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![]( "Buchcover ISBN 9783906467375")
Fusion of Spaceborne Stereo-Optical and Interferometric SAR Data for Digital Terrain Model Generation
von Marc W HonikelFür die satellitengestützte Messung von digitalen Geländemodellen (DGMs) bietet sich sowohl die photogrammetrische Auswertung eines Bildpaares als auch die Radar Interferometrie (InSAR) an. Mit der photogrammetrischen Methode, bis heute überwiegend mit den französischen SPOT Satelliten durchgeführt, erreicht man im Normalfall DGM Genauigkeiten von 10m. Da bei SPOT die Aufnahmen bei zwei verschiedenen Überfragen gemacht werden (repeat pass), entstehen durch Veränderungen oftmals aber Probleme bei der Punktbestimmung und dadurch inakzeptabel grosse Messlücken im DGM. Wolkenbehang macht vielerorts eine Messung ganz unmöglich. Auf der anderen Seite können interferometrische SAR Messungen unabhängig von Wolkenbehang oder Tageszeit durchgeführt werden. Die Bilder der europäischen Femerkundungssatelliten ERS-1/2 stellen hinsichtlich Verfügbarkeit, Anzahl und Genauigkeit der Messungen und Automatisierung (und damit Preis) eine echte Alternative zur traditionellen photogrammetrischen Geländemodellgenerierung in diesem Massstab dar. Laufzeitmessverfahren wie InSAR haben jedoch einige schwerwiegende Nachteile, die im wesentlichen aus der Aufnahmegeometrie, der notwendigen Genauigkeit bei der Bestimmung der Aufnahmeposition und der repeat pass Konstellation entstehen. Aus diesen Gründen erreichen interferometrische DGMs nur selten höhere absolute Genauigkeiten als die mit optischen Systemen gemessenen DGMs.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Fusion von optischen und InSAR Daten zur DGM Generierung. Es wird untersucht, wie und inwieweit sich bereits bestehende SPOT DGMs eignen, um mit interferometrischen Messungen fusioniert zu werden. Zwei Optionen und dementsprechend zwei Geometrien bieten sich hierfür an: zum einen die Fusion während der interferometrischen Prozessierung in der SAR Bildgeometrie, zum anderen die auf Produktebene, dem DGM. In beiden Fällen werden die Daten zur Fusion zunächst in eine gemeinsame Geometrie überführt und anschliessend deren Ähnlichkeit bestimmt. Anhand ihrer Ähnlichkeit werden die Messungen einander zugeordnet bzw. verworfen. Die zugeordneten Messungen werden als Elemente des lokalen Beobachtungsvektors aufgefasst, aus dem in einem letzten Schritt die gesuchte Grösse, interferometrische Phase oder Geländehöhe, mit Hilfe einer Ausgleichung der Beobachtungen geschätzt wird. Je nach Anwendung bedient man sich hierzu der Methode der kleinsten Quadrate zur Prädiktion, Interpolation oder Filterung der Daten.
Durch die repeat pass Konstellation der ERS Satelliten kann es zwischen den Überflügen zu Änderungen in den atmosphärischen Bedingungen kommen. Diese bedingen einen Laufzeitunterschied der Mikrowellen und überlagern sich dem topographischen Anteil der Phase. Mit einem bestehenden DGM kann der Einfluss der atmosphärischen Änderungen auf die interferometrischenMessungen abgeschätzt und beseitigt werden. Man unterscheidet zwischen lokalen und systematischen atmosphärischen Effekten. Lokale Störungen werden aufgrund ihrer Varianz im Interferogramm detektiert und vom weiteren Messvorgang ausgeschlossen. Systematische Einflüsse erzeugen ausgedehnte zusätzliche Interferenzlinien, die sich dem Phasenanteil aus der Geländehöhe überlagern. Mt Hilfe des DGMs lässt sich diese niederfrequente Überlagerung delektieren und durch ein Polynom niederen Grades approximieren. Ähnlich lässt sich auch der Effekt eines fehlerhaft bestimmten Basisvektors beseitigen. Die hierfür benötigte Genauigkeit des DGMs ist abhängig von der interferometrischen Basislänge und wird für Messungen, die mit kürzerer Basislänge durchgeführt wurden, von SPOT leicht erreicht. Gleiches gilt für den Einsatz eines DGMs zur Beschränkung der Lösung der 2pi Mehrdeutigkeit der interferometrischen Phase, der sogenannten Phasenabwicklung. Durch die Beschränkung lassen sich die Folgen der Rauschanfälligkeit der bestehenden Algorithmen vermeiden und eine kontinuierliche Lösung für die Phase für das gesamte Interferogramm bestimmen. Neben der reinen Beschränkung der Phasenabwicklung lässt sich mit Hilfe einer Interferogrammsimulation auch der Phasenverlauf selbst in verrauschten Regionen schätzen. Hierzu wird die Phase durch einen Wiener Filter geschätzt. Die Filterparameter werden mit der Simulation bestimmt. Der Schätzer wird durch die Phasenkohärenz gesteuert, adaptiert sich also an die Rauschgegebenheiten der interferometrischen Messungen. Auch bestehende DGMs geringerer Auflösung können hierzu verwendet werden, wenn mit einer Bildpyramide gearbeitet wird.
Die Daten können ebenfalls auf der DGM Produktebenemit der genannten Methode fusioniert werden. Die Optionen zur Fusion sowohl von DGMs in gleicher Rasterweite, als auch eines groben DGMs mit dem höher auflösenden InSAR DGM werden hierzu im Orts- und Frequenzraum untersucht. Liegen beide DGMs im gleichen Rasterabstand vor, eignet sich eine lokale Polynomapproximation der Oberfläche zur Kombination der Beobachtungen. Interpolation und Filterung mit der Methode der kleinsten Quadrate eignet sich besonders für den Fall, dass ein existierendes weitmaschiges DGM mit den InSAR Daten fusioniert werden soll. Hierbei wird mit dem groben DGM der Höhentrend entfernt, die Beobachtungen mit der Methode der kleinsten Quadrate anschliessend gefiltert und schliesslichdie lokale Oberfläche interpoliert. Die Synergie der Daten hinsichtlich ihrer Fehlereigenschaftenlässt sich auch im Frequenzraum nutzen. Während bei InSAR DGMs eher die niederen Frequenzen durch Fehler belastet werden, weisen stereo-optische DGMs das umgekehrte Verhalten auf. Die DGMs lassen sich somit durch einen Austausch der jeweils fehlerbelasteten Frequenzbänder fusionieren, indem man ihre Fehlereigenschaften ausnutzt. Die Methode eignet sich auch zur Fusion von bestehenden DGMs grösserer Rasterweite mit neuen InSAR Daten.
Alle Verfahren wurden zur Fusion von ERS und SPOT Daten in drei Testgebieten in der Schweiz und Spanien angewendet und evaluiert. Die Gebiete wiesen eine voralpine bis alpine Topographie auf, wodurch Probleme speziell für die InSAR Höhenmessung entstanden. Durch Datenfusion mit den SPOT Daten wurde in allen Fällen eine vollständige Phasenabwicklung ermöglicht und so jeweils ein vollständiges InSAR DGM generiert, das mit dem SPOT DGM fusioniert werden konnte. Beim Vergleich mit den nationalen Referenzdaten lag die fusionierte DGM Genauigkeit mit 5 - 6m in allen Fällen deutlich über den Ausgangswerten, wobei in diesem Wert der Einfluss der Vegetation noch nicht berücksichtigt ist. Die Ergebnisse, jeweils erreicht durch die Fusion eines InSAR DGMs mit einem stereo-optischen DGM, belegen die Synergie der Daten und das Potential, das in deren Fusion liegt.
Die vorliegende Arbeit behandelt die Fusion von optischen und InSAR Daten zur DGM Generierung. Es wird untersucht, wie und inwieweit sich bereits bestehende SPOT DGMs eignen, um mit interferometrischen Messungen fusioniert zu werden. Zwei Optionen und dementsprechend zwei Geometrien bieten sich hierfür an: zum einen die Fusion während der interferometrischen Prozessierung in der SAR Bildgeometrie, zum anderen die auf Produktebene, dem DGM. In beiden Fällen werden die Daten zur Fusion zunächst in eine gemeinsame Geometrie überführt und anschliessend deren Ähnlichkeit bestimmt. Anhand ihrer Ähnlichkeit werden die Messungen einander zugeordnet bzw. verworfen. Die zugeordneten Messungen werden als Elemente des lokalen Beobachtungsvektors aufgefasst, aus dem in einem letzten Schritt die gesuchte Grösse, interferometrische Phase oder Geländehöhe, mit Hilfe einer Ausgleichung der Beobachtungen geschätzt wird. Je nach Anwendung bedient man sich hierzu der Methode der kleinsten Quadrate zur Prädiktion, Interpolation oder Filterung der Daten.
Durch die repeat pass Konstellation der ERS Satelliten kann es zwischen den Überflügen zu Änderungen in den atmosphärischen Bedingungen kommen. Diese bedingen einen Laufzeitunterschied der Mikrowellen und überlagern sich dem topographischen Anteil der Phase. Mit einem bestehenden DGM kann der Einfluss der atmosphärischen Änderungen auf die interferometrischenMessungen abgeschätzt und beseitigt werden. Man unterscheidet zwischen lokalen und systematischen atmosphärischen Effekten. Lokale Störungen werden aufgrund ihrer Varianz im Interferogramm detektiert und vom weiteren Messvorgang ausgeschlossen. Systematische Einflüsse erzeugen ausgedehnte zusätzliche Interferenzlinien, die sich dem Phasenanteil aus der Geländehöhe überlagern. Mt Hilfe des DGMs lässt sich diese niederfrequente Überlagerung delektieren und durch ein Polynom niederen Grades approximieren. Ähnlich lässt sich auch der Effekt eines fehlerhaft bestimmten Basisvektors beseitigen. Die hierfür benötigte Genauigkeit des DGMs ist abhängig von der interferometrischen Basislänge und wird für Messungen, die mit kürzerer Basislänge durchgeführt wurden, von SPOT leicht erreicht. Gleiches gilt für den Einsatz eines DGMs zur Beschränkung der Lösung der 2pi Mehrdeutigkeit der interferometrischen Phase, der sogenannten Phasenabwicklung. Durch die Beschränkung lassen sich die Folgen der Rauschanfälligkeit der bestehenden Algorithmen vermeiden und eine kontinuierliche Lösung für die Phase für das gesamte Interferogramm bestimmen. Neben der reinen Beschränkung der Phasenabwicklung lässt sich mit Hilfe einer Interferogrammsimulation auch der Phasenverlauf selbst in verrauschten Regionen schätzen. Hierzu wird die Phase durch einen Wiener Filter geschätzt. Die Filterparameter werden mit der Simulation bestimmt. Der Schätzer wird durch die Phasenkohärenz gesteuert, adaptiert sich also an die Rauschgegebenheiten der interferometrischen Messungen. Auch bestehende DGMs geringerer Auflösung können hierzu verwendet werden, wenn mit einer Bildpyramide gearbeitet wird.
Die Daten können ebenfalls auf der DGM Produktebenemit der genannten Methode fusioniert werden. Die Optionen zur Fusion sowohl von DGMs in gleicher Rasterweite, als auch eines groben DGMs mit dem höher auflösenden InSAR DGM werden hierzu im Orts- und Frequenzraum untersucht. Liegen beide DGMs im gleichen Rasterabstand vor, eignet sich eine lokale Polynomapproximation der Oberfläche zur Kombination der Beobachtungen. Interpolation und Filterung mit der Methode der kleinsten Quadrate eignet sich besonders für den Fall, dass ein existierendes weitmaschiges DGM mit den InSAR Daten fusioniert werden soll. Hierbei wird mit dem groben DGM der Höhentrend entfernt, die Beobachtungen mit der Methode der kleinsten Quadrate anschliessend gefiltert und schliesslichdie lokale Oberfläche interpoliert. Die Synergie der Daten hinsichtlich ihrer Fehlereigenschaftenlässt sich auch im Frequenzraum nutzen. Während bei InSAR DGMs eher die niederen Frequenzen durch Fehler belastet werden, weisen stereo-optische DGMs das umgekehrte Verhalten auf. Die DGMs lassen sich somit durch einen Austausch der jeweils fehlerbelasteten Frequenzbänder fusionieren, indem man ihre Fehlereigenschaften ausnutzt. Die Methode eignet sich auch zur Fusion von bestehenden DGMs grösserer Rasterweite mit neuen InSAR Daten.
Alle Verfahren wurden zur Fusion von ERS und SPOT Daten in drei Testgebieten in der Schweiz und Spanien angewendet und evaluiert. Die Gebiete wiesen eine voralpine bis alpine Topographie auf, wodurch Probleme speziell für die InSAR Höhenmessung entstanden. Durch Datenfusion mit den SPOT Daten wurde in allen Fällen eine vollständige Phasenabwicklung ermöglicht und so jeweils ein vollständiges InSAR DGM generiert, das mit dem SPOT DGM fusioniert werden konnte. Beim Vergleich mit den nationalen Referenzdaten lag die fusionierte DGM Genauigkeit mit 5 - 6m in allen Fällen deutlich über den Ausgangswerten, wobei in diesem Wert der Einfluss der Vegetation noch nicht berücksichtigt ist. Die Ergebnisse, jeweils erreicht durch die Fusion eines InSAR DGMs mit einem stereo-optischen DGM, belegen die Synergie der Daten und das Potential, das in deren Fusion liegt.