die gesendete Energie durch Spiegelreflexion in eine andere Richtung als zurück zum Radar reflektiert. Auf sehr flachen Wasser-, Eis- oder Sandflächen wurden die Sendeimpulse durch diffuse Streuung so stark zerstreut, dass das an dem Radarempfänger die Echosignale zu klein waren, um erkannt zu werden. Sehr dichte und dauerhafte Bewölkung verhinderte durch enthaltene Eispartikel (beispielsweise in Gewitterwolken) die „Sicht“, das heißt, die Durchgangsdämpfung in solchen Gebieten ist für elektromagnetische Wellen zu groß, so dass keine Echosignale empfangen werden konnten.
  • Das horizontale Raster von etwa 90 Metern × 90 Metern gibt kein vollständiges Abbild der Orografie wieder. Punkte, die zwischen den Rasterpunkten liegen, müssen bei der weiteren Verarbeitung interpoliert werden, idealerweise unter Verwendung höherauflösender Informationen.
  • Durch das verwendete Höhenreferenzmodell weisen manche Programme eine falsche Küstenlinie aus, da die Null-Meter-Marke der Daten nicht mit der lokalen Meeresspiegelhöhe in der Realität übereinstimmen muss. Das Stichwort Geoid gibt weitere Erklärungen dazu. Ferner liegen manche küstennahe Gebiete durch einen Deich geschützt unterhalb des Meeresspiegels. Die Lagequalität der Küstenlinien wurde in der Neuveröffentlichung der Daten im Jahr 2005 verbessert. Die verwendeten Küstenlinienkarten wurden auch veröffentlicht.

Korrektur der Fehlpixel

Um die Stellen zu füllen, für die keine Höheninformation bestimmt werden konnte (Fehlpixel), sind verschiedene Verfahren üblich:

  • Interpolation aus den vorhandenen Werten. Das führt insbesondere bei größeren Lücken in Gebirgsregionen zu Ungenauigkeiten.
  • Korrektur mittels Daten aus anderen Quellen. Die Qualität der Ergebnisse bei dieser Methode hängt wesentlich von der Qualität dieser Daten ab. Die Abweichung der Höhenwerte in den SRTM-Daten durch Bewuchs und Bebauung von konventionell ermittelten Höhendaten ist ebenfalls zu beachten.

Software

Der USGS liefert zum Betrachten die Public-Domain-Software dlgv32Pro, die eine eingeschränkte Freeware-Version des Global Mapper ist. Daneben gibt es diverse kommerzielle und nichtkommerzielle Software (Freeware, Shareware), die SRTM-Daten verarbeiten kann. Als freie Software kann GRASS GIS SRTM-Daten mit dem Modul r.in.srtm importieren, ebenso verwendet das kostenlose Programm GPS-Track-Analyse SRTM-Daten. Die Daten sind oder waren auch im GeoTIFF-Format erhältlich, das von allen gängigen GIS- und Bildverarbeitungsprogrammen gelesen werden kann.

Beispiele
  • Höhendarstellung mit Isohypsen: Das Bild zeigt einen Ausschnitt einer SRTM-Datei überlagert mit einem SPOT-Bild der Region Pinneberg. Die namensgebende Erhebung der Stadt ist in dem sonst flachen Gebiet gut erkennbar.
    Höhendarstellung mit Isohypsen: Das Bild zeigt einen Ausschnitt einer SRTM-Datei überlagert mit einem SPOT-Bild der Region Pinneberg. Die namensgebende Erhebung der Stadt ist in dem sonst flachen Gebiet gut erkennbar.
  • Fehlerhafter Küstenverlauf: Im Bild dargestellt ist ein Bereich der Elbmündung. Die rote Linie markiert den realen Uferverlauf, die Elbe verläuft südlich dieser Linie.
    Fehlerhafter Küstenverlauf: Im Bild dargestellt ist ein Bereich der Elbmündung. Die rote Linie markiert den realen Uferverlauf, die Elbe verläuft südlich dieser Linie.
  • Fehlpixel: Im Bild fehlen die Berggipfel der Hohen Tatra aufgrund von Totalreflexion der Radarwellen. Dieser Effekt kann durch Eis- oder Schneeflächen sowie bei steilen Gebirgshängen auftreten. Ebenso können Wasserflächen zu Fehlpixeln führen.
    Fehlpixel: Im Bild fehlen die Berggipfel der Hohen Tatra aufgrund von Totalreflexion der Radarwellen. Dieser Effekt kann durch Eis- oder Schneeflächen sowie bei steilen Gebirgshängen auftreten. Ebenso können Wasserflächen zu Fehlpixeln führen.
  • Höhenkarte der Sierra Nevada von Maps-For-Free berechnet aus SRTM-Höhendaten
    Höhenkarte der Sierra Nevada von Maps-For-Free berechnet aus SRTM-Höhendaten
  • Schummerung und Höhenlinien aus SRTM-Daten in einer OpenStreetMap-Karte (OpenTopoMap)
    Schummerung und Höhenlinien aus SRTM-Daten in einer OpenStreetMap-Karte (OpenTopoMap)

Siehe auch

Datenquellen:

Einzelnachweise
  1. Ankündigung der Veröffentlichung des letzten Bereichs mit 1 Bogensekunde Auflösung, lpdaac.usgs.gov (englisch).
  2. Abdeckung der Erdoberfläche durch die SRTM-Mission, jpl.nasa.gov (englisch)
  3. Anleitung zur freien Auswahl von USGS-Daten (Memento vom 1. Juli 2009 im Internet Archive), herbert.gandraxa.com (englisch)
  4. U.S. Releases Shuttle Land Elevation Data to Aid Global Climate Resilience, NASA (englisch).
  5. What are these (PDF; 21 kB), dds.cr.usgs.gov – Versionen der SRTM-Datensätze (PDF, englisch).
  6. Zusammenfassung der Richtlinien zur Veröffentlichung der SRTM-Daten, jpl.nasa.gov (englisch).
  7. Höhenmodelle der SRTM-Mission kostenfrei zur Verfügung (Memento vom 13. März 2013 im Internet Archive). DLR-Pressemitteilung vom 25. Mai 2011.
  8. openDEM
  9. viewfinderpanoramas
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