Radarfernerkundung

Ein satellitengestütztes Radar mit synthetischer Apertur (Synthetic Apertur Radar, SAR) tastet die Erdoberfläche mittels Mikrowellenstrahlung in unterschiedlichen Wellenlängen ab. Die SAR-Antenne sendet dafür Mikrowellenpulse aus und empfängt das von der Erdoberfläche zurückgestreute Echo. Aus diesem lassen sich räumlich hochauflösende Bilddaten und Datenprodukte herstellen.
Die SAR-Technologie hat mehrere Besonderheiten im Vergleich zu anderen bildgebenden Fernerkundungsverfahren. Einerseits ist es möglich auch bei Bewölkung und Dunkelheit die Erdoberfläche zu beobachten. Andererseits können physikalische Messwerte wie Rückstreukoeffizient oder Entfernungsdifferenzen in Blickrichtung der SAR-Antenne abgeleitet werden. Die Rückstreukoeffizienten sind abhängig von den physikalischen Eigenschaften der beobachteten Oberflächen. Dies sind Oberflächenrauhigkeit, die Geometrie und die dielektrischen Eigenschaften, in erster Linie die Bodenfeuchte. Eine weitere Besonderheit der Radarfernerkundung ist die Eindringtiefe bzw. Durchdringung von Lockersedimenten und Vegetation in Abhängigkeit der verwendeten Wellenlänge (weitere Informationen: EO college). Für geowissenschaftliche Fernerkundung ist die Erfassung der Oberflächenrauhigkeit ein wichtiger Parameter und wird gemeinsam mit der optischen Fernerkundung für die geologische Kartierung genutzt. Die Fähigkeit, Lockersedimentauflagen zu durchdringen, ist für die Erfassung tektonischer Strukturen ein wichtiger Parameter. Ebenso ist die Durchdringung von Vegetation eine wichtige Charakteristik für die geologische und tektonische Kartierung. Die Objekterkennung basierend auf Radardaten ist insbesondere in Regionen mit häufiger Wolkenbedeckung für zahlreiche geowissenschaftliche Fragestellungen von großer Bedeutung. Genannt seien hier die Erfassung von zeitlich hochaufgelösten Oberflächenveränderungen u.a. im Kontext Geogefahren, Monitoring von (illegalen) Minenaktivitäten sowie damit einhergehende Siedlungsaktivitäten.
Die Bestimmung von Entfernungsdifferenzen basiert auf der Überlagerung der Phasenlage von zwei SAR-Aufnahmen (Abbildung 1). Diese sogenannte „interferometrische Phase“ erlaubt es durch Nutzung von zwei Aufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln ein digitales Geländemodell abzuleiten oder bei einer Vielzahl zeitlich versetzter Aufnahmen Bewegungsraten und Zeitserien der Bewegung zu extrahieren (Abbildung 2).

Abbildung 1: Radar Aufnahme-Geometrie, Azimuth und Range Richtung (verändert nach DLR 2015) Quelle: https://saredu.dlr.de/

Abbildung 2: Zusammenhang zwischen interferometrischer Phase (Φ), topographischer Phase (Φ_topo) und differentieller Phase (Φ_diff) (verändert nach DLR 2015) Quelle: https://saredu.dlr.de/

Die SAR-Interferometrie wird im Arbeitsbereich Fernerkundung genutzt, um Oberflächenbewegungen großflächig zu vermessen und auf diese Weise Gefährdungsanalyse und Raumplanung zu unterstützen. Dazu werden die Methoden „Persistent Scatterer Interferometrie“ und/oder „Small Baseline Subset“ angewendet (weitere Informationen: Feretti 2014). Das Ergebnis ist für jeden langzeitstabilen Rückstreuer die mittlere Geschwindigkeit über den gesamten Auswertezeitraum sowie Zeitserien der Bewegung. Zur Qualitätssicherung werden die extrahierten Oberflächenbewegungen durch Geländebegehungen, statistische Analyse mit terrestrischen Vermessungsdaten sowie visueller Bildinterpretation basierend auf räumlich sehr hoch aufgelösten orthorektifizierten optischen Bilddaten validiert. Abschließend werden die validierten Datenprodukte mit Geodaten überlagert und geowissenschaftlich interpretiert

Die Abbildung zeigt die Karte der mittleren Geschwindigkeit von Hamburg und Niedersachsen/ Norddeutschland. Die Karte basiert auf der Persistent Scatterer Interferometrie Auswertung von ERS1/2 Radardaten von 1992 bis 2001. Die Region ist durch eine diverse Geologie geprägt, die Küstensedimente, Salzvorkommen, natürliche Gas- und Ölvorkommen einschließt. Vielfältige Prozesse, natürliche und anthropogene, Baumaßnahmen, ebenso wie die Erschließung und Nutzung des Untergrundes können Oberflächenveränderungen und Oberflächenbewegungen hervorrufen.