Wie ist die Genauigkeit von InSAR-Messungen?
Mit der InSAR-Messtechnik können Verschiebungen mit Millimetergenauigkeit gemessen werden. Die Präzision nimmt in der Regel mit der Anzahl der verabeiteten Radarbilder und der Länge des Auswertezeitraums zu. Aufnahmelücken, starke atmosphärische Störungen, sowie vor allem Oberflächenveränderungen innerhalb des Analysezeitraums verringern das Signal-Rausch-Verhältnis, und wirken sich negativ auf die Präzision aus. Jede Zeitreihe von Verschiebungswerten wird von zwei Qualitätsparametern begleitet:
- Standardabweichung der Verschiebungsrate [V_STDEV], welche die Präzision der jährlichen Verschiebungsgeschwindigkeit angibt.
- Die Kohärenz ist eine Schätzung des Signal-Rausch-Verhältnisses für jeden Messpunkt (MP). Zeitreihen, die sich durch geringe zeitliche Schwankungen der Verschiebungswerte und ein geringes Rauschen auszeichnen, entsprechen MP mit Kohärenzwerten nahe 1. Bei der Interpretation einzelner Zeitreihen mit niedriger zeitlicher Kohärenz ist darauf zu achten, dass diese anfälliger für Messfehler sind. Die Kohärenzwerte wird nur für LOS-Messungen berechnet, die wiederum als Eingangsdaten für die 2D-Messungen (vertikal, Ost-West-horizontal) dienen.
Verschiebung (LOS) | Standardabweichung der Verschiebungsrate | Standardabweichung der Messwerte |
---|---|---|
Präzision | ± 1 mm/Jahr | ± 5 mm |
Typische Präzisionswerte für einen Messpunkt innerhalb einer Entfernung von 1 km zum Referenzpunkt und bei einer Auswertung von einem Datensatz mit mindestens 30 Radarbildern.
Mit welcher Genauigkeit ist die Lage eines einzelen InSAR-Messpunktes bekannt?
Während die Genauigkeit der Zeitreihen-Messwerte im Millimeterbereich liegt, ist die Lage einzelner Messpunkte mit einer Genauigkeit in Metern bekannt, in Abhängigkeit vom verwendeten Satelliten (siehe Tabelle unten).
Satellit | Band | Wellenlänge [cm] | Auflösung RGxAZ [mxm] | Nord-Süd [m] | Ost-West [m] | Höhe [m] |
---|---|---|---|---|---|---|
SNT | C-band | 5.6 | ~5 x 20 | ±8 | ±12 | ±8 |
TSX (Stripmap) | X-band | 3.11 | ~3 x 3 | ±1 | ±3 | ±1.5 |
Typische Präzisionswerte der Lage eines Messpunktes bezogen auf UTM-Koordinaten in mittleren Breitengraden.
1-D-Messungen in LOS (Line-Of-Sight)
InSAR misst die Projektion des wahren Verschiebungsvektors in Blickrichtung des Satelliten (Line-Of-Sight, LOS) und in Schrägsicht. Die Messung erfolgt eindimensional (d.h. vom Satelliten weg oder zum Satelliten hin). Das Vorzeichen und die Größe des Messwertes sind abhängig von der Richtung des Verschiebungsvektors in Bezug auf LOS. Negative Werte (von grün bis rot) zeigen eine Bewegung weg vom Satelliten an, während positive Werte (von grün bis blau) eine Bewegung in Richtung des Satelliten anzeigen. Da die SAR-Antenne nach rechts zeigt, blickt der Sensor im Ascending Orbit (Flugrichtung S-N, aufsteigend) nach Osten, während im Descending Orbit (Flugrichtung N-S, absteigend) die Aufnahmen von Westen erfolgen.
SqueeSAR® misst die Projektion der tatsächlichen Bewegungen (Dreal) in LOS. Messungen im Ascending Orbit (Flugrichtung von Süden nach Norden) ergeben andere LOS-Messwerte im Vergleich zu Messungen im Descending Orbit (Flugrichtung von Norden nach Süden).
2-D-Messungen (Vertikal und Ost-West)
Da alle SAR-Satelliten in einer quasipolaren Umlaufbahn (über die Pole hinweg) die Erde umkreisen und über eine nach rechts gerichtete Antennen verfügen, ist es möglich Datenstapel sowohl dann zu erfassen, wenn der Satellit in Richtung Süden (Descending Datensatz) als auch nach Norden (Ascending Datensatz) fliegt. Die beiden Datenstapel (Ascending und Descending) erzeugen völlig unabhängige Verschiebungskarten, jeweils aus einer anderen Perspektive (Line-Of-Sight, abgekürzt als LOS): Dieselbe Verschiebung kann aus unterschiedlichen LOS-Richtungen zu unterschiedlichen Messwerten führen.
Ascending und Descending Aufnahmegeometrie. Die SAR-Antenne ist nach rechts ausgerichtet, was bedeutet, dass sie im aufsteigenden Orbit (S-N, Ascending) nach Osten und im absteigenden Orbit (N-S, Descending) nach Westen blickt.
Die Kombination von 1-D-LOS-InSAR-Messungen, die im Ascending und im Descending Orbit für dasselbe Gebiet und den selben Überlappungszeitraum erfolgt sind, führen zu 2-D-Messungen (vertikal, Ost-West-horizontal). Da Satelliten unterschiedliche Messpunkte in Ascending und Descending identifizieren, werden die Messpunkte mithilfe eines räumlichen Gitters gemittelt und ihre Zeitreihen neu abgetastet, um zweidimensionale Ergebnisse zu erzielen. Daher stellen die 2D-Zellen keine Radarziele am Boden dar, sondern Bereiche, die durch synthetische Punkte in der Mitte der Zellen dargestellt werden. Es ist zu beachten, dass Nord-Süd-Bewegungen nicht gemessen werden können, da SAR-Satelliten nicht sensitiv auf Bewegungen parallel zur Flugrichtung sind! Die Dimension des 2D-Messgitters wird entsprechend der räumlichen Auflösung des Satelliten gewählt. Bei hochauflösenden Daten beträgt sie in der Regel 10m x 10m; bei Daten mit niedriger Auflösung beträgt sie im Allgemeinen 50m x 50m.
Die folgende Abbildung zeigt, dass 2D-Messwerte nur in Bereichen berechnet werden können, in denen LOS-Messungen sowohl im Ascending als auch im Descending Datensatz vorhanden sind. Es ist zu beachten, dass sich die 2D-Messpunkte nur in den Bereichen ergeben, in denen sich die beiden 1D-Datensätze überlappen.
2D-Messungen werden durch Unterabtastung der Ascending und Descending Daten in einem gemeinsamen räumlichen Gitter geschätzt. Die Messungen aller MPs innerhalb einer Gitterzelle werden gemittelt, um 2-D-Messpunkte in der jeweiligen Mitte der Gitterzellen zu erzeugen. Das 2-D-Verfahren liefert nur Messwerte für Zellen, die MPs aus beiden Orbits enthalten (weiße Zellen).
Bei der 2D-Analyse werden sowohl die Verschiebungsgeschwindigkeit als auch die Beschleunigung ausgegeben. In den Karten der Verschiebungsgeschwindigkeit ist jeder Punkt entsprechend der Größe der Verschiebungsrate farblich gekennzeichnet. In einem vertikalen Datensatz zeigen negative Werte (rot) eine Abwärtsbewegung (Senkung) an, während positive Werte (blau) eine Aufwärtsbewegung (Hebung) anzeigen. In einem Ost-West-Datensatz zeigen negative Werte (rot) eine Bewegung nach Westen an, während positive Werte (blau) eine Bewegung nach Osten anzeigen. In den Beschleunigungskarten gibt die Farbe der Messpunkte an, ob die Zeitreihe linear oder nichtlinear verläuft.
Ascending und Descending LOS-Messungen erfolgen in voller Auflösung für das Netzwerk an natürlichen Reflektoren, die am Boden identifiziert werden. Die LOS-Messungen liefern die Projektion eines realen Bewegungsvektors in LOS-Schrägsicht. Durch die Kombination von Ascending und Descending Daten wird ein regelmäßiges Gitter mit vertikalen und Ost-West Verschiebungsmessungen erzeugt.
Warum enthalten einige Bereiche keine Messpunkte?
Die Dichte und Abdeckung von InSAR-Messpunkten hängt hauptsächlich von den Eigenschaften der Bodenoberfläche und der Topographie des Gebiets ab.
Die Punktabdeckung ist generell geringer bei:
- Vegetationsflächen und Flächen mit geringer Reflexion (d.h. Gebiete, in denen das zum Satelliten zurückgestreute Signal gering ist, wie z.B. bei Wasserflächen).
- Bereichen, die von zeitlichen Dekorrelationen betroffen sind (d.h. das reflektierte Radarsignal ändert sich im Laufe der Zeit. Dekorrelation ist im Allgemeinen mit schnellen Oberflächenveränderungen verbunden, die z.B. bei aktiven Abbauflächen, Überflutung und Schneebedeckung auftreten.
- Bereichen, die der Satellit nicht erfassen kann, aufgrund der Blickrichtung in LOS in Bezug zur lokalen Topographie (Abschattung, Signalüberlagerung, Verkürzungseffekte).
Warum gibt es Messpunkte in Bereichen, an denen sich die Oberfläche kürzlich verändert hat (z.B. durch Sprengungen, Ablagerungen, etc.)?
Die Lage der Messpunkte (MP) wird bei der Baseline-Analyse (Setup) definiert und während der Überwachung konsistent gehalten. Wenn sich die Oberfläche aufgrund aktiver Tätigkeiten ändert, kann es zu einer Abnahme der Signalkohärenz kommen, was wiederum zu einem erhöhten Rauschen in den Zeitreihen führt (Abb. 3). Dennoch verbleiben alle MP im aktualisierten Ergebnis bis eine neue Baseline-Analyse, nach Abschluss der Tätigekiten an der Oberfläche, durchführt wird. Für eine neue Baseline-Analyse sind mindestens 15 Aufnahmen notwendig. Diese wird regelmäßig, normalerweise alle 6 Monate, neu berechnet.
Abb. 3: Zeitreihe für ein Gebiet mit Tätigkeiten an der Oberfläche. Der Kohärenzverlust, verursacht durch Oberflächenveränderungen, führt zu einem Rauschen in den Zeitreihen.
Warum stimmen die InSAR-Messungen nicht mit meinen terrestrischen Messungen überein?
Diskrepanzen zwischen InSAR und anderen Messungen können im Allgemeinen auf unterschiedliche Erfassungseigenschaften und/oder Messgenauigkeiten zurückgeführt werden. Beim Vergleich von InSAR-Messungen mit anderen Messverfahren ist es wichtig, folgende Faktoren zu beachten:
- InSAR stellt 1-D (LOS) oder 2-D (vertikal und Ost-West-horizontal) Messungen zur Verfügung und kann keine Nord-Süd-Bewegungen detektieren. Verwenden Sie für Vergleiche die gleiche Bewegungsrichtung. Dies kann eine Projektion anderer Messungen in LOS-Blickrichtung erfordern.
- 2-D-InSAR-Messungen beziehen sich auf Flächen (räumliches Gitter, für höhere Auflösungen z.B. 10m x 10m) und nicht auf Punktziele.
- InSAR-Messungen beziehen sich räumlich auf einen lokalen Referenzpunkt. Verwenden Sie für Vergleiche denselben Referenzpunkt oder prüfen Sie die Stabilität der verwendeten Referenzpunkte bei allen eingesetzten Messverfahren.
- InSAR kann Bewegungen mit Geschwindigkeiten von einigen mm/Jahr bis zu einigen cm/Jahr messen. Ein Vergleich mit Messungen von Instrumenten, die auf die Erfassung schnellerer Bewegungen oder die Bereitstellung von häufigeren Messdaten, ausgerichtet sind, kann herausfordernd oder ungeeignet sein.
Im Allgemeinen lohnt es sich beim Vergleich verschiedener Messinstrumente mit InSAR immer, die Empfindlichkeit gegenüber Verschiebungenin LOS sowie die zeitliche Datenerfassung jedes Instruments zu berücksichtigen. Kontaktieren Sie support@tre-altamira.com, wenn Sie weitere Unterstützung zu dem Thema benötigen.
Ist es möglich die Ergebnisse eines terrestrischen/bodengestützten Radarinstruments (d.h. Ground-based oder Slope Stability Radar mit realer oder synthetischer Apertur) mit InSAR-Ergebnissen zu vergleichen?
Es besteht die Möglichkeit InSAR-Ergebnisse mit terrestrischen Radarmessungen zu vergleichen. Folgende Faktoren sollten jedoch berücksichtigt werden:
- InSAR-Dienste sind darauf ausgelegt, langsame Bewegungen von 1 mm/Jahr bis zu einigen cm pro Jahr zu erfassen. Radarmessungen zielen typischerweise auf Verschiebungen im Bereich von 1 mm/Tag oder 1 mm/Monat ab. Langsamere Bewegungen liegen in der Regel unterhalb der Empfindlichkeitsschwelle von Radarsystemen. Daher könnte ein von InSAR erkanntes sich langsam bewegendes Gebiet mit bodengestützten Radardaten völlig stabil erscheinen.
- Schnelle und komplexe Deformationsmuster können mit bodengestützten Radarscannern aufgrund der hohen Erfassungsfrequenz der Instrumente (alle paar Minuten) besser verfolgt werden. InSAR eignet sich mit bestenfalls einer Aufnahme pro Woche besser zur Erkennung langsamer, vorzeitiger Bewegungen.
- Radar (sowohl boden- als auch satellitengestützt) misst die relative Verschiebung. Wenn der von der Verformung betroffene Bereich größer als das erfasste Gebiet bzw. die Radarszene ist, kann das Radar die Verschiebung nicht vollständig erfassen. InSAR-Daten sind von diesem Problem in der Regel nicht betroffen, da die Datensätze ein vergleichsweise großes Gebiet abdecken.
- Die Fähigkeit beider Technologien, die Verschiebung abzuschätzen, hängt stark von der Sichtlinie (LOS) des Radars ab. Da bodengestützte Radargeräte typischerweise mit einer nahezu horizontalen Sichtlinie messen, reagieren die Instrumente weniger empfindlich auf die vertikale Verschiebungskomponente. Umgekehrt kann InSAR angesichts der quasipolaren Umlaufbahnen von SAR-Satelliten keine Nord-Süd-Komponente der Verschiebung erkennen.
Im Allgemeinen werden bodengestützte SAR-Systeme zur Frühwarnung im lokalen Bereich eingesetzt, da sie für eine Echtzeitüberwachung ausgelegt sind. Satellitengestütztes InSAR liefert Ergebnisse mit einer geringeren Aktualisierungsfrequenz, kann aber ein deutlich größeres Gebiet abdecken.
Ist es möglich, InSAR-Daten in unsere Überwachungsplattform zu importieren?
Der Output einer InSAR-Analyse besteht aus einer Punktwolke mit einer Datenbank von Verschiebungszeitreihen (d.h. der Verschiebungshistorie) für jeden Messpunkt. Die Punktwolken- und Zeitreihendatenbank kann in allen gängigen Formaten generiert werden, um sie in andere Überwachungs- und Datenanalyseplattformen einzubinden. TREA InSAR-Daten können in die gängigsten Plattformen integriert werden, darunter Canary, Vulcan, GeoExplorer, GeoMonitoring Hub, Sensemetrics, Rocscience, K2Fly etc.
Warum wird das Orthophoto im Hintergund nicht aktualisiert?
TREmaps nutzt Google Maps Bilder als Hintergrundkarte zur Anzeige der InSAR-Ergebnisse. Es ist möglich hochauflösende optischen Satellitendaten mit höherer Aktualität einzubinden. Falls noch keine aktualisierte Hintergrundkarte verfügbar ist, bitte kontaktieren Sie support@tre-altamira.com, um Hinweise zum weiteren Vorgehen zu erhalten.
Ist es möglich Schwellenwerte für einen Alarm und/oder Gefahrenkarten basierend auf InSAR-Ergebnissen zu definieren? Kann InSAR als Frühwarnsystem genutzt werden?
Wie alle Überwachungsdaten können InSAR-Daten zur Erstellung brauchbarer und verwertbarer Informationslayer verwendet werden, die als Eingabe für TARPs (Trigger-Action-Response-Plans) dienen. Dies ist jedoch eine komplexe Aufgabe, wenn man Folgendes berücksichtigt:
- InSAR-Daten werden nur alle 11 Tage (bestenfalls 4+7 Tage) aktualisiert. Eine zeitnahe Datenlieferung ist daher nicht möglich.
- Da jedes überwachte Objekt unterschiedliche Merkmale und mögliche Fehlerursachen haben kann, sind unterschiedliche Schwellenwerte erforderlich.
Um Schwellenwerte zu definieren und Gefahrenkarten abzuleiten, ist ein Verständnis der geotechnischen Eigenschaften des Überwachungsobjektes (Asset) erforderlich. TRE ALTAMIRA kann Partnerunternehmen empfehlen, um diese Aufgabe zu erleichtern. Bitte wenden Sie sich an support@tre-altamira.com, um Hinweise zum weiteren Vorgehen zu erhalten.