Geodätische Messungen mit TerraSAR-X - Stand der Genauigkeit

Abstract

TerraSAR-X und TanDEM-X sind bildgebende Radarsatelliten, die 2007 und 2010 gestartet wurden.
Aufgrund der hohen Auflösung von besser als einem Meter und der hochgenauen geometrischen
Kalibrierung können sie nicht nur als bildgebende Instrumente, sondern auch als geometrische
Messinstrumente eingesetzt werden. Dabei dringt die Messgenauigkeit in geodätische Größenordnungen
vor, d.h. in den Zentimeterbereich.
Um diese Genauigkeit zu erreichen ist eine Reihe von Korrekturen erforderlich, unter anderem die
atmosphärische Refraktion durch Wasserdampf, die Erdgezeiten und Kontinentaldriften.
Im Vortrag wird anhand von Theorie und praktischen Beispielen der Stand der Technik vermittelt.
Anwendungsbeispiele sind u.a. die durch das Japan-Erdbeben verursachten Bewegungen.

Full text

Geodätische Messungen mit TerraSAR-X
- Stand der Genauigkeit
Michael Eineder, N. Yague-Martinez, C. Minet, X. Cong, B. Schättler
DLR Institut für Methodik der Fernerkundung
INTERGEO 2011

M. Eineder, Geodätische Messungen mit TerraSAR-X - Stand der Genauigkeit INTERGEO 2011 2
Outline
Goal: Capture earth surface
motion globally from space with
high accuracy and resolution
Differences between InSAR
and high resolution image
correlation techniques (HRIC)
Error sources & recent
correction techniques turning
space borne imaging Synthetic
Aperture Radar (SAR) systems
into geodetic measurement
devices
Examples

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InSAR Versus Image Correlation
Prinziple:
Coherent pixel phase (no
contrast needed)
Properties
high spatial resolution (≈ m)
high accuracy (≈ λ/10)
1D, ambiguous, relative
Prinziple:
Inter pixel contrast (needs
window/edge)
Properties
lower spatial resolution (≈ m x 10)
Lower accuracy (cm)
2D, absolute
Massonnet et al., The displacement field of the Landers earthquake
mapped by radar interferometry, Nature, V.364, p. 138-142, 1993 Eineder, Wael Abdel Jaber, Glacier Flow and
Topography Measurements with TerraSAR-X and
TanDEM-X, IGARSS 2011
InSAR Image Correlation

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Error Source: Satellite Orbits
InSAR:
Phase offsets (invisible)
Phase ramps  motion error
gradients
Overall location error (small)
HRIC:
Offsets
Ramps (comparatively small)
Overall location error (small)
Characteristics: Large scale (smooth) offsets < 5 centimeters
Compensation:
InSAR:
Offset control point (anyway)
Ramp control points
 loss of information
HRIC: Offset & ramp control points
 loss of information
Consequences:

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Error Source: Reference Frames and Earth Tides
Orbit Error ITRF
e.g. ETRF
InSAR:
Invisible phase offsets HRIC:
Offsets (visible)
Overall location error
(small)
Characteristics: Shifts up to ±20 centimeters
Consequences:

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Error Source: Earth Tides
Compensation:
InSAR: unnecessary because local
relative measurement HRIC: Use of model
Honolulu, July 31th, 2010
-0.15
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0.2
12:00
AM 2:24
AM 4:48
AM 7:12
AM 9:36
AM 12:00
PM 2:24
PM 4:48
PM 7:12
PM 9:36
PM 12:00
AM
Daytime [UTC]
Deformation [m]
Up
North
East

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Variograms
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
110 100
Distance [km]
stddev [mm]
Hanssen,
Netherlands
Wadge, Lanyi
Meyer, Warsaw
Parizzi, Berlin-C
Parizzi, Berlin-X
Error Source: Atmosphere
InSAR:
Phase offsets (invisible)
Phase patterns  dangerous
motion errors
HRIC:
Offsets (visible)
Motion patterns (comparatively
small)
Overall location error (small)
Characteristics: Distance dependent turbulences from mm up to ±15 cm
Consequences:

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Error Source: Atmosphere
Compensation:
InSAR: (Goal: mm/year)
1. Temporal averaging
 Persistent Scatterer
Interferometry (state of
the art, expensive)
2. High resolution
weather (H2O) modelling
(future, not yet
operational)
HRIC: (Goal: cm/year)
1. Large area compensation
by GPS Trop. Zen. Delay or
2. or low resolution
weather model (new!) or
3. high resolution weather
model (future, not yet
operational)

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ZDP from EUREF Permanent GPS Network
Wettzell, Bad Kötzting, Germany (WTZR)

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Path Delay from Numerical Weather Model Data
ERA-Interim reanalysis from European
Centre for Medium-Range Weather
Forecasts (ECMWF)
Horizontal resolution: full T255 spectral
truncation (grid size ~80 km)
Available on 0h, 06h, 12h and 18h,
since 1989 to current – 3 months
p0
pi
patmo

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Comparison GPS ZDP with ECMWF
STD 8.7 STD 12.9 STD 7.7 STD 13.0 STD 13.0
STD 27.38
STD 29.81
STD 34.89
STD 33.72
STD 31.90
STD 28.67
STD 34.86
STD 33.53
STD 32.63
STD 31.69

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Summary: Current Status in HRICT Accuracy
Monitoring of 6 corner reflectors with known position and 22 TerraSAR-X
acquisitions (100 MHz, 150 MHz and 300 MHz)
Ascending & descending orbits, incidence angle from: 21° to 58°
Compensation of solid Earth tides, tropospheric delay and continental
drifts
Residual Range Delay with ECMWF SDP Correction
-0.2
-0.1
0.0
0.1
0.2
-0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2
range offset [m]
azimuth offset [m]
100 MHz
150 MHz
300 MHz
STD [cm]
100 MHZ
4.42
150 MHZ
2.79
300 MHZ 2.42

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•9 descending co-seismic
image pairs spread over
the archipelago
•stripmap mode
(30 x 50 km)
•single acquisitions
 not possible to derive
3D vectors
 hor. projection on
ground
Sendai
Example 1: Tohoku Earthquake 2011

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Co-seismic HRIC Displacement Map at Sendai
az
rg

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Co-seismic Displacements from GPS and from SAR
Acknowledgement: Co-seismic displacement from GPS by GEONET. Prof. Hashimoto.
http://supersites.earthobservations.org/sendai.php
GPS
SAR

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Conclusions
SAR interferometry is an established method for DEM generation and
relative subsidence measurements (Persistent Scatterer Interferometry)
with ambiguity problems
provides only relative measurements
High resolution image correlation techniques with novel geodetic
corrections provide absolute distances with centimeter accuracy and
avoid phase ambiguity problems
deliver 2D motion vectors
Goal/potential: reach millimeter accuracy absolute

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Example 2: Glacier Velocity Measurements
0.0
6.0
[m/d]
5 km A
C
Average Three-Year Velocity Map
Drygalski Glacier, Antarctica

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0,90
0,95
1,00
1,05
1,10
1,15
1,20
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Time [years] - 08-OCT-2007
Velocity [m/d]
Temporal Velocity Profile at Point C
Summer
Winter
Summer
Winter
Summer
Winter
 Measurements confirm error margin (residuals stdev. < 2 cm d-1)
 slight seasonal variations, maybe decelleration

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Glacier Acceleration Measurements
A
C
-0.4
0.4
[md-1a-1]
Average Three-Year Acceleration
Map
Drygalski Glacier, Antarctica

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M. Eineder, Geodätische Messungen mit TerraSAR-X - Stand der Genauigkeit INTERGEO 2011 21
Alaska