Radarinterferometrische Erfassung von Höhenänderungen im Bereich aktiver Braunkohletagebaue im Südraum Leipzig

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1 Dipl.-Geol. Michael Schäfer 1 Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch 1 Dipl.-Ing. Diana Walter 1 Dr.-Ing. Christian Fischer 2 AdM Dipl.-Ing. Oliver Lohsträter 3 Deutscher Markscheider-Verein e.v. 45. Wissenschaftliche Tagung 2007 Leipzig, September 2007 Radarinterferometrische Erfassung von Höhenänderungen im Bereich aktiver Braunkohletagebaue im Südraum Leipzig 1 Technische Universität Clausthal, Institut für Geotechnik und Markscheidewesen Abt. Markscheidewesen und Geoinformation, 2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, Dt. Fernerkundungsdatenzentrum 3 MIBRAG (Mitteldeutsche Braunkohlen Gesellschaft mbh), Abt. Markscheidewesen

2 Einführung Vorstellung von Ergebnissen des AiF-Vorhabens / N - Titel: Erfassung von Vertikalbewegungen an der Tagesoberfläche durch differentiellinterferometrische Auswertungen multitemporaler SAR-Daten - Gefördert aus Haushaltsmitteln des BMWi über die AiF Otto von Guericke e.v. Ziel (u.a.): Erfassung von Höhenänderungen mit satellitengestützter differentieller Radarinterferometrie (DInSAR) und Vergleich mit Referenzdaten (v.a. Nivellement) Untersuchungsgebiet: Braunkohlerevier im Südraum von Leipzig - Zwei aktive Tagebaue Profen und Vereinigtes Schleenhain (MIBRAG mbh) - Diverse Tagebaurestlöcher (LMBV mbh) Quelle: Tagebau Profen Tagebau Vereinigtes Schleenhain Senkungen durch (veränderten) Grundwasserentzug und Hebungen durch den Grundwasser-Wiederanstieg in direkter Nachbarschaft 1/14

3 Referenzdaten SRTM-Höhenmodell (für Randbereiche) Viele Daten durch MIBRAG bereitgestellt: Digitale Höhenmodelle (TINs), Luftbilder, topografische Karten Nivellementdaten - Reviernivellement, gemeinsam von LMBV und MIBRAG gemessen im zweijährigen Rhythmus - Nur 1 Reviernivellement innerhalb der Projektlaufzeit (2005) - Verdichtungsmessungen auf zwei Teilstrecken à 13 & 16 km zu drei Zeitpunkten (Referenz: Reviernivellement 2005) Trianguliertes Höhennetz (TIN) Reviernivellement von LMBV und MIBRAG 2/14

4 Beispiel für Verdichtungsmessung Nur Hebungen Bereits im ersten Zeitraum (7 Monate) ca. 5-6 mm Hebung undifferenzierbare Bewegungen im 2. Zeitraum (5 Monate) Im 3. Zeitraum (10 Monate) erneute Hebung um 4-5 mm im Bereich km (wahrscheinlich lokal begrenzte Ursache) Maximale Hebung: 10 mm Westliche Verdichtungsmessung 3/14

5 Differentielle Radar-Interferometrie (DInSAR) Aktives Fernerkundungsverfahren - Unabhängig von Tageszeit, Beleuchtung - ± unabhängig von Atmosphäre (Wolken, Niederschlag) Keine Laufzeitmessung, nur Phase zufällig! 1λ = 2π = 5.6 cm (C-Band) 4/14

6 Differentielle Radar-Interferometrie (DInSAR) Aktives Fernerkundungsverfahren - Unabhängig von Tageszeit, Beleuchtung - ± unabhängig von Atmosphäre (Wolken, Niederschlag) Keine Laufzeitmessung, nur Phase zufällig! Bodenbewegungen durch differentielle Interferometrie: - Vergleich von zwei (zeitlich) unterschiedlichen Aufnahmen - Leicht unterschiedliche Beobachtungsgeometrie (Basislinie) - Korrektur um Topographie ( differentiell!) Gemessene Phasendifferenz im Bereich [-π.. +π] 0 Senkung Hebung +π -π Basislinie 4/14

7 Differentielle Radar-Interferometrie (DInSAR) Aktives Fernerkundungsverfahren - Unabhängig von Tageszeit, Beleuchtung - ± unabhängig von Atmosphäre (Wolken, Niederschlag) Keine Laufzeitmessung, nur Phase zufällig! Bodenbewegungen durch differentielle Interferometrie: - Vergleich von zwei (zeitlich) unterschiedlichen Aufnahmen - Leicht unterschiedliche Beobachtungsgeometrie (Basislinie) - Korrektur um Topographie ( differentiell!) Gemessene Phasendifferenz im Bereich [-π.. +π] In der Regel mehrere Objekte pro Auflösungszelle (ca. 20 m bei ENVISAT) - Punkthafte und flächenhafte Rückstreuer Völlig anderes Messverfahren als z.b. ein Nivellement mit vermarkten Messpunkten! A u f l ö s u n g s z e l l e 1 A u f l ö s u n g s z e l l e 2 4/14

8 km Leipzig Typische Probleme bei DInSAR Änderungen der Oberfläche zwischen zwei Zeitpunkten (Vegetation, Äcker, Tagebaue,...) - Dekorrelation durch zu große zeitliche Abstände Aufnahmegeometrie - Dekorrelation durch zu große Basislinien Atmosphärische Einflüsse - Laufzeitverlängerung der Radarstrahlung bei zweimaliger Durchdringung der Atmosphäre (z.b. durch Wasserdampf) Peres SchleenSchleenhain hain Profen < Senkung Hebung > Differentielles Interferogramm (70 Tage) Prozessierungsbedingte Probleme, z.b. bei - Koregistrierung der Szenen - Räumliche Filterung der Phasenwerte (Reduzierung des Speckle-Effekts) - Phasen-Abwicklung (engl. Phase Unwrapping, Lösung von Mehrdeutigkeiten der Phasenwerte) Ziel: Weitesgehende Automatisierung der Aus- wertungen Reproduzierbarkeit d. Ergebnisse! 45. Wissenschaftliche Tagung 2007 des Deutschen Markscheider-Vereins e.v. Beispiel für atmosphärische Phasenverschiebung Leipzig, 15. September 2007 Institut für Geotechnik und Markscheidewesen 0 5/14

9 km Leipzig Typische Probleme bei DInSAR Leipzig Leipzig Änderungen der Oberfläche zwischen zwei Zeitpunkten (Vegetation, Äcker, Tagebaue,...) km - Dekorrelation durch zu große zeitliche Abstände Aufnahmegeometrie - Dekorrelation durch zu große Basislinien Atmosphärische Einflüsse - Laufzeitverlängerung der Radarstrahlung bei zweimaliger Durchdringung der Peres Peres Atmosphäre (z.b. durch Wasserdampf) Peres SchleenSchleenhain hain Profen Hebung > < Senkung Differentielles Interferogramm (70 Tage) Prozessierungsbedingte Probleme, z.b. bei SchleenSchleen- Koregistrierung der Szenen Profen Profen hain hain - Räumliche Filterung der Phasenwerte (Reduzierung des Speckle-Effekts) - Phasen-Abwicklung (engl. Phase Unwrapping, Lösung von Mehrdeutigkeiten derhebung Phasenwerte) > < Senkung Differentielles Interferogrammder ( ) Ziel: Weitesgehende Automatisierung Aus- wertungen Reproduzierbarkeit d. Ergebnisse! 45. Wissenschaftliche Tagung 2007 des Deutschen Markscheider-Vereins e.v. Beispiel für atmosphärische Phasenverschiebung Leipzig, 15. September 2007 Institut für Geotechnik und Markscheidewesen 0 5/14

10 Verbesserung der DInSAR-Ergebnisse durch Stapelung Eigenentwickeltes Verfahren: Stapelung erfolgt durch Aufsummieren (und zum Teil auch Subtrahieren) von vielen differentiellen Interferogrammen zur Berechnung der relativen Bodenbewegung zu jedem Zeitpunkt - Verwendung möglichst idealer Interferogramm-Kombinationen (unter individueller Berücksichtigung von Basislinien, Zeitabständen, Kohärenz) Aussagemöglichkeit über große Zeitabstände (obwohl aufgrund von Dekorrelation kein Interferogramm mit dieser Zeitdifferenz möglich wäre) Vorraussetzungen: - Korrektur der Daten um Phasen-Verschiebungen (v.a. Atmosphäre, Orbitfehler) - Korrekte Phasen-Abwicklung (Phase Unwrapping) der Daten Momentan noch großer manueller Bearbeitungsaufwand und Erfahrung des Auswerters nötig Ziel: Möglichst automatisierte Verwendung aller möglichen Interferogramm- Kombinationen (gewichtet) zwischen allen verfügbaren Szenen 6/14

11 Ergebnis der Stapelung Ausschnitt von ca. 40 * 40 km Dargestellt werden drei Zeitpunkte, Referenzzeitpunkt: Gesamte Zeitspanne: 20 Monate Kohärenzverluste mit der Zeit Zeitpunkt 1: 3: 2: (Referenzzeitpunkt ) Zeitdifferenz: Monate Vergrößerung Tgb. Profen -2 cm 0 +2 cm 7/14

12 Andere Darstellungsmöglichkeiten des DInSAR-Stapels mit der Software ITT ENVI (Beispiele) Jeder Zeitpunkt des Stapels einzeln als Bild (farbkodiert) Zeit-Bewegungs-Diagramme für einen Pixel / einen Bereich von Pixeln Beliebige Höhenänderungs-Profile für einen oder mehrere Zeitpunkte Höhenänderung (cm) Höhenänderung (cm) N Zeit ( * 35 Tage ) S - 12/ / /2007 8/14

13 Vergleich der zwei Messverfahren Probleme beim Vergleich Der Vergleich wird verunsichert durch leicht unterschiedliche Zeitpunkte (bei beiden Szenen!) - Bis zu 2 * 17 Tage Zeitdifferenz, evtl. auch mehr bei einem Ausfall von einer oder mehreren Szenen möglich (alle 35 Tage ein Überflug) Zwei völlig verschiedene Messverfahren - Nivellement: Punkthaft, vermarkte Festpunkte - DInSAR: Flächenhaftes Messverfahren, mehrere Objekte pro Pixel Die Phasenwerte der Radardaten besitzen eine relativ hohe räumliche Streuung (Stichwort Speckle Effekt ) - Reduzierung durch Filterung. Je nach Verfahren, Parameter (vor allem Filtergröße) ändern sich die so erzeugten Phasenwerte ± stark - Problem der Extraktion eines Punktes aus einem Raster Gebietsspezifische Aspekte: Geringe Höhenänderungen / -sraten, kaum konstante Bewegungstrends über längere Zeiträume hinweg 9/14

14 Vergleichende Darstellung im Streudiagramm (Scatter Plot) Gegenüberstellung der mit den zwei Messverfahren ermittelten Höhenänderungen an den Nivellementpunkten beider Verdichtungslinien (West und Ost, insgesamt 62 unabhängige Messungen) Zeiträume: 03/ /2005 (violett) 06/ /2005 (orange) 12/ /2005 (grün) Die absoluten Höhenänderungen sind klein DInSAR-Stapel [mm] Nivellement [mm] Visuell betrachtet scheinbar geringe Korrelation der Verfahren 10/14

15 Vergleich aller Zeitpunkte (beide Verdichtungslinien) Dargestellt ist die Häufigkeitsverteilung aller Differenzen zwischen den nivellitisch und mittels DInSAR bestimmten Höhenänderungen, für alle drei Zeitdifferenzen zusammengefasst Insgesamt 62 unabhängige Messungen Für die im Histogramm dargestellten Differenzen ergibt sich ein - Mittelwert von nahezu Null Millimeter, bei einer - Standardabweichung von 3 Millimetern Maximale betragsmäßige Abweichung zwischen den Messwerten: 7,4 mm 11/14

16 Zusammenfassung Die Radarinterferometrie konnte erfolgreich im Untersuchungsgebiet angewendet werden (wenn auch nicht flächendeckend) Nicht jede Radar-Szene erlaubt eine Aussage, eine hohe Anzahl an Szenen verbessert die Aussagefähigkeit und Zuverlässigkeit der Methode Das eigenentwickelte Stapelungsverfahren in Verbindung mit den Korrekturverfahren erlaubt Aussagen über sehr große Zeitdifferenzen Der Vergleich mit Referenzdaten hat ergeben: Nimmt man die nivellitisch bestimmten Höhenänderungen als fehlerfrei an ( wahre Werte), kann die aus einer Stichprobe von 62 Messungen abgeleitete Standardabweichung von 3 mm als Genauigkeit der mit Hilfe des hier vorgestellten DInSAR-Auswerteverfahrens ermittelten Höhenänderungen interpretiert werden 12/14

17 Ausblick Ein Vergleich mit den großen Reviernivellements 2005 und 2007 wird erst Anfang 2008 stattfinden können - Statistische Auswertung einer größeren Anzahl an Nivellement-Punkten Nachfolgevorhaben wird bei der AiF / MV DEBRIV (FDBI) beantragt. Als Ziele dieses Vorhabens sind beabsichtigt: - Flächenhafte Erfassung von Höhenänderungen im Sinne eines Monitorings - Multisensorale Auswertung (TerraSAR-X, ALOS und ENVISAT) - Anwendung von Persistent Scatterer Verfahren (Punktstreuer) - Beobachtung kleinräumiger bergschadensrelevanter Objekte (Gebäude, Straßen,...) - Korrelation mit Grundwasser-Spiegelhöhen v.a. im Bereich aktiver Tagebaue - Verbesserung der DInSAR-Auswerteverfahren und weitere Automatisierung - Weitere Untersuchungen zur Genauigkeit der Radarinterferometrie Weitere Schritte zur Etablierung der satellitengestützten Radarinterferometrie als (ergänzendes) Messverfahren 13/14

18 Projekt-Homepage: V i e l e n D a n k f ü r I h r e A u f m e r k s a m k e i t! Dipl.-Geol. Michael Schäfer Dipl.-Ing. Diana Walter Univ.-Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Busch TU Clausthal Institut f. Geotechnik u. Markscheidewesen Abt. Markscheidewesen u. Geoinformation michael.schaefer@tu-clausthal.de diana.walter@tu-clausthal.de wolfgang.busch@tu-clausthal.de Dr.-Ing. Christian Fischer DLR, Dt. Fernerkundungsdatenzentrum c.fischer@dlr.de AdM Dipl.-Ing. Oliver Lohsträter MIBRAG mbh, Abt. Markscheidewesen lohstraeter_oliver@mail.mibrag.de 14/14