InSAR-Technologie und -Methoden

Wir messen Bodendeformation mit dem gesamten Spektrum der satellitengestützten Radar-Interferometrie (InSAR). Jede Methode eignet sich für ein anderes Bewegungsmuster, von langsamer Setzung im Millimeterbereich bis zu schneller Verschiebung im Meterbereich, und wir wählen den Ansatz oder die Kombination von Ansätzen, die zum Standort und zur jeweiligen Fragestellung passt.

Die folgenden Methoden umfassen die klassische differentielle Interferometrie, das Speckle-Offset-Tracking (Pixel-Offset) für große Verschiebungen, mit PSI, SBAS und mehrdimensionalem MSBAS erstellte Deformations-Zeitreihen sowie die Satelliten-Radardaten, die sie alle speisen - vom historischen Archiv der frühen 1990er-Jahre bis zu den heutigen Sentinel-1- und hochauflösenden kommerziellen Sensoren. Diese Methoden bilden die Grundlage unserer Leistungen zur Überwachung der Bodenverformung - von der Deformation durch Lagerstätten und Injektion bis zur Kartierung von Hangbewegung und Senkung -, wurden auf nationaler Ebene angewendet, um aus großen Sentinel-1-Archiven großflächige Deformationsmosaike zu erstellen, und geben zu jeder gemessenen Rate einen Standardfehler an.

Differentielles InSAR (DInSAR) vergleicht die Phase zweier zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommener Radarbilder, um die dazwischen aufgetretene Bodenbewegung zu kartieren. Ein einzelnes Interferogramm kann ein Deformationsmuster über eine gesamte Szene mit Zentimeter- bis Millimeter-Empfindlichkeit sichtbar machen. Es ist die Grundlage aller weiteren hier genannten Methoden und eignet sich gut zur Kartierung einzelner Ereignisse wie eines Erdbebens, einer plötzlichen Senkung oder einer vulkanischen Hebung.

DInSAR misst Bewegung entlang der Sichtlinie des Satelliten und beruht auf der Phasenabwicklung, die nur bei kleiner bis mäßiger Deformation zuverlässig ist. Wo die Oberfläche zwischen den Überflügen kohärent bleibt, liefert es die höchste Genauigkeit aller dieser Verfahren.

Wenn die Bewegung zu groß oder zu schnell ist, um die Phase zuverlässig abzuwickeln, verfolgen wir stattdessen die Verschiebung von Bildmerkmalen zwischen den Aufnahmen. Das Pixel-Offset-Tracking misst Bewegung sowohl in Entfernungs- als auch in Azimutrichtung und kann Verschiebungen von mehreren Metern verfolgen, etwa schnell bewegte Hangrutschungen, Gletscher oder den Boden über einem aktiven Bergwerk, wo die klassische Interferometrie die Kohärenz verliert.

Da das Speckle-Offset-Tracking keine Phasenabwicklung erfordert, erfasst es Bewegung, die DInSAR nicht erfassen kann, einschließlich der Bewegung entlang der Flugrichtung des Satelliten (Azimut). Seine Genauigkeit ist geringer als die von DInSAR und hängt von der räumlichen Auflösung der Radardaten ab, weshalb beide oft zusammen eingesetzt werden.

Eine Deformations-Zeitreihe verwandelt einen Stapel einzelner Radarmessungen in eine durchgehende Historie, wie sich jeder Punkt am Boden bewegt hat. Statt eines einzelnen Vorher-Nachher-Paares werden Dutzende bis Hunderte von Aufnahmen gemeinsam invertiert, um die Deformationsrate zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zu schätzen, die dann für jeden Pixel zu einer kumulativen Verschiebungsaufzeichnung aufsummiert wird. Das Ergebnis zeigt nicht nur, wie weit sich der Boden bewegt hat, sondern auch, wie sich die Bewegung entwickelt hat - wo sie beschleunigt, sich verlangsamt oder umkehrt.

Da reale Radardaten nur teilweise kohärent sind, wird die Inversion regularisiert, und eine pixelweise Qualitätsprüfung (Rang) entfernt Punkte, an denen zu wenige zuverlässige Messungen vorliegen, sodass die Zeitreihe Bewegung nur dort ausweist, wo ihr vertraut werden kann. Die zeitliche Abtastung lässt sich anpassen, etwa auf jährliche oder saisonale Raten, um die räumliche Abdeckung zu erweitern, die Verarbeitung zu verkürzen oder saisonale Signale deutlicher zu machen. PSI, SBAS und MSBAS sind allesamt Zeitreihenmethoden, die auf diesem Prinzip beruhen.

PSI verfolgt ein Netz stabiler, stark reflektierender Punkte wie Gebäude, Felsvorsprünge und Infrastruktur durch einen langen Stapel von Radarbildern. Durch die Isolierung dieser persistenten Streuer erreicht es eine sehr hohe Genauigkeit an einzelnen Zielen und eignet sich ideal zur Überwachung von Bauwerken, städtischer Senkung und Infrastruktur über viele Jahre.

SBAS erstellt eine Deformations-Zeitreihe aus vielen Interferogrammen, die zwischen Bildpaaren mit geringem zeitlichem und räumlichem Abstand gebildet werden. Dies erhält die Kohärenz über natürlichem, nicht städtischem Gelände und erzeugt räumlich durchgehende Bewegungskarten, wodurch es sich gut für großflächige Bodensenkung, Hangrutschungen und langsame regionale Deformation eignet.

MSBAS kombiniert Deformationsmessungen aus zwei oder mehr Satellitenbahnen, typischerweise aufsteigenden und absteigenden Orbits, und kann sowohl DInSAR-Interferogramme als auch Speckle-Offset-Daten (Entfernung und Azimut) gemeinsam nutzen. Da jede Bahn und jede Messrichtung den Boden anders sieht, gewinnt ihre gemeinsame Inversion die tatsächliche Bewegungsrichtung zurück statt nur die Bewegung entlang einer einzelnen Sichtlinie. Je nachdem, wie viele Blickgeometrien und welche Art von Eingangsdaten verfügbar sind, erzeugt MSBAS ein-, zwei-, drei- oder vierdimensionale Deformations-Zeitreihen, optional eingeschränkt durch die Oberflächentopografie.

Kombiniert überlappende Datensätze mit ähnlicher Blickgeometrie zu einer dicht abgetasteten, eindimensionalen Zeitreihe entlang der Sichtlinie des Radars. Dies erhöht die Häufigkeit, mit der der Boden gemessen wird, und erweitert die Aufzeichnung weiter in die Vergangenheit.

Kombiniert aufsteigende und absteigende Daten, um die Bewegung in vertikale und horizontale Ost-West-Komponenten zu trennen. Es setzt eine vernachlässigbare Nord-Süd-Bewegung voraus - eine gute Näherung für viele Senkungs- und Hebungssituationen - und ist die am weitesten verbreitete Form für Grundwasser-, Bergbau- und vulkanische Deformation.

Wenn den aufsteigenden und absteigenden Daten Azimut-Offset-Messungen hinzugefügt werden, löst MSBAS das vollständige dreidimensionale Verschiebungsfeld auf - Nord, Ost und vertikal -, ohne anzunehmen, dass eine Richtung null ist. Dies liefert ein vollständiges, uneingeschränktes Bild davon, wie sich die Oberfläche tatsächlich bewegt.

Eine topografisch eingeschränkte dreidimensionale Lösung, die annimmt, dass sich die Oberfläche parallel zum Gelände bewegt, und ein digitales Höhenmodell nutzt, um die Komponenten in Beziehung zu setzen. Dies gewinnt die vollständige 3D-Bewegung aus weniger Blickgeometrien zurück und eignet sich gut für langsame, tiefgründige Hangrutschungen und Gletscherfließen, bei denen sich Material entlang der Bodenoberfläche bewegt.

Eine verwandte eingeschränkte Lösung, bei der angenommen wird, dass die horizontale Bewegung der aus dem Höhenmodell entnommenen Hangabwärts-Expositionsrichtung folgt. Wie die oberflächenparallele Form löst sie die dreidimensionale Verschiebung tiefgründiger Hangrutschungen aus begrenzten Daten auf, indem sie die Fließrichtung mit dem lokalen Hang einschränkt.

Löst Nord, Ost und zwei getrennte vertikale Teilkomponenten auf, trennt zwei überlagerte vertikale Prozesse - etwa einen langfristigen Trend und ein saisonales oder transientes Signal - und erweitert das Ergebnis über die Zeit. Diese vierdimensionale Aufzeichnung zeigt, wie sich jeder Teil des vollständigen Verschiebungsfeldes über den Überwachungszeitraum entwickelt.

Jedes Ergebnis hängt von den dahinterstehenden Radardaten ab. Wir arbeiten mit dem gesamten Archiv ziviler Radar-Satelliten mit synthetischer Apertur (SAR) und verbinden eine tiefe historische Aufzeichnung mit den neuesten hochfrequenten und hochauflösenden Sensoren.

Weltraumgestütztes SAR, das für die Interferometrie geeignet ist, reicht bis in die frühen 1990er-Jahre zurück - über ERS-1 und ERS-2, Envisat, JERS-1 und ALOS PALSAR. Dieses Archiv erlaubt es uns, Bodenbewegung zu rekonstruieren, die Jahre oder Jahrzehnte vor Beginn eines Projekts auftrat, und eine historische Basislinie für Standorte festzulegen, die nie instrumentiert wurden - oft die einzige Möglichkeit, zu verstehen, wie sich ein Hang, ein Grundwasserleiter oder ein Bergwerk langfristig verhalten hat.

Die meiste aktuelle Überwachung nutzt Sentinel-1, die europäische Copernicus-C-Band-Mission, die weite Flächen alle paar Tage abbildet und offen und frei verfügbar ist - das Arbeitspferd der großflächigen Überwachung. Für feine Details verwenden wir das X-Band des deutschen TerraSAR-X und des italienischen COSMO-SkyMed, das einzelne Bauwerke bis auf etwa einen Meter auflöst, und wir greifen auf das L-Band des japanischen ALOS-2 zurück, wobei wir C-Band, X-Band oder L-Band und die aufsteigenden und absteigenden Geometrien wählen, die jeder Standort benötigt. Das langwelligere L-Band wie das von ALOS-2 hält die Kohärenz über Vegetation, wo kürzere Wellenlängen dekorrelieren, was über bewaldetem und nördlichem Gelände entscheidend ist.

Es gibt einen Zielkonflikt zwischen Abdeckung, Auflösung und Kosten. Sentinel-1 ist kostenlos, großflächig und mittelauflösend; kommerzielle hochauflösende Sensoren wie TerraSAR-X lösen feine Details an einzelnen Bauwerken auf, sind aber teuer und decken kleinere Flächen ab. Unsere Standardstrategie besteht darin, mit kostenlosen Sentinel-1-Daten zu beginnen, um den gesamten Standort zu sichten, die historische Basislinie aufzubauen und zu lokalisieren, wo sich der Boden bewegt, und erst dann höher auflösende kommerzielle Daten dort zu beauftragen, wo feinere Details oder Genauigkeit gerechtfertigt sind.

Die Verarbeitung dieser großen Radarstapel ist rechenintensiv: Hunderte von Bildern werden Pixel für Pixel invertiert, weshalb unsere Software parallelisiert ist, um auf Rechenclustern mit mehreren Knoten zu laufen. Genau das macht die großflächige, mehrjährige Überwachung eines gesamten Standorts praktikabel.

In der Praxis kombinieren wir oft mehrere dieser Verfahren: eine PSI- oder SBAS-Zeitreihe für den langfristigen Trend, Offset-Tracking, wo die Bewegung groß ist, und MSBAS, um durch Zusammenführen mehrerer Satelliten die Richtung aufzulösen. Die richtige Kombination hängt von der Geschwindigkeit und dem Ausmaß der Bewegung, von der Landbedeckung und davon ab, wie die Ergebnisse genutzt werden. Unsere Verarbeitungsmethoden beruhen auf begutachteter Forschung, die in internationalen Fernerkundungszeitschriften veröffentlicht wurde.

Was ist InSAR?

InSAR (interferometrisches Radar mit synthetischer Apertur) misst Bodenbewegung aus dem Weltraum, indem es die Phase wiederholter Satelliten-Radarbilder vergleicht, und kartiert Deformation über weite Flächen mit Millimeter- bis Zentimetergenauigkeit ohne jedes Instrument am Boden.

Was ist der Unterschied zwischen DInSAR und Offset-Tracking?

DInSAR misst kleine bis mäßige Bewegung durch Vergleich der Radarphase sehr genau, benötigt aber eine Phasenabwicklung. Das Pixel-Offset-Tracking (Speckle) misst viel größere, schnellere Bewegung - Verschiebungen von mehreren Metern -, indem es Bildmerkmale ohne Abwicklung verfolgt, bei geringerer Genauigkeit. MSBAS kann beide kombinieren.

Was ist der Unterschied zwischen PSI und SBAS?

PSI verfolgt ein Netz stabiler, stark reflektierender Punkte mit sehr hoher Genauigkeit und funktioniert am besten in bebauten Gebieten, während SBAS räumlich durchgehende Karten erzeugt und die Kohärenz über natürlichem Gelände erhält. Viele Projekte nutzen beide.

Was bietet MSBAS gegenüber Standard-InSAR?

Ein einzelnes Radarbild misst Bewegung nur entlang der Sichtlinie des Satelliten. MSBAS kombiniert mehrere Blickgeometrien, um vertikale, Ost-West- und Nord-Süd-Bewegung zu gewinnen, und kann dies als vierdimensionale Aufzeichnung über die Zeit erweitern.

Welche Satelliten nutzen Sie?

Wir nutzen in erster Linie Sentinel-1, das kostenlos ist und weite Flächen alle paar Tage abdeckt, zusammen mit hochauflösenden kommerziellen Sensoren wie TerraSAR-X, wenn feine Details erforderlich sind. Wir greifen außerdem auf das historische SAR-Archiv bis zurück in die 1990er-Jahre (ERS, Envisat, JERS, ALOS) zurück, um vergangene Bewegung zu rekonstruieren.

Können Sie Deformation messen, die in der Vergangenheit aufgetreten ist?

Ja. Das Satelliten-Radararchiv reicht bis in die frühen 1990er-Jahre zurück, sodass wir oft Jahre oder Jahrzehnte vergangener Bodenbewegung an einem Standort rekonstruieren können, selbst dort, wo nie Instrumente installiert wurden.