Persistent Scatterer Interferometrie für Bauwerksmonitoring

Die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ist eine Auswertungsmethode für SAR-Satellitenbilder. Sie ermöglicht es aus einer Reihe von Synthetic Aperture Radar (SAR) Bildern hochgenaue Deformation der Erde ableiten zu können. Die Skala der Anwendungen reicht hierbei von großflächigen tektonischen Messungen bis hin zum Monitoring einzelner Häuser und Bauwerke. PSI ist ein sehr sensitives Verfahren, sodass Bewegungen von bis zu 1mm/Jahr erkannt werden können.

Da SAR Bilder komplexwertig sind kann nicht nur die Amplitude, sondern auch die Phase des reflektierten Signals analysiert werden, in dem z.B. ein Interferogramm, also die Phasendifferenz zweier Bilder gebildet wird. PSI ist ein differentielles Interferometrische SAR Auswertungsverfahren (DInSAR), das heißt für eine Deformationsanalyse wird eine Reihe von mindestens 20 Bildern benötigt.

Persistent Scatterer Interferometrie geht davon aus, dass dominante Rückstreuer (Scatterer) existieren. Das gemessene Signal für einen solcher Scatterer wird von einem Objekt dominiert, sodass die Phase über die Zeit konstant bleibt.  Befinden sich viele veränderliche Objekte, wie z.B. Vegetation in einer Auflösungszelle, so ist die Phase bei jeder Messung zufällig (vgl. Abb. 1). Für dominanten und einzelne Streuer kann die PSI-Auswertung Deformationszeitserien, sowie Höhenkoordinaten ableiten.

Seit 2015 nimmt die europäische Mission Sentinel-1 die Erdoberfläche regelmäßig auf, sodass eine mehrjährige Deformationsanalyse für jeden Ort der Welt möglich ist.

Sentinel-1 Daten eignen sich mit einer Pixelgröße von 20m x 5m  um großflächige Deformation zu beobachten. Möchte man kleinräumige, gebäudescharfe Beobachtungen machen, so kann z.B. auf das deutsche TerraSAR-X System mit 1m x 1m verwendet werden.

Beispiel aus der Praxis:

In einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) und des Instituts für Photogrammetrie der Universität Stuttgart wird die Schleuse Hessigheim am Neckar mit verschiedenen Fernerkundungsmethoden überwacht. Während der Schleusenbereich selbst stabil ist, sinken einzelne Bereiche im näheren Schleusenumfeld durch instabilen Boden und untergrabenden Wasserfluss um etwa 1 cm pro Jahr ab. Klassische Ansätze zur Bauwerksüberwachung wie Nivellement und kontinuierliche Totalstationsmessungen liefern zwar hochgenaue Koordinatenwerte, die jedoch auf eine vergleichsweise geringe Menge von Messpunkten beschränkt bleiben müssen und mit einem hohen Messaufwand und einer daraus resultierenden niedrigen zeitlichen Auflösung einhergehen.

In diesem Projekt untersuchen wir das Potential von PSI, die genannten traditionellen Methoden zur Überwachung von Wasserbauwerken zu ergänzen, insbesondere was die Ausweitung der Überwachung in die Fläche anbelangt. Die Auswertung von zwei TerraSAR-X-Datensätzen ergibt eine hohe Persistent-Scatterer-(PS)-Punktdichte von zum Teil 1 PS/m² Fassadenfläche auf den relevanten Gebäuden (Abb. 2, Abb. 3). Aus den dazugehörigen Zeitreihe lassen sich Geschwindigkeiten und Bewegungsmuster ableiten.

Die PSI-Methode stellt sich zusammenfassend als nützliches Werkzeug in einem umfassenden Monitoringkonzept dar. Eine Ausweitung und gegebenenfalls routinemäßige Überprüfungen aller Binnenschleusen könnte helfen, Geländebewegungen im Umland frühzeitig zu erkennen und existierende Messprogramme in der Fläche zu ergänzen.

Durch die zukünftig weiter steigende Verfügbarkeit von hochaufgelösten SAR-Daten kann davon ausgegangen werden, dass sich satellitengestützte InSAR-Verfahren zu einer weiteren Standardmethode im Repertoire des Bauwerksmonitorings entwickeln.