Inhalt

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Abbildungsverzeichnis   2

1  Einleitung  4

2  Theoretische Vorbetrachtung zur Radarfernerkundung mit SAR.  5

3  Die SAR-Interferometrie (InSAR bzw. IFSAR)  9

3.1  Interferometrisches Messprinzip  10

3.2  Die Interferometrische Kohärenz  16

3.2.1  Dekorrelationseffekte  16

3.2.2  Die Kohärenz-Schätzung.  20

4  Das globale digitale Höhenmodell der SRT-MMission  21

4.1  Aufbau des Meßsystems.  22

4.2  Auswertung der Daten.  23

5  Die Erstellung eines Digitalen Höhenmodells eines Vulkangebietes mit ERS-1/2-Tandem-  

Daten   24

6  Zusammenfassung  29

7  Literatur  30

Abbildungsverzeichnis   

Abbildung  1: SAR-Aufnahmegeometrie im Streifenmodus (Stripmap Mode)  6

Abbildung  2: Schematische Darstellung der SAR-Abbildung und -Verarbeitung eines  

Punktziels   7

Abbildung  3: SAR-Abbildungsgeometrie für 3 Punkte auf der Erdoberfläche  9

Abbildung  4: Abbildungsgeometrie bei der SAR-Interferometrie. a) Across-Track-  

Interferometrie,  b) Along-Track-Interferometrie (Moreira 2000:69)  10

Abbildung  5: Allgemeines Modell der Aufnahmegeometrie mittels zweier SAR-Antennen  

  (verändert nach WINTER 2003:17)  11

Abbildung  6: Abbildungsgeometrie eines SAR-Systems mit Across-Track-Interferometrie  

  (Moreira 2000:71)  12

Abbildung  7: Ablauf der interferometrischen SAR-Datenverarbeitung zur Bestimmung der  

Gel  ändehöhe (MOREIRA 2000:73)  13

Abbildung  8: Interferogramm des Vulkans Ätna, Sizilien (MOREIRA 2000:75)  15

Abbildung  9: Geländemodell des Ätna mit einer Höhengenauigkeit von ca. 4 m.  15

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Abbildung  10: Schematische Abbildung des Space-Shuttles mit den SAR-Antennen.  22

Abbildung  11: Aufnahmestreifen des SRTM/X-SAR-Interferometers (RABUS et al. 2003:247)  

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Abbildung  12: Hangneigungskarte der Insel Nisyros (PARCHARIDIS et al. 2002:202)  25

Abbildung  13: Kohärenzbild der Insel Nisyros (PARCHARIDIS et al. 2002:204)  26

Abbildung  14: Interferogramm der Insel Nisyros (PARCHARIDIS et al. 2002:204)  26

Abbildung  15: Aus den SAR-Daten erzeugtes DHM der Insel Nisyros  27

Abbildung  16: Histogramme des 20 m DHMs aus den topographischen Daten des Gebietes  

  (links) und des aus den SAR-Daten berechneten DHMs mit 20 m Pixelgröße (rechts) Die X-  

Achse  entspricht dem Höhenwert des Pixels, die Y-Achse der Anzahl der Pixel.  

  (PARCHARIDIS et al. 2002:207)  28

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1 Einleitung

Dreidimensionale Daten in Form von Digitalen Gelände- und Oberflächenmodellen haben in den letzten Jahren enorm an Bedeutung gewonnen. Gründe dafür sind zum einen die Entwicklung neuer Messverfahren, die es ermöglichen, diese Daten schnell, flächendeckend, relativ kostengünstig und mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Zum anderen steigt der Bedarf an diesen Daten, weil die dritte Dimension vielen Anwendungen weitere Möglichkeiten eröffnet. Genannt seien hier geologische und hydrologische Fragestellungen, Kartenerstellung, Telekommunikation, Flugplanung und Navigation. Die Radarfernerkundung bietet die Möglichkeit die Höheninformation der Erdoberfläche unabhängig von der Tageszeit und Witterung zu erfassen. Ein spezielles Verfahren, das hierzu entwickelt wurde ist das Interferometrische Synthetische Aperture Radar (InSAR bzw. IFSAR), welches sowohl in Flugzeugen als auch an Bord von Satelliten zum Einsatz kommt. Im Folgenden wird dieses Verfahren beschrieben und im Anschluss dargestellt, wie in der Praktischen Anwendung ein Digitales Höhenmodell erstellt wird.

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2 Theoretische Vorbetrachtung zur Radarfernerkundung

mit SAR

Bevor näher auf die Radarinterferometrie eingegangen wird, soll zunächst eine kurze Einführung in die Theorie des Konzepts des Synthetischen Apertur Radar (SAR) gegeben werden.

SAR-Systeme gehören zu den aktiven Radarsystemen, d. h. sie senden elektromagnetische Strahlung senkrecht zur Flugrichtung und schräg zur Nadirrichtung aus und empfangen die von Erdoberfläche reflektierten Mikrowellen einige Mikrosekunden später. Im Gegensatz zu passiven Fernerkundungssystemen besitzen sie also ihre eigene Beleuchtungsquelle, so dass die Abbildung unabhängig vom Tageslicht erfolgen kann. Darüber hinaus ist durch die Verwendung von Wellenlängen größer als 1 cm eine weitgehende Allwettertauglichkeit gewährleistet (HENSLEY et al. 2004:145).

Ein Seitensichtradar mit realer Apertur (SLAR: Side Looking Airborne Radar) wird bei konstanter Fluggeschwindigkeit betrieben. Die Antennenachse steht senkrecht zur Flugbahn. Die Auflösung in Entfernungsrichtung (Range) ergibt sich aus der Bandbreite bzw. der Pulslänge des Sendesignals. Die Auflösung in Flugrichtung (Azimut) wird durch die reale Antennenlänge bestimmt und verringert sich mit zunehmender Entfernung vom Sensor. Bei einem SLAR-System auf einem Satelliten mit einer Orbithöhe von 800 km, einer Azimutantennenlänge von 15 m und einer Wellenlänge von 5,6 cm (C-Band) beträgt die Azimutauflösung lediglich etwa 3 km. Somit sind SLAR-Systeme mit realer Apertur nur in geringen Höhen einsetzbar (KLAUSING & HOLPP 2000:213). Die Winkelauflösung θ a in Azimutrichtung einer realen Antenne mit einer Länge d a bei einer Wellenlänge λ kann wie folgt berechnet werden:

(2.1) θ a = λ / d a (ebd.:215).

Die Winkelauflösung kann also nur durch die Verwendung einer kürzeren Wellenlänge bzw. einer längeren Antenne verbessert werden. Die Wellenlänge lässt sich aber nicht beliebig verkleinern, zum Beispiel, weil mit zunehmender Frequenz die Atmosphärendämpfung steigt, und andererseits ist die maximale Antennengröße von der Ausdehnung des Trägers begrenzt. Durch die Verwendung einer synthetischen Apertur lässt sich die Winkelauflösung deutlich verbessern. Die Winkelauflösung θ sa der synthetischen Apertur ergibt sich wie folgt:

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(2.2) θ sa = λ / (2 ^. L sa ) , wobei

L sa die Länge der synthetischen Apertur darstellt (SÖRGEL 2003:16). Der Faktor 2 ergibt sich aus der unterschiedlichen Ansteuerung der Antennenelemente. Im Fall einer realen Apertur wird das Radarsignal von allen Elementen gleichzeitig ausgesendet, wodurch der Phasengradient des Empfangssignals nur auf dem Signalrückweg, d. h. vom Ziel zum Radar entsteht. Bei einem SAR-Sytem senden die einzelnen Antennenelemente getrennt nacheinander, so dass sowohl der Hinweg, als auch der gleich lange Rückweg des Radarsignals eingehen. Der Phasenunterschied zwischen Sende- und Empfangssignal sind deshalb bei der synthetischen Apertur doppelt so groß wie bei der realen Apertur (KLAUSING & HOLPP 2000:216).

Die maximale Länge der synthetischen Apertur (L sa ) entspricht der Strecke, die von der realen Antenne in Azimutrichtung beleuchtet wird, (siehe Abbildung 1) und ist das Produkt aus der Winkelauflösung der realen Apertur (θ a ) und der Entfernung zwischen Sensor und Objekt (r 0 ):

^. r 0 = (λ / d a ) ^. r 0 (HENSLEY et al. 2004:147). (2.3) L sa = θ a

Die maximale Winkelauflösung der synthetischen Apertur ergibt sich dann aus Gleichung (2.2) und (2.3) zu:

(2.4) θ sa = d a / (2 ^. r 0 ) .

Die maximale Auflösung der synthetischen Apertur (δ sa ) ist das Produkt aus der maximalen Winkelauflösung (θ sa ) und der Entfernung zwischen Sensor und Objekt (r 0 ) und ergibt sich zu:

^. r 0 ≈ d a / 2 . (2.5) δ sa = θ sa

Die maximale Auflösung der synthetischen Apertur (δ sa ) entspricht der maximalen Azimutauflösung (δ a ) und ist in der Größenordnung der halben Antennenlänge. Sie unabhängig von Entfernung und Wellenlänge (SÖRGEL 2003:16).

Die Bildung der synthetischen Apertur mit anschließender Bildkonstruktion ist in Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der SAR-Abbildung und -Verarbeitung eines Punktziels (MOREIRA 2000:13).

Beim Vorbeiflug des SAR-Sensors am abzubildenden Objekt wird an jeder Position ein Impuls gesendet und das vom Punktziel reflektierte Echo empfangen. Der Phasenunterschied

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wird bei der Prozessierung entsprechend dem Zweiweg-Entfernungsunterschied zwischen SAR-Antenne und Punktziel korrigiert. Die Auflösung der Impulsantwort eines Punktzieles ist nach der SAR-Verarbeitung wesentlich höher als bei einer realen Apertur. Die reale Apertur ist durch das Zweiweg-Antennendiagramm der verwendeten Antenne im SAR-Sensor bestimmt. Der Betrag des empfangenen Amplitudenverlaufs vor der SAR-Prozessierung entspricht dem Antennendiagramm der realen Apertur. Die synthetische Apertur wird durch die Zusammensetzung mehrerer Antennenelemente, die während des Vorbeiflugs des SAR-Sensors periodisch Impulse senden und empfangen, künstlich gebildet. Nach der Verarbeitung ergibt sich die hochaufgelöste Impulsantwort, deren Auflösung von der Anzahl der aufsummierten Antennenelemente abhängt (KLAUSING & HOLPP 2000:217). Die maximale Auflösung ergibt sich nach Gleichung (2.5) durch die halbe Antennenlänge in Azimutrichtung.

Die zweidimensionale Verarbeitung des SAR-Signals, setzt sich aus der Verarbeitung in Entferungs- und Azimutrichtung zusammen. Die Verarbeitung in Entfernungsrichtung erfolgt durch Impulskompression, bei der das emittierte, linear frequenzmodulierte Signal (Chirp) verstärkt und verkürzt wird. Dies geschieht mit adaptiven Filtern, welche die Autokorrelation des Signals nutzen (THIEL 2004:8). Die Verarbeitung in Azimutrichtung korrigiert die Kodierung des Rückstreusignals, die durch die Bewegung der Aufnahmeplattform und die damit erzeugte Dopplerverschiebung hervorgerufen wird. Hierzu wird eine Referenzfunktion verwendet, die sich aus der Abbildungsgeometrie, den Bewegungsparametern der Plattform und der verwendeten Wellenlänge berechnet, so dass für jede Entfernung eine andere Referenzfunktion in Azimut ergibt (KLAUSING & HOLPP 2000:219). Den hier beschriebene Abbildungsmodus bezeichnet man als Streifenmodus (strip mode) eines SAR-Systems, da hierbei kontinuierlich Streifen parallel zur Flugrichtung abgetastet werden. Neben diesem meistbenutzten SAR-Modus existieren weitere, die z. B. zur Verbesserung der Auflösung oder Vergrößerung der Streifenbreite angewendet werden (z. B. ScanSAR-, Spotlight-, Inverser SAR-Modus) (MOREIRA 2000:15f.). Augrund der Abbildungsgeometrie von SAR-Aufnahmen (siehe Abbildung 3), kann die Höhe eines Punktes auf der Erdoberfläche nicht bestimmt werden. So wird in Abbildung 3 deutlich, dass die Punkte P 1 und P 2 in der Bildebene nicht zu unterscheiden sind. Die dreidimensionale topographische Information kann nur durch die Verwendung zweier SAR-Antennen extrahiert werden, welche räumlich voneinander getrennt sind (MADSEN & ZEBKER 1998:359).

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3 Die SAR-Interferometrie (InSAR bzw. IFSAR)

Die SAR-Interferometrie ist ein Verfahren, welches mittels der Information von Phasendifferenzmessungen Entfernungsmessungen ermöglicht. Aufgrund der Proportionalität zum Weglängenunterschied zwischen zwei räumlich voneinander getrennten Sensoren, deren Abstand voneinander als Basislinie (Baseline) bezeichnet wird, sowie einer betrachteten Rückstreufläche ermöglichen sie eine Lagebeschreibung dieser Fläche im dreidimensionalen Raum (SCHWÄBISCH 1999:1). Die SAR-Interferometrie kann in zwei unterschiedlichen Modi betrieben werden (siehe Abbildung 4):

a) Als Across-Track-Interferometrie, bei der die räumliche Anordnung der Antennen so gewählt wird, dass sich eine Basislinienkomponente senkrecht zur Flugrichtung ergibt. Durch diese Anordnung kann die Geländetopographie aus mindestens zwei SAR-Aufnahmen ermittelt werden. Die abgeleitete Höheninformation über einer Bezugsfläche kann dann in Form eines Digitalen Höhenmodells (DHM) dargestellt werden, welches die Geländehöhe zuzüglich der Höhe von Objekten auf der beleuchteten Oberfläche repräsentiert (KNABE 1998:33). Bei der

b) Along-Track-Interferometrie sind die Antennen räumlich in Flugrichtung versetzt, wodurch die Basislinie parallel zur Flugrichtung ausgerichtet ist. Dieser Aufnahmemodus dient zur Bestimmung von langsamen Zielbewegungen (z. B. Meeresströmungen) (MADSEN & ZEBKER

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