Research project SAR4Infra
Landesamt für Vermessung und Geoinformation Schleswig-Holstein (LVermGeo SH)
Leibniz Universität Hannover, Institut für Photogrammetrie und GeoInformation (IPI)
Helmholtz-Zentrum Potsdam, Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ)
Landesbetrieb Straßenbau und Verkehr Schleswig-Holstein (LBV.SH)
Mit Sentinel-1-Radardaten Verkehrsinfrastruktur überwachen
Methodik
Radarinterferometrie ist eine Technik, die es ermöglicht, Veränderungen auf der Erdoberfläche präzise zu erfassen und zu überwachen. Im Rahmen des Forschungsprojekts SAR4Infra wird diese Technologie genutzt, um Gefährdung der Verkehrsinfrastruktur in Schleswig-Holstein mithilfe von Sentinel-1 (S1) Daten zu überwachen und zu analysieren.
Das Projekt
SAR4Infra soll durch den Aufbau eines automatisierten Systems eine frühzeitige Erkennung von Deformation der Verkehrsinfrastruktur (Straßen, Schienen, Brücken) ermöglichen. Somit sollen potenzielle Gefahrenstellen verhindert und die Verkehrssicherheit gewährleistet werden. Zur effizienten Verarbeitung wird die operationelle Prozesskette auf eine Open-Source-Software-Lösung aufgesetzt und in der CODE-DE Cloud-Umgebung integriert, welche die benötigten S1-Daten bereits vorhält. Hierbei sind die Phaseninformationen der S1-Daten von Interesse. Über einen längeren Zeitraum können viele Phasenbilder zu einem Bildstapel aufgebaut und analysiert werden. Die Phasenunterschiede zwischen den einzelnen Aufnahmezeitpunkten können in sogenannten Interferogrammen gemessen werden, und es wird ein Langzeittrend (Senkung, Hebung oder stabil) millimetergenau bestimmt. Außergewöhnliche Bodenbewegungen sollen so frühzeitig detektiert werden. Das Ergebnis ist eine Risikoabschätzungskarte für gefährdete Infrastruktur, die regelmäßig und interaktiv nach Bedarf aktualisiert werden kann, um so für Interessensgebiete sich dynamisch entwickelnde Schäden zeitnah zu detektieren. Bereitgestellt werden sollen die Ergebnisse über einen Webservice.
Abbildung 1: Überblick über die drei Schritte der Prozesskette. Die Steuerung erfolgt mittels einer API.
Die entwickelte Prozesskette besteht aus drei Teilen (Abbildung 1). Zunächst werden die vorgehaltenen S1-Daten zueinander koregistriert und ein Bildstapel wird erstellt (Preprocessing). Im nächsten Schritt werden für Rückstreuer mit gutem Signal-zu-Rausch-Verhältnis Bewegungszeitreihen abgeleitet (Timeseries). Abschließend werden die Rückstreuer mit der Lage der Verkehrsinfrastruktur verschnitten und zu Polygonen zusammengefügt (Postprocessing). Das Ergebnis wird dann im WebGIS des LVermGeo.SH visualisiert und den Nutzerinnen und Nutzern zur Verfügung gestellt. Die Prozesskette wird automatisch um neue Bilder ergänzt. Dafür werden die neuen Bilder zum existierenden Bildstapel koregistriert und für die Zeitreihenanalyse vorgehalten. Mittels einer Schnittstelle (API) kann interaktiv ein Gebiet mit Zeitrahmen für die Zeitreihenanalyse ausgewählt werden. Die Ergebnisse werden nach der Prozessierung über die Schnittstelle transferiert.
Als Methode der Zeitreihenauswertung hat sich die Persistent Scatterer Interferometrie als geeignet erwiesen. Im Projekt wurden existierende Zeitreihenmethoden verglichen und hinsichtlich der Verkehrsinfrastruktur angepasst. Dabei wurde die Methodik um eine Phasenfilterung ergänzt. Die Filterung soll die Anzahl der Messpunkte auf der Verkehrsinfrastruktur erhöhen. Auch wenn die Anzahl der Messpunkte nicht reicht, um die Verkehrsinfrastruktur flächenhaft abzudecken (Abbildung 2), kann jedoch mit der entwickelten Methodik eine Gefährdungsabschätzung als Ergänzung zu den üblichen Feldmessungen durchgeführt werden.
Abbildung 2: Ausgewertete Rückstreuer auf einer Autobahnbrücke und Fahrbahn. Die Punktdichte hängt vom jeweiligen Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Rückstreuer ab. Hintergund DOP ©GeoBasis-DE/LVermGeo SH/CC-BY 4.0
SAR4Infra bietet dank der kontinuierlichen Aufdatierung und der Prozessierung nach Bedarf einen zum deutschen und europäischen Bodenbewegungsdienst komplementäre Gefährdungsabschätzung für Verkehrsinfrastrukturen in Schleswig-Holstein.
Abbildung 3: Segmente der Verkehrsinfrastruktur mit ihren mittleren Geschwindigkeiten. Die Messpunkte außerhalb der Verkehrsinfrastruktur dienen der robusteren Ableitung von Bodenbewegungen. Hintergrund DOP ©GeoBasis-DE/LVermGeo SH/CC-BY 4.0
