In den letzten Jahren hat sich bodengestütztes Radar mit synthetischer Apertur (GB-SAR) zu einem leistungsstarken Instrument für die Überwachung von Bewegungen und Deformationen bei Massenbewegungen, z. Bsp. Hangrutschungen, Gletscher und Vulkane, entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines echtzeitfähigen Verfahrens für die Analyse von GB-SAR Daten, um den Status einer Massenbewegung mit der geringstmöglichen Verzögerung nach der Datenerfassung zu bestimmen.

Das GB-SAR Instrument IBIS-L ermöglicht die Fernerkundung eines Objektes bis zu einer Entfernung von 4 km, indem es Mikrowellen mit einer Frequenz von 17.2 GHz aussendet und die reflektierten Echos empfängt. Alle 5 bis 10 Minuten wird ein zweidimensionales Amplituden- und Phasen-Bild generiert mit einer Auflösung von 0.75 m in Entfernung und 4.4 mrad in Azimut (4.4 m in 1 km Entfernung). Die gemessene Amplitude hängt von Objektgeometrie und -reflektivität ab. Aus der Differenz zweier Phasenbilder, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessen wurden, können für jede Auflösungszelle Bewegungen in Blickrichtung abgeleitet werden. Es können ausschließlich relative Phasendifferenzen gebildet werden (zwischen -pi und +pi), dass heißt, die Anzahl der Phasendurchgänge Mehrdeutigkeit) ist unbekannt.

Außer von Bewegungen, wird die Phasendifferenz auch von atmosphärischen Störungen und Rauschen beeinflusst. Um die Bewegungen abzuleiten, müssen für alle Auflösungzellen im Bild sowie für alle Zeitschritte die Phasenmehrdeutigkeiten bestimmt und der atmosphärische Effekt geschätzt werden. Es existiert bereits eine Vielzahl von Techniken zum Bestimmen der Phasenmehrdeutigkeiten, die speziell für weltraumgestütztes SAR entwickelt wurden. Der Begriff Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) steht für Techniken, die nur Zeitreihen von Punkten (PS) betrachten deren Phasenmessgenauigkeit gut ist (Standardabweichung unter 0.3 bis 0.4 rad) (Ferretti et al., 2001; Kampes, 2006). Die bekannten PSI Techniken sind allerdings nur bedingt echtzeitfähig, da sie Zeitreihen analysieren.

Das in dieser Arbeit beschriebene, echtzeitfähige Verfahren wurde speziell für die Anforderungen von bodengestütztem SAR entwickelt. Es ist eine Kombination von PSI mit Multi Model Adaptive Estimation (MMAE) (Marinkovic et al., 2005; Brown and Hwang, 1997). Die PS werden gemäß Ferretti et al. (2001) aus der Amplitudendispersion bestimmt, die ein Maß für die Phasenmessgenauigkeit darstellt. Daraus wird eine Untermenge (PS Candidates (PSC)) ausgewählt, die zur Schätzung von Mehrdeutigkeiten und Atmosphäre herangezogen werden. Aufgrund zeitlicher Änderungen der Qualität der Punkte durch z. Bsp. Steinschläge, ist die PSC Auswahl abhängig von der Zeit.

Zur Vereinfachung der Bestimmung der Mehrdeutigkeiten werden sie nicht aus den Zeitreihen selbst geschätzt, sondern aus der Differenz der Zeitreihen zweier benachbarter PSC, da dadurch atmosphärische Effekte reduziert werden. Für jede mögliche Mehrdeutigkeitslösung einer Zeitreihendifferenz existiert ein Kalman Filter um sequentiell den Status eines kinematischen Prozesses zu schätzen. In jedem Zeitschritt werden die neuen Beobachtungen den Filtern hinzugefügt. Die beste Mehrdeutigkeitslösung wird mit Hilfe von Wahrscheinlichkeiten bestimmt, die anhand der Differenz der beobachteten und prädizierten Phase berechnet werden. Nach der rein zeitlichen Mehrdeutigkeitsbestimmung wird für jeden Zeitschritt die räumliche Konsistenz geprüft und die Mehrdeutigkeiten der eigentlichen PSC Zeitreihen abgeleitet. Der atmosphärische Effekt wird aus einer Kombination von meteorologischen Daten und Filterung geschätzt. Anschließend werden die PS in das Netzwerk integriert.

Mit diesem Verfahren erhält man eine erste Schätzung der Bewegungen an den PS innerhalb weniger Sekunden bis Minuten nach der Datenerfassung. Mit jedem Zeitschritt werden neue Beobachtungen hinzugefügt und die Bestimmung der Mehrdeutigkeiten verbessert bis sie schließlich festgesetzt werden. Die endgültige Schätzung der Bewegungen liegt daher einige Minuten bis eine Stunde nach der Datenerfassung vor.

Die Leistungsfähigkeit der Technik wird anhand von synthetischen sowie beobachteten Daten gezeigt. Die Ergebnisse von Kampagnen an vier verschiedenen Orten werden dargestellt: ein Steinbruch in Dieburg, Deutschland, eine Felswand in Bad Reichenhall, Deutschland, eine Kraterflanke auf Sao Miguel, Azoren und eine Hangrutschung in der Nähe von Innsbruck in den Österreichischen Alpen.