Titelmaster. Geodätische Woche. 3-D Phase Unwrapping Algorithmen zur Lösung der Phasenmehrdeutigkeiten in D-InSAR Stapeln

Transkript

1 Titelmaster Geodätische Woche 3-D Phase Unwrapping Algorithmen zur Lösung der Phasenmehrdeutigkeiten in D-InSAR Stapeln Sebastian Walzog, Ina Loth, Lutz Roese-Koerner, Wolf-Dieter Schuh Institut für Geodäsie und Geoinformation Professur für Theoretische Geodäsie Universität Bonn 07. Oktober 2014

2 Inhalt Motivation Phase Unwrapping 2 Edgelist-Algorithmus Anwendung des Verfahrens Fazit & Ausblick

3 Motivation Nutzung von SAR-Aufnahmen Bestimmung von Deformationen Differentielles InSAR Kohleabbau Rutschhänge Stapel von InSAR-Szenen Fabio Rocca (2007) 3 Nutzung eines D-InSAR Stapels Stapel mit N Szenen Auswertung von Zeitreihen Zusätzliche Dimension der Zeit 1 2 N Ziel: Lösung der Phasenmehrdeutigkeiten (Phase Unwrapping) Unter Verwendung aller Aufnahmen (3-D Verfahren) Verbesserung der Abwicklung

4 Phase Unwrapping Bestimmung der Phasenmehrdeutigkeiten Genauigkeit der SAR-Produkte davon abhängig ψ = φ 2π k, k Z ψ mehrdeutige Phase φ absolute Phase k besitzt unendlich viele Lösungsmöglichkeiten Ganzzahlige lineare Optimierung ist NP-schwierig Ohne Mehrdeutigkeiten Phasengradienten nur integrieren 4

5 Gliederung der Lösungsalgorithmen Lösungsverfahren: In den letzten Jahren haben sich viele Verfahren entwickelt 2-D Abwicklung für ein Interferogramm (Azimuth, Range) 3-D Abwicklung mehrerer Szenen (Stack) in einem Schritt n-d Zusätzliche Dimensionen (z.b. unterschiedliche Frequenzen) 5

6 Edgelist - Algorithmus Edgelist Algorithmus von Shanker und Zebker (2010): L 1 -Norm Minimum Cost Flow (MCF) Kanten einer Delaunay Triangulation als Bedingungen Zusatzbedingungen durch unabhängige Messungen Erzeugung eines Graphen G: PSI-Punkte zu jedem Zeitpunkt bilden Knoten ( V = N) Verbindungen bilden Kanten ( E = M) G (V, E) 6 PSI-Punkt Zeit räumliche Kanten zeitliche Kanten

7 Abbildung auf ein MCF Minimierung der Residuen zwischen φ und ψ Restriktionen k i k j + x ij + x ij = ψ ij 2π, i, j E Unwrapped-Phase φ Wrapped-Phase ψ Zielfunktion min (i,j) E c ij (x ij + x ij ) 7 Variablendefinition k i N 0 x ij ± u ij N [k i ] [k j ] i (u ij, c ij ) x ij j

8 Anwendung auf Realdaten 32 D-InSAR (6) Aufnahmen der Niederrheinischen Bucht im Zeitraum von (Multilook 80) Als Stapel angeordnet Stack Punkte mit zeitlich stabilen Rückstreueigenschaften PSI-Punkte 8 Amplitudenbild Kohärenzbild

9 Ergebnisse für Ausschnitt Köln Vergleich der Lösung des Edgelist-Algorithmus mit iterativem 2-D MCF einer Toolbox aus Graz (RSG) Ausschnitt Köln Ergebnis Edgelist-Algorithmus Ergebnis 2-D iterativ Azimuth [pel] Azimuth [pel] Range [pel] [rad] Range [pel] [rad]

10 Differenz zwischen Lösungsverfahren Azimuth [pel] Im Außenbereich zusammenhängende Cluster Im inneren der Stadt Vereinzelte Ausreißer 10 Range [pel] [rad] Insgesamt gutes Ergebnis Unterschiede durch verschiedene Kostenfunktionen Restliche Rauschanteile und geringe Punktdichte im Außenbereich

11 Ergebnisse Tagebau Ergebnisse für Ausschnitt des Tagebaus Deutlich weniger stabile Punkte als für Köln Ergebnis Edgelist-Algorithmus Ergebnis 2-D iterativ Azimuth [pel] Range [pel] [rad] Range [pel] [rad]

12 Darstellung in Google Earth 12

13 Zusammenfassung / Ausblick Zusammenfassung: Edgelist-Algorithmus liefert ähnliche Ergebnisse wie 2D-Verfahren Lokale Veränderungen können Ergebnis beeinflussen Zusatzbeobachtungen können hinzugefügt werden Lange Berechnungszeiten und hoher Speicherbedarf Restanteile der Topographie können besser bestimmt werden 13 Ausblick: Verbesserung der zeitlichen Kostenfunktionen Zusätzliche Nutzung der räumlichen Kanten Optimierung der Rechenzeit Verwendung von Crossover-Verfahren Anwendungen im SBAS-Verfahren Lokale Unterschiede könnten Verbesserung bringen

14 Titelmaster Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

15 Literatur 1. Chen C. W. and Zebker H. A. (2000) Network approaches to two-dimensional phase unwrapping: intractability and two new algorithms: Journal of the Optical Society of America A, vol. 17, pp Costantini M. (1998) A novel phase unwrapping method based on network programing: IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 36, no. 3, pp , May Ferretti A., Prati C. and Rocca F. (2001) Permanent scatterers in SAR interferometry: IEEE Trans. Geosci. and Remote Sens., 39(1): Rocca F. (2007) DINSAR: Differential SAR Interferometry: Advanced Training Course on Land Remote Sensing, ESA. 5. Shanker A. P. and Zebker H. (2009): Edgelist Phase Unwrapping Algorithm for Time series InSAR Analysis, Departments of Electrical Engineering and Geophysics, Stanford University. 6. Shanker A.P. (2010) Persistent Scatterer Interferometry in Natural Terrain: Dissertation. Stanford University.