Monitoring of Roads and Railways with InSAR – A Study on Data Coverage in the Middle Oberrheingraben
Monitoring von Straßen und Schienen mit InSAR – eine Studie zur Datenabdeckung im mittleren Oberrheingraben
Markus Even, Malte Westerhaus, Hansjörg Kutterer
Radar interferometry (InSAR) has experienced an enormous development during the past decades. Presently, it is the only measurement technique capable of observing ground motion on regional and even continental scale with sufficient point density for highly precise areal monitoring. Thus, it is, besides observation of single objects, predestined for performing wide area surveying tasks. In particular, observation of linear infrastructure (e. g. roads or railways) with InSAR has proven to provide valuable information. First services that monitor foremost linear infrastructure are operative in Italy and Austria. In Germany, no such devoted service on regional scale is currently available. As a starting point for such a service, displacement data from the German Ground Motion Service (Bodenbewegungsdienst Deutschland, BBD) or the European Ground Motion Service (EGMS) that are available for the whole territory of the country, potentially could be used. Factors that determine the usability are the quality of data, the positioning accuracy, the frequency and timeliness of updates and the coverage with measurement points. Regarding coverage, neither BBD nor EGMS are using Distributed Scatterers (DS) for their InSAR analysis of Germany. In order to explore if DS could improve the coverage on roads or train tracks and to provide numbers for coverage of different categories of linear infrastructure (motorways, federal roads, state roads, county roads, train tracks), we evaluate displacement data from different sources. Our investigation is performed for data from the Oberrheingraben south of Freiburg that were processed on the one hand by EGMS and on the other hand by Geodetic Institute Karlsruhe (GIK). The data processed by GIK include DS and are based on essentially the same Sentinel-1 data as the EGMS data. The observed distinct increase of coverage that results from the use of DS may help to justify the additional effort to include DS in the processing of BBD or EGMS for Germany. Furthermore, the obtained numbers will allow stakeholders to better assess the usability of the data. In addition, the results from a stack of TerraSAR-X strip map data gives an impression of what can be achieved with higher data resolution.
Die Radarinterferometrie (InSAR) hat während der vergangenen Dekade eine enorme Entwicklung erfahren. Aktuell ist sie das einzige Messverfahren, das in der Lage ist, Bodenbewegungen auf regionalem und sogar kontinentalem Maßstab mit genügender Punktdichte für hochpräzises flächenhaftes Monitoring zu beobachten. Damit ist sie, neben der Beobachtung von Einzelobjekten, für großflächige Vermessungsaufgaben prädestiniert. Insbesondere hat sich erwiesen, dass die Beobachtung linearer Infrastrukturen (beispielsweise Straßen oder Bahnstrecken) mit InSAR wertvolle Informationen liefert. Erste Dienste, die vorwiegend lineare Infrastrukturen überwachen, sind in Italien und Österreich operativ. In Deutschland ist auf regionaler Ebene aktuell kein so ausgerichteter Dienst verfügbar. Als Ausgangspunkt für einen solchen Dienst könnten potenziell Verschiebungsdaten des Bodenbewegungsdienst Deutschland (BBD) oder des European Ground Motion Service (EGMS) genutzt werden, die für die gesamte Fläche des Landes verfügbar sind. Die Faktoren, welche die Nutzbarkeit bestimmen, sind die Datenqualität, die Lagegenauigkeit, die Häufigkeit und Zeitigkeit der Aktualisierungen und die Abdeckung mit Messpunkten. Hinsichtlich der Abdeckung werden weder vom BBD noch vom EGMS Distributed Scatterer (DS) für die InSAR-Analyse von Deutschland verwendet. Um herauszufinden, ob DS die Abdeckung von Straßen und Schienen verbessern könnten, und um Zahlen für die Abdeckung verschiedener Kategorien linearer Infrastrukturen (Autobahnen, Bundesstraßen, Landesstraßen, Kreisstraßen, Schienenwege) zu liefern, werten wir Verschiebungsdaten aus verschiedenen Quellen aus. Unsere Untersuchung wird für Daten des Oberrheingrabens südlich von Freiburg durchgeführt, die einerseits vom EGMS und andererseits vom Geodätischen Institut Karlsruhe (GIK) prozessiert wurden. Die vom GIK prozessierten Daten beinhalten DS und beruhen im Wesentlichen auf den gleichen Sentinel-1-Daten, wie die EGMS-Daten. Der beobachtete deutliche Anstieg der Abdeckung, der von der Nutzung von DS resultiert, könnte helfen, den zusätzlichen Aufwand zu rechtfertigen, der durch den Einschluss von DS in die Prozessierung von BBD oder EGMS für Deutschland entstünde. Außerdem werden die erhaltenen Zahlen es Akteuren erlauben, die Nutzbarkeit der Daten besser einzuschätzen. Zusätzlich geben die Ergebnisse eines Stapels von TerraSAR-X-Daten im Streifenmodus einen Eindruck davon, was mit höher aufgelösten Daten erreicht werden kann.
Keywords: Monitoring, linear infrastructure, InSAR, Sentinel-1, TerraSAR-X, BBD, EGMS, Distributed Scatterers
Schlüsselwörter: Monitoring, lineare Infrastruktur, InSAR, Sentinel-1, TerraSAR-X, BBD, EGMS, Distributed Scatterers
DOI: 10.14627/avn.2024.4.1