Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) ist eine mikrowellenbasierte Fernerkundungstechnologie zur Oberflächenhöhenrekonstruktion und Deformationsmessung durch Analyse komplexer Bilddaten von Satelliten- oder Flugzeugradarsystemen. Seit den 1970er Jahren in der Planetenbeobachtung erstmals eingesetzt, hat sich InSAR zur Kernkompetenz in folgenden Bereichen entwickelt: Geogefahrenfrühwarnung, städtische Senkungsüberwachung und Gletscherdynamikanalyse. Schlüsselvorteile umfassen:
- 🌍 24/7-Überwachungsfähigkeit
Mikrowellensignale durchdringen Wolken, Regen und Dunkelheit – unabhängig von Lichtverhältnissen;
- 📏 Millimetergenaue Präzision
Deformationsmessgenauigkeit bis auf Millimeterlevel, Höhenmessungen im Submeterbereich;
- 🛰️ Hunderte Quadratkilometer Abdeckung
Einzelne Satellitenaufnahmen erfassen hunderte Quadratkilometer – ideal für flächendeckendes Monitoring.
Phaseninterferometrie und Datenverarbeitung
Phasendifferenz und Deformationsberechnung
InSAR nutzt Phasendifferenzen zwischen zwei Radaraufnahmen zur Deformationsbestimmung. Winzige Höhenänderungen oder Verschiebungen verändern die Radarsignalausbreitungswege, was zu Phasenunterschieden im Echosignal führt. Die Datenextraktion erfolgt in vier Schritten:
- Bildregistrierung (Subpixelgenauigkeit)
Präzise Ausrichtung von SAR-Bildpixeln mit Subpixel-Toleranzen;
- Interferogramm-Generierung
Multiplikation zweier komplexer Bilder zur Phasendifferenzdarstellung;
- Phasenentfaltung
Beseitigung von Phasenmehrdeutigkeiten zur Rekonstruktion absoluter Phasenwerte;
- Deformationsberechnung
Kombination von Satellitenbahnparametern und geometrischen Modellen zur Umrechnung in vertikale/horizontale Verschiebungen.
Zeit- und Raumbaseline-Einschränkungen
- Zeitbaseline
Zeitbaseline: Der zeitliche Abstand zwischen zwei Beobachtungen muss der Deformationsgeschwindigkeit angepasst sein. Beispielsweise eignet sich das C-Band (z.B. Sentinel-1-Satellit) für die Überwachung schneller Deformationen (wie Erdbeben) mit kurzen Zeitbaselines (<84 Tage), während das L-Band (z.B. ALOS-2-Satellit) mit langen Zeitbaselines (>360 Tage) besser für die Analyse langsamer Krustenbewegungen geeignet ist.
- Raumbaseline
Die vertikale Komponente des Satellitenbahnabstands muss unter einem bestimmten Schwellenwert liegen (z.B. C-Band <300 Meter), um Signaldekorrelation zu vermeiden. Zu lange Baselines erhöhen das Phasenrauschen und erfordern Bahnoptimierung oder algorithmische Korrekturen.
- Entwicklung der Zeitreihen-InSAR-Technologie
Traditionelle Einzelinterferogrammanalyse (D-InSAR) ist anfällig für atmosphärisches Rauschen und Dekorrelation. Zeitreihen-InSAR-Technologien trennen langfristige Deformationstrends, saisonale Schwankungen und zufälliges Rauschen durch die Verarbeitung multitemporaler Bilder (typischerweise 20–100 Aufnahmen).
- PS-InSAR (Permanent Scatterer-Technologie)
Extrahiert hochpräzise Deformationszeitreihen aus stabilen starken Reflektoren (wie Gebäuden, Brücken) in urbanen Gebieten;
- SBAS-InSAR (Small Baseline Subset-Technologie)
Erhöht die Datenverfügbarkeit in vegetationsbedeckten Gebieten durch Auswahl von Interferogrammpaaren mit kurzen Raumbaselines;
- DS-InSAR (Distributed Scatterer-Technologie)
Verbessert die Überwachungsfähigkeit in komplexem Gelände durch Nutzung statistischer Eigenschaften natürlicher Streuer.
Ingenieurtechnische Anwendungen: Von Georisiken bis zur Stadtischerheit
Frühwarnung und Bewertung von Georisiken
- Erdrutschüberwachung
Beim Baige-Erdrutsch am Jinsha-Fluss 2018 identifizierte InSAR die beschleunigte Deformationsphase im Voraus und ermöglichte durch inverse Geschwindigkeitsmodelle (INV) eine Zeitfenstervorhersage für Notfallmaßnahmen.
- Erdbebendeformationsanalyse
InSAR kann co-seismische Deformationsfelder kartieren und Bruchverschiebungen quantifizieren. Die InSAR-Deformationskarte des Landers-Erdbebens 1992 (USA) wurde als Nature-Titelbild veröffentlicht.
Sicherheit urbaner Infrastruktur
- Bodenabsenkungskontrolle
Der Pekinger Flughafen erreicht durch Corner Reflector (CR) eine Messgenauigkeit von 0,1 mm zur Verfolgung von Bodenrissdynamiken;
- Stabilität von Stauseeböschungen
Patentierte InSAR-Technologien ermöglichen millimetergenaue Überwachung steiler Felsböschungen und zeigen progressive Bruchmechanismen durch Wasseranstau;
- U-Bahn-Tunnelüberwachung
Megastädte wie Shanghai nutzen InSAR-Risikokarten für die Verstärkungsplanung von U-Bahnlinien gegen ungleichmäßige Setzungen.
Hydrogeologie und Ressourcenmanagement
- Grundwasser-Rebound-Monitoring
InSAR erfasst in der nordchinesischen Tiefebene 3–6 Monate verzögerte Grundwasserantwort auf Niederschläge und liefert neue Methoden zur Berechnung des Aquiferelastizitätsmoduls;
- Ölfeldsetzungskontrolle
InSAR-Überwachung der durch Ölförderung verursachten Bodenabsenkungen optimiert Wasserinjektionsstrategien zur Vermeidung von Gebirgsschlägen.
InSAR-Technologie ermöglicht millimetergenaue kontinuierliche Überwachung von Oberflächendeformationen. Ihre beispiellose räumlich-zeitliche Auflösung erfasst Erdkrustenbewegungen von Tagen bis Jahrzehnten präzise.