Simultane Schätzung von Topographie und Dynamik polarer Gletscher aus multi-temporalen SAR interferogrammen
By: vorgelegt von Franz Josef Meyer.
Contributors: Deutsche Geodätische Kommission.; Technische Universität München.
Series: Deutsche Geodätische Kommission. Reihe C -- Heft Nr. 579 ;; Reihe C--Dissertationen -- Heft Nr. 579.
Publisher: Verlag der Bayerischen Akademie der Wissenschaften in Kommission beim Verlag C.H. Beck
Published: 2004
Place of publication: München
Language: ger
Number of pages: 113
ISBN-13: 9783769650181
Subjects: Glaciers -- Arctic regions.; Glaciers -- Antarctica.
Description: "This thesis presents a new technique to simultaneously estimate topography and motion of polar glaciers and ice sheets from multi-temporal SAR interferograms. In this approach the unknown parameters, i.e. topography and surface displacement, are estimated from a redundant number of observations. The resulting redundancy is systematically used to attach realistic accuracy and robustness measures to all estimated unknowns and to reveal possible gross errors in the observations or errors in the model. Additionally, the redundancy facilitates replacing very restrictive model components by more flexible models with a higher amount of free parameters. This leads to a better description of the real behavior of the object. The approach combines several SAR interferograms into a least-squares adjustment based on the Gauss-Markov model. In order to connect the multi-temporal data sets, a spatio-temporal model is proposed that describes the properties of the surface and its temporal evolution. The parameterization of the model can be adapted considering the properties of the object under investigation. Tests with simulated data show that, with this technique, both topography and motion of polar ice caps can be estimated with an accuracy of a few meters or a few centimeters per day, depending on the configuration of the adjustment. The quality of the estimated parameters depends on the accuracy of the phase observations, the observation geometry, and the number of involved data sets. Analyses of the robustness of the approach additionally indicate a high robustness of the estimated unknowns with respect to gross errors in the observations. The influence of the atmospheric path delay on the unknowns is analyzed and quantified for various observation geometries and different atmospheric conditions. It is shown that errors in the assumed deformation model significantly falsify the estimated parameters. Thus, the configuration of the spatio-temporal model must be chosen carefully. In addition to the estimation of surface topography and motion, the method and its inherent analysis tools allow to determine the observation geometry that is necessary to reach a pre-defined accuracy level in advance. Therefore, the method is a very useful tool for project planing. By means of a case study aimed at the observation of a huge ice dome in the Russian arctic the feasibility of the approach in real-life situations is demonstrated"--P. ([3]).

"Die vorliegende Arbeit präsentiert eine neue Methode zur simultanen Schätzung van Topographie und Bewegung polarer Gletscher und Eisflächen aus multi-temporalen SAR Interferogrammen. Die unbekannten Parameter topographie und Bewegung werden dabei aus einer redundanten Anzahl an Beobachtungen geschätzt. Die Redundanz wird systematisch zur Ableitung realistischer Genauigkeitsaussagen sowie zur Aufdeckung möglicher grober Fehler bzw. Modellfehler genutzt. Die Überbestimmung eröffnet ebenfalls die Möglichkeit, restriktive Modellkomponenten durch flexiblere Modellkomponenten mit einer grö€eren Anzahl an freien Parametern zu ersetzen und gewahrleistet dadurch eine bessere Beschreibung der tatsächlichen Verhältnisse. Der Ansatz basiert auf der Kombination einer Anzahl van SAR Interferogrammen in einer Kleinste-Quadrate-Ausgleichung nach dem Gauss-Markov Modell. Zur Verknüpfung der multi-temporalen Datensätze wird ein räumlich-zeitliches Modell vorgeschlagen, das die Eigenschaften der beobachteten Oberfläche und deren zeitliche Veränderung beschreibt. Die Parametrisierung des räumlich-zeitlichen Modells kann dabei an die Eigenschaften des Untersuchungsobjekts angepasst werden. Simulationsrechnungen zeigen, dass die Topographie und die Bewegung polarer Gletscher je nach Konfiguration der Ausgleichung mit einer Genauigkeit von wenigen Höhenmetern bzw. wenigen Dezimetern pro Jahr bestimmt werden können. Die Genauigkeit der geschätzten Parameter wird dabei vor allem durch die Genauigkeit der Phasenbeobachtungen, die Aufnahmegeometrie und die Anzahl der kombinierten Datensätze bestimmt. Zuverlässigkeitsanalysen zeigen zudem eine hohe Robustheit der Schätzwerte gegenüber groben Fehlern in den Beobachtungen. Der Einfluss der atmosphärischen Laufzeitverzögerung auf die Unbekannten wurde für verschiedene Beobachtungskonfigurationen und verschiedene atmosphärische Bedingungen untersucht und quantifiziert. Fehler im Bewegungsmodell führen zu einer signifikanten Verfälschung der geschätzten Unbekannten. Auf eine sorgfältige Konfiguration des räumlichzeitlichen Modells ist daher zu achten. Neben der Ermittlung der Schätzwerte ermöglichen das Verfahren und dessen inhärente Analysestrategien, die zum Erreichen eines vorgegebenen Genauigkeitsniveaus notwendige Beobachtungskonfiguration im Voraus zu bestimmen. Die Analysestrategien sind daher ein nützliches Werkzeug für die Projektplanung. Anhand einer Fallstudie, bei der ein gro€er Eisdom in der russischen Arktis beobachtet wurde, wird die Umsetzbarkeit des Verfahrens unter realen Bedingungen gezeigt"--P. (4).
Notes: At head of title: Deutsche Geodätische Kommission bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften.

Thesis (Ph. D.)--Technische Universität München, 2004.

Includes bibliographical references (p. 109-113).

Summary in English.
Table of contents: title: 1. Einleitung; title: 1.1. Motivation; title: 1.2. Zielsetzung; title: 1.3. Aufbau der Arbeit; title: 2. RADAR mit synthetischer Apertur (SAR) zur Beobachtung dynamischer Prozesse; title: 2.1. Prinzip der SAR Abbildung; title: 2.1.1. RADAR mit realer Apertur; title: 2.1.2. RADAR mit synthetischer Apertur; title: 2.1.3. Abbildungseigenschaften; title: 2.1.3.1. Verkürzungseffekte; title: 2.1.3.2. Überlagerungseffekte; title: 2.1.3.3. RADAR Schatten; title: 2.2. SAR Interferometrie (InSAR); title: 2.2.1. Across-Track-Interferometrie und Geländetopographie; title: 2.2.2. Zusätzliche Komponenten der interferometrischen Phase; title: 2.2.2.1. Einfluss der atmosphärischen Laufzeitverzögerung; title: 2.2.2.2. Eindringtiefe in die Erdoberfläche; title: 2.2.3. Korrektur um die geometriebedingte Phasenkomponente; title: 2.2.4. Anforderungen an die Beobachtungsbasis; title: 2.2.5. Methoden zur Amplituden- und Phasenfilterung; title: 2.2.6. Phasenabwicklung; title: 2.2.7. Kohärenz der interferometrischen Phase; title: 2.3. Differentielle SAR Interferometrie (D-InSAR); title: 2.3.1. Trennung von Topographie- und Bewegungseinflüssen; title: 2.3.2. Zeitliche Dekorrelation; title: 3. SAR Interferometrie zur Beobachtung polarer Gletscher; title: 3.1. Gletscher und Gletscherdynamik aus der Sicht der SAR Interferometrie; title: 3.1.1. Physikalische Besonderheiten der Gletscheroberfläche; title: 3.1.2. Grundeigenschaften der Gletscherbewegung; title: 3.2. Bisherige Arbeiten zur Gletscherbewegung; title: 3.2.1. Arbeiten auf der Grundlage der differentiellen SAR Interferometrie; title: 3.2.2. Alternative Ansätze; title: 3.2.3. Kombination multi-temporaler Datensätze; title: 3.2.4. Folgerungen für die Entwicklung eines neuen Verfahrens; title: 4. Simultane Schätzung von Topographie und Dynamik polarer Gletscher; title: 4.1. Vermittelnde Ausgleichung zur Schätzung unbekannter Parameter; title: 4.2. Beobachtungen und Unbekannte; title: 4.3. Funktionalmodell; title: 4.3.1. Interferometrisches Modell; title: 4.3.2. Verbindung der multi-temporalen Datensätze; title: 4.3.3. Räumliche Modellierung; title: 4.3.3.1. Wahl der Flächenfunktion; title: 4.3.3.2. Bilineare Flächenfunktion; title: 4.4. Stochastisches Modell; title: 4.4.1. Signalstatistik einer SAR Auflösungszelle; title: 4.4.2. Vergleich der theoretischen Standardabweichungen mit Messdaten; title: 4.4.3. Einfluss von Orbitfehlern; title: 4.4.4. Einfluss der atmosphärischen Laufzeitverzögerung; title: 4.4.5. Eindringtiefe in die Oberfläche; title: 4.5. Parameterschätzung; title: 4.5.1. Simultane Schätzung; title: 4.5.2. Zwei-Schritt-Verfahren; title: 4.5.3. Vergleich; title: 5. Analyse des simultanen Ansatzes anhand von Simulationen; title: 5.1. Genauigkeits- und Zuverlässigkeitsanalysen; title: 5.1.1. Erreichbare Genauigkeiten; title: 5.1.2. Berechnung und Interpretation von Zuverlässigkeitsma€en; title: 5.1.3. Empfindlichkeit der Unbekannten gegenüber Modellfehlern; title: 5.2. Einfluss der Maschenweite des räumlichen Gitters; title: 5.3. Kachelung gro€er Datensätze; title: 6. Validierung mit realen Daten; title: 6.1. Beschreibung des Untersuchungsgebiets; title: 6.1.1. Geographische Lage; title: 6.1.2. Die Gletscher auf Hall Island; title: 6.2. Beschreibung der Datensätze; title: 6.3. Topographie und Bewegung des Moskau-Eisdoms auf Hall-Island; title: 6.3.1. Digitales Oberflächenmodell von Hall-Island; title: 6.3.2. Geschwindigkeitsfeld des Moskau-Eisdoms; title: 6.4. Untersuchung und Interpretation der Verbesserungen; title: 6.5. Glaziologische Interpretation der Ergebnisse; title: 6.5.1. Ableitung des 3-dimensionalen Bewegungsfeldes; title: 6.5.2. Bewegung und Bewegungsvariation des Sonklar-Gletschers; title: 6.6. Zusammenfassung; title: 7. Diskussion und Ausblick; title: 7.1. Zusammenstellung des neuen Ansatzes; title: 7.2. Bewertung; title: 7.3. Ausblick.