Erfassung von Geländedeformationen in Städten mit Persistent Scatterer Interferometrie (2012)

Die Messung von Bodenbewegung als Folge natürlicher oder anthropogener Veränderungen der Umwelt ist ein klassisches Arbeitsfeld der Geodäsie. Typische Messverfahren für diese Aufgabe sind Nivellement, Tachymetrie und seit einiger Zeit auch GPS. Der wesentliche Vorzug dieser Verfahren ist das für gewöhnlich sehr hohe Genauigkeitsniveau. Allerdings haben diese klassischen Methoden den Nachteil nur punkthafte Daten zu liefern. Soll also die flächenhafte Ausprägung der Oberflächenbewegung in einem Gebiet untersucht werden, müssen Daten für eine Vielzahl von Punkten gewonnen werden, was sehr teuer und aufwendig sein kann. 

Ein alternatives Verfahren zur flächenhaften Erfassung von Bodenbewegungen stellt die differentielle Radarinterferometrie dar. Hierzu werden Radarbilder hoher Auflösung ausgewertet, die mit der Synthetic Aperture Radar Technik (SAR) erzeugt wurden. Aus zwei zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommenen komplexen SAR-Bildern wird im Zuge einer speziellen Prozessierung ein differentielles Interferogramm berechnet. Anhand dessen Phasendifferenz ist es möglich, die radiale Komponente der Geländedeformation zwischen den Aufnahmezeitpunkten beider Bilder zu bestimmen, wobei grundsätzlich auch Bewegungen in der Größenordnung weniger Millimeter erfasst werden können. Allerdings wird diese Genauigkeit aufgrund zweier Einflüsse oftmals nicht erreicht: 

• Durch Änderungen der Szene im Zeitraum zwischen den SAR-Aufnahmen dekorreliert das Signal, das heißt dort kann aus der Phasendifferenz keine Information über die Geländebewegung gewonnen werden. Dieses Problem tritt vor allem in Vegetationsbereichen auf. Im Allgemeinen sinkt der Anteil der auswertbaren Fläche mit zunehmender Zeitspanne. In Abb. 1 ist dieser Effekt anhand eines Beispiels dargestellt. Im oberen Teil sind die Amplituden zweier komplexer SAR-Bilder dargestellt. Im unteren rechten Teil ist die Phase eines differentielles Interferogrammes (farbig kodiert), das aus diesen beiden SAR-Bildern berechnet wurde, abgebildet. Es ist gut zu erkennen, dass sich die beiden Amplitudenbilder sehr stark ähneln. Dahingegen zeigt die interferometrische Phase aufgrund der Dekorrelation keine Informationen.

   

• Das SAR-Prinzip fußt auf einer Zweiwege-Laufzeitmessung von aktiv ausgesandten Pulsen im Mikrowellenspektrum. Die Lichtgeschwindigkeit ist abhängig von den Materialeigenschaften des Mediums, insbesondere von dessen Brechungsindex. Für die Radarinterferometrie spielt daher der Wasserdampfgehalt der Troposphäre eine große Rolle: unterschiedliche atmosphärische Zustände während der Erfassung der SAR-Bilder können zu beachtlichen Änderungen der Laufzeit des Signals führen, die ebenfalls zur Phasendifferenz beitragen und im Extremfall den Bewegungsanteil völlig überlagern können.

   

Abb. 1: Effekt der zeitlichen Dekorrelation am Beispiel der Szene Staßfurt (südlich von Magdeburg). Im unteren rechten Teil ist ein differentielles Interferogramm dargestellt. Der zeitliche Abstand der verwendeten SAR-Aufnahmen beträgt 630 Tage. Oben sind die Amplituden der beiden komplexen SAR-Bilder, die für die Erzeugung des Interferogramms verwendet wurden, dargestellt. Unten links ist ein optisches Bild der Szene aus Google Earth gezeigt. 

Ein Ansatz, der diese Probleme der differentiellen Radarinterferometrie zu lösen versucht, ist die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI). Diese basiert auf zwei zentralen Ideen. Zum einen wird ein Stapel von Interferogrammen verwendet, was die Trennung von Atmosphäreneinfluss und Bodenbewegung ermöglicht. Hierbei nutzt man aus, dass die räumliche Korrelationslänge von Wasserdampf in der Troposphäre im allgemeinen groß ist verglichen mit der von einem SAR-Pixel abgedeckten Fläche und andererseits die zeitliche Korrelation viel kürzer ist als der Abstand zweier SAR-Aufnahmen. Typische Stapel umfassen hierbei 20 bis 100 SAR-Szenen. Zum anderen wird die Auswertung auf Punkte mit zeitlich konstanter Reflektivität beschränkt. Solche Punkte nennt man Persistent Scatterer (PS). Unter günstigen Bedingungen ist die Bestimmung der Bodenbewegungsrate mit einer Genauigkeit von einem Millimeter pro Jahr möglich. In Abb. 2 ist die Bewegung für ein Testgebiet beispielhaft für vier Zeitpunkte dargestellt. Das Ergebnis ist in guter Übereinstimmung mit Referenzdaten. 

Abb. 2: PSI-Ergebnisse für die Szene Staßfurt. Es wurde ein Stapel von 43 ERS1/2-Aufnahmen verwendet. Dargestellt ist die geschätzte Deformation in Blickrichtung des Sensors für vier der 43 Zeitpunkte. Im Zentrum der Stadt ist deutlich eine Bodensenkung zu erkennen (dargestellt in rot). Die Ergebnisse stimmen recht gut mit vorhandenen Referenzdaten überein. Z.B. liegt direkt unter der Bodensenkungszone ein Kaliabbaustollen. 

Bisher wurden für die PSI-Technik Daten der europäischen Radarsatelliten ERS1, ERS2 und ENVISAT verwendet, die eine Bodenauflösung von etwa 20 Metern aufweisen und seit den frühen 1990er-Jahren Fernerkundungsbilder aufzeichnen. Seit kurzem sind jedoch Daten von Radarsensoren der neuen Generation, die eine deutlich verbesserte Bodenauflösung bieten, verfügbar. Ein Beispiel hierfür ist der deutsche Satellit TerraSAR-X, der im feinsten Modus eine geometrische Auflösung unter einem Meter erreicht. Mit diesen hochaufgelösten Bilddaten entstehen neue Möglichkeiten für die PSI-Technik, die in diesem Projekt untersucht werden sollen. So führt die verbesserte Auflösung zu einer deutlichen Erhöhung der Dichte brauchbarer PS, womit eine signifikante Verbesserung der Genauigkeit der Bestimmung der Geländebewegung einhergehen dürfte. Zudem erscheint eine Zuordnung der beobachteten PS zu ihren ursächlichen Gebäudestrukturen (z.B. Balkone, Fenster, Kamine) durchaus denkbar, was etwa eine detaillierte Beschreibung und Modellierung der Verformung eines konkreten Gebäudes oder Teilen davon ermöglichen würde.