Einflüsse geometrischer Radar-Aufnahmekonstellationen auf die Qualität der kombinativ berechneten Bodenbewegungskomponenten

Yin, Xiaoxuan GND

Radar interferometric remote sensing applications, such as the satellite-based PSI, with their potential areal sweep and their quasi-continuous data recording, proved to be reliable for ground movement detection, especially due to their high accuracy (sub-centimeter range). However, the resulting one-dimensional side-looking line of sight (LoS) measurements require further analysis in order to derive three dimensional ground movement components. One of these methods for analysis is here the utilization of decomposition of the movement vectors, by combining cross-heading tracks (Ascending and Descending) in order to differentiate vertical (surface subsidence) and lateral (east-west-movement) displacement. Hereby, as an important assumption, the lateral displacement in north-south direction has to be considered insignificant. Therefore, all measurement uncertainties have to be quantified in order for this approach to be valid for ground movement detection. Consequently, this work investigated and evaluated the quality of ground movement components calculated by decomposition of exactly two cross-heading PSI-LoS-datasets for their systematic deviation and statistical uncertainty. These quality parameters were derived theoretically and were quantified in an example case. Additionally, and as a comparison, similar evaluations were performed for a single LoS-dataset and for the decomposition utilizing two parallel LoS-datasets in order to determine surface subsidence. Hence, resulting from the theoretical point of view, the systematic deviations for the ground movement components calculated from the decomposition of two cross-heading datasets can be expressed by the multiplication of the constellation depended ε-factor and the true north-south-movement. By calculating these ε-factors, which depend on the incidence angle and the azimuth of the looking direction of the respective constellation combination, it is possible to receive the order of magnitude of systematic deviations prior to performing the full decomposition. Note, this overview confirmed already that the potential systematic deviation for surface subsidence based on decomposition is significantly lower than for single LoS cases. Additionally, the systematic deviation for the decomposed east-west-movement based on the ε-factor’s magnitude tends towards zero, which means it is negligible for further considerations. In terms of decomposed components’ statistical uncertainties, it can be stated that they depend on the uncertainty of the used PSI-results and the respective constellation combination. Once the incidence angle is smaller than 45°, the east-west-movement’s statistical uncertainty will be larger than the surface subsidence one. Furthermore, decomposition using parallel tracks didn’t show an advantage for the reduction of systematic deviations compared to cross-heading, due to unbeneficial constellation combinations with a small difference in incidence angles, thereby retaining a high statistical uncertainty. Three European Sentinel-1A/B radar satellite’s datasets from three different tracks were used to test the two decomposition methods in the example case. A complete assessment of the systematic deviations could be derived by utilizing a ground movement model for the example case. The statistical uncertainties were determined via the trend polynomial, which confirmed qualitatively and quantitatively the theoretical conclusions for the example case. Resulting from this work, recommendations could be established for reaching optimal quality parameters based on the suitable constellation combination chosen in a respective case. The knowledge gathered in this work delivers an important contribution in respect to the application of quantitative decomposition of ground movement components and their quality.

Die Persistent Scatterer Inter¬fe¬ro¬me¬trie (PSI), ein radar¬¬inter¬ferometrisches Ver¬fah¬ren zur Auswertung satel¬¬litengestützter Radardaten, ermöglicht die Ableitung von Informationen über Bodenbewegungen mit Sub-Zentimeter¬ge¬nauigkeit, je¬doch nur als eindimensionale Größe in der schräg verlaufenden Blick¬rich¬¬tung des Satelliten (line of sight, LoS). Für die Bestimmung der an der Lotrichtung orien¬tierten drei¬¬dimen¬siona¬len Boden¬bewegungs¬kom¬ponenten sind deshalb meh¬rere solcher LoS-Bewegungsdaten aus unter¬schied¬lichen Blickrichtungen not¬wendig. Da Radarsatellitendaten vorrangig nur in zwei nahezu dia¬metral gegen¬¬überstehenden Blickrichtungen verfügbar sind, bietet sich für die prak¬ti¬sche An¬wen¬dung die kom¬bi¬na¬tive Be¬rechnung von Bodenbewegungs¬komponen¬ten mittels LoS-Datensätzen aus sich kreuzenden Tracks (z. B. Ascending- und Descending-Aufnahmen eines Sensors) an. Damit lassen sich Höhen¬än¬de¬run¬gen und die Horizontalbewegungen in der Ost-West-Richtung bestimmen, jedoch unter der Annahme, dass die horizontale Be¬we¬gungs¬kom¬po¬nen¬te in der Nord-Süd-Richtung nicht berücksichtigt wird. Das Ziel der vor¬¬lie¬gen¬den Arbeit war des¬halb die ausführliche Untersuchung und Be¬ur¬tei¬lung der Qualität dieser kom¬bi¬¬nativ berechneten Boden¬be¬we¬gungs¬kom¬po-nen¬ten, indem ihre annahme¬be¬ding¬ten systematischen Ab¬weichun¬gen und statistischen Un¬sicher-heiten durch theoretische Ab¬lei¬tun¬gen und anhand eines praktischen Fall¬beispiels quan¬ti¬fi¬ziert wur-den. Ergänzend und zum Vergleich er¬folg¬ten Untersuchungen von Er¬geb¬nis¬sen auf Basis der Einzelaufnahmegeometrie und der kom¬bi¬nativen Be¬¬rechnung mit parallelen Tracks zur Er¬mittlung von Höhenänderungen. Mit Hilfe der theoretischen Untersuchungen in dieser Arbeit lassen sich die sys¬tematischen Ab-weichun¬gen in den aus zwei sich kreuzenden Tracks kombinativ berechneten Bewegungskomponenten durch das Pro¬dukt der konstel¬la¬tions¬be¬dingten ε-Faktoren und der tatsächlichen Nord-Süd-Bewegung dar¬stel¬len. Durch die Be¬rech¬nung dieser von Einfallswinkel und Azimut der Blickrichtung der ver¬wendeten Kom¬¬bination ab¬hängigen ε-Faktoren ist eine erste Beurteilung der Größenordnung der sys¬tematischen Ab¬¬weichungen mög¬lich. Es zeigte sich, dass kombinativ berechnete Höhenänderungen im Gegen¬satz zur Ein¬zel¬auf¬nahme¬geo¬metrie deutlich geringere systematische Abweichungen auf¬weisen. Weiterhin konnte nachgewiesen wer¬den, dass die kombinativ berechnete Ost-West-Bewegungskomponente als frei von sys¬te¬matischen Ab¬weichun¬gen betrachtet werden kann, da die Größenordnung ihres ε-Faktors einen Wert von nahezu Null auf¬weist. Die statistischen Unsicherheiten der kom¬binativ berechneten Be¬we¬gungs¬¬kom¬po¬¬nenten sind ab¬hän¬gig von den Unsicherheiten der benutzten PSI-Ergebnisse und von der je¬¬weiligen Konstel¬lations¬geo-metrie. Bei Einfallswinkeln klei¬ner als 45° besitzt die ermittelte Ost-West-Be¬wegungskomponente eine höhe¬re statistische Un¬sicher¬heit als die Höhenänderung. Die Verwendung von zwei parallelen Tracks zur kom¬binativen Ableitung von Höhenänderungen hat sich gegenüber der kom¬bi¬nativen Berechnung mit zwei sich kreuzenden Tracks als weniger vorteilhaft erwiesen, da bei kleinen Ein¬falls¬win¬kel-differenzen keine Ver¬ringerung der systematischen Abweichung erfolgt, aber die sta¬tis¬tische Un-sicherheit zunimmt. Abschließend wurden am Beispiel von Datensätzen aus drei verschiedenen Tracks der europäischen Radar¬¬sa¬telliten Sentinel-1A/B die zwei Ansätze der kombinativen Berechnung erprobt. Eine Ab¬schät-zung der sys¬tematischen Ab¬weichungen konnte mithilfe eines vereinfachten Bodenbewegungsmodells für dieses Beispiel erfolgen, während die statistischen Unsicherheiten mittels einer Trend¬¬polynom¬bestimmung be¬stimmt wurden. Die Ergebnisse bestätigten qua¬li¬ta¬tiv und quantitativ die theoretisch ab¬ge¬leiteten Aussagen. An¬wendungs¬orien¬tierte Empfehlungen zur Verbesserung der Ergebnisqualität durch Nutzung einer ge¬eig¬ne¬ten Konstellationskombination runden die Arbeit ab. Die durch diese Ar¬beit ver¬tieften Kenntnisse liefern An¬wendern einen wichtigen Beitrag zur quan¬titativen Einschätzung über die Qualität der kombinativ be¬rech¬neten Boden¬be-wegungskomponenten.

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Yin, Xiaoxuan: Einflüsse geometrischer Radar-Aufnahmekonstellationen auf die Qualität der kombinativ berechneten Bodenbewegungskomponenten. 2020.

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