polarimetry and interferometry applications
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1Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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1Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Polarimetry and Interferometry Applications
Wolfgang KeydelMicrowaves and Radar Institut
DLR OberpfaffenhofenContact Address:
Mittelfeld 4,D-82229 Hechendorf Germany
Tel.:49-8152-980 523E-mails: [email protected]
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2Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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2Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Goal
Point out exemplary some Application Possibilities of theInterferometric & to some extent Polarimetric Techniques & Systems
considered & presented in the forgoing respective Lectures in order to deepen & fasten the Auditories Understanding & Comprehension
Offer a Glance into a Selection of Representative Activities in the Domains of
Scientific , Commercial, & Operational Applicationsof
Interferometry & Polarimetry
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3Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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3Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Safety for Air Traffic TelecommunicationsDisaster management
Applications for Digital Height Models
Infrastructure planning Hydrology
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4Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Application Areas and Specific User RequirementsDriver for research & development of all SAR Technique, Technology & Systems
Real TimeRegularlyReal TimeRegularlyData access
1 hr –1 dayYearly1 hr – 1 day1 Year….Application
Revisit Time
5km – 100km40 km–100 kmVariable10km -350 km
VariableSwath Width
0,1 m -10 m1m – 5 m0.5 m – 100m3 m – 5 mSpatial Resolution
Variable20° - 60°
Variable20° - 60°
Variable20° - 60°
VariableIncidence Interval
QuadQuadQuadPolarizationL, XL, C, XL,C,L, C, XFrequency
MilitaryUrban Mapping
Disaster Management
CartographyParameter
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5Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
QuadDual/quaddual/quadquadquadPolarization
Raw Data TomographyAdditional
Real TimeRegularlyRegularlyRegularlyReal TimeData access
1 day10 days –15 days
Seasonal0.3 - 1 Year≤ 15 daysRevisit Time
Variable25 km-350 km
Variable100 km
Variable40 km – 100 km
Variable30 kmSwath Width
30 m-1 km3m – 10m3m – 10m10 m3m-30mSpatial Resolution
20° -45°20°- 45°20° -60°20° - 45°25° – 45°Incidence Interval
L,CL, C, XL, C, XL, C, XL,CFrequency
OceanographyHydrologyGeologyForestryAgricultureParameter
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6Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR Interferometry Applications & User
Creation of Land Deformation Maps with Millimetre Accuracy
Generation of Digital Elevation Models with Meter Accuracy,
Improved Target Recognition by Creation of 3D Images of Targets
Improved Land Use Classification by exploiting Coherence Measurements,
Measurement of Current Fields & Moving Target Indication
Economical & Operational Importance for Constructors (Building a Tunnel can cause Unwanted Deformation),
Governments (Dike Monitoring, Disaster Monitoring),
Military (Target Detection,Identification, Classificationm, Area Exploration
Governments & Companies creating Georectified SAR Imagery (Need for Topographic Maps), etc.
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7Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR Polarimetry Applications
Polarimetry offers Maximal Information an Electromagnetic Wave can carry. Most Modern Civil & Military Applications require full Polarimetric Systems.
Polarization will Improve exemplary:Ice Detection &Classification, Man Made Target Detection & Classification, Crop Monitoring & Clasification etc..
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Commercial Aspects are widely in the Foreground
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8Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
PolarimetryPolarization is the Orientation of the Electric Vector (E) in an Electro Magnetic Wave, frequently "Horizontal" (H) or "Vertical" (V) in conventional imaging radar systems. Polarization is Established by the Antenna.
Complete State of scattered Electromagnetic Wave described by the Scattering Matrix S, which connects
the Received Field Vector Er with the Transmitted Field Vector Et. (Börner)
Scattering Matrix Decomposition into 3 Components (Example Sperical Basis):
EHr
EVr S
EHt
EVt
SHH SHVSVH SVV
EHt
EVt
L
NMMM
O
QPPP
=L
NMMM
O
QPPP
=LNMM
OQPPL
NMMM
O
QPPP
[ ] [ ] [ ] [ ]S e e k S k S k Sj j ss sphere d diplane k helix= + +ϕ ϕn s
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9Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Scattering Matrix
E kr e j t= − +E0e r−α
ω ϕ( ) …α = jk +γ
EHscat SHHEH
inc SHVEVinc
EVscat SVHEH
inc SVVEVinc
= +
= +
IJFG
IEscat inc
EHscat
EVscatIKJJ
SFG HH
VH
SHVSVVSH
EHinc
VincE
(S) E= GFHG K
J= KHG J =
Si ki ke
j i k,
, ,= σϕ
0
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10Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Basis MatricesA generic Matrix is decomposable into Basis Matrices
SS SS S
HH HV
VH VV= LNM
OQP
a b cc a b
a b c+
−LNM
OQP
= LNMOQP
+−
LNM
OQP
+ LNMOQP
1 00 1
1 00 1
0 11 0
a b S a b SHH VV+ = − =;
a S S b S S c S SHH VV HH VV HV VH= + = − = =; ;
Scattering Vector k = (a,b,c) = (SHH + SVV ; SHH - SVV ; SHV)
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11Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Pauli Distribution
Single Bounce, odd
Double Bounce, even
Volume Scattering,diffuse
RoughSurfacePlate,
Sphere, Dihedral;
TiltedDihedral;
α
Vegetation
=
=
0110
cos2αsin2αsin2αcos2α Sdiff
= ,
1001Sodd Seven
Scattering Vector kscat = (kodd, keven, kdiff) = (SHH+ SHV, SHH- SHV; 2SHV)→
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12Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
=
=
=
0110
S,cos2αsin2αsin2αcos2α
S,1001
S dfiffus21
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13Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Example for three-dimensional ‘POL-IN-DEM’ information
E-SAR, L - Band
Differential interferogram
between HH and VV
HH-Polarization
∆- Polarization (HH-VV)
VV-Polarization
Vegetation with verticalStructures
CoherentDecomposition in orthogonal Parts
ScatteringMatrix
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14Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Combination of Polarimetry and InterferometrySAR Polarimetry (PolSAR) SAR Interferometry (InSAR)
Allows the decomposition of different scattering processes occurring inside the resolution cell
Allows the location of the effective scattering center inside the resolution cell
Polarimetric SAR Interferometry (Pol-InSAR)Potential to separate in height different scattering processes occurring inside the
resolution cell.
Sensitivity to the vertical distribution of the scattering mechanisms
Allows the investigation of 3D structure of volume scatterers
InSAR DEMSAR ImagePol. Pauli Decomposition RGB
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15Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
The Combination of Polarimetry and InterferometryPhase sensitivity SAR InterferometrySAR Polarimetry
Established technique for terrain topography estimation
allows Location of scattering centers
inside the resolution cell
Sensitive to scatterersshape, orientation and dielectric properties
Allows decomposition of different scattering processes
occurring inside the resolution cell
Polarimetric SAR InterferometryPotential to separate in height different scattering processes
occuring inside the resolution cell.
Sensitivity to the vertical distribution of the scattering mechanisms
Allows the investigation of 3D structure of volume scatterersrecovering co-registered textural plus spatial properties simultaneously
Central Part: Coherence
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16Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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16Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Applications for Digital Elevation Models DEM)
Example: Air traffic Safety
“Virtual Cockpit”
• Precise Information about Aircraft Position by GPS
• Precise Information about Topography below fromglobal, consistent DEM
(SRTM)
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17Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Hydrology: Water Flow Simulation
Globe-30 DEM SRTM DEM
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18Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Example: Polarimetric Ice, Water, & Land Classification
HH Ice Type
HV Ice Edge
HH Ice Type
HV Ice Edge
H/A/α Maximum Likelihood Classification
Results After Five Iterations
Courtesy Mc Donald Dettwiler & Associateswww.rsi.ca/rsic/ice/eoadp.asp
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19Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Military Use of Interferometry and Polarimetry“The war is father of everything”Task of Military Reconnaissance Systems
“Assist the Military Leaders in the Early Detection of Crisis Prevention & Crisis Management Efforts, Support the Top Military Leadership to plan and prepare military operations and Support Deployed Forces in the Timely Collection of Current Intelligence Information”.(Col. F. Kriegel on ”European Satellites for Security” in Brussels, June 2002),
One of the Biggest Tasks For Tactical & Strategic Consideration to get Things Timely, Safely & Efficiently at the Battlefield.
Interferometry & Polarimetry driven intensively by Military Requirements. For Target Detection, Recognition, Identification & Classification full polarimetric information is indispensable.Decomposition Theorems excellently suited for Target Exploration under Vegetation Layers due to Foliage Penetration Capability of dm-Waves etc.
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20Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Polarimetric & Interferometric SAR indispensablefor Collecting Terrain Information like Engineering Resources, Trafficability, Obstacles, Visibility, Camouflage, Concealment Potential, Information on Camping Ground, Water Supply etc.Systems mounted on Aircrafts, UAV’s, & Satellites allow actual updating of already existing Maps or establishing of new Feature Maps in Real Time.
Example: DEM’sMilitary Topographic Maps are most important for Terrain Evaluation.
Aircraft & Helicopter Missions in mountainous ore even hilly Terrain can be supported in Advance & during the Mission with DEM of respective Areas.
Soil Moisture Maps help to identify the best Way for off Road Movements etc. (necessary also for establishing Communication Links etc).
US NIMA has financed the SRTM Missionilluminating the Importance of DEM’s for Military Purposes.
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21Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Flight over unknown Area
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22Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Technical ApplicationsSRTM Systems Operation Geometry
YIC S
ZI C S
Ou tbo ard C oo rd in ate System (OCS)
Xo cs
Yo cs
Zo cs
X IC S
B
Inb oard Co ordinate System (ICS)
–YIC S
–YO RB
L ook A ngle
C ro ss-Track A lo ng-Track (Velocity Vector)
B Y
• • •• • •
• • •• • •
- 22 5 k m- 80 k m
- 50 k m
- 6 2 k m
- 5 8 k m
- 6 1 m- 233 – 247 km
Flig
ht D
irec
tion
Tim
e
1 55 0 PR F 13 441 34 415 50
Inc ide nc e A ngle
ZIC S
45°
B e am 1B 2B 3B 4C H -po lC VC VCH
Z OR B 14°
X V
- 3 0 °- 6 0 ° - 4 3 °- 5 0 °- 5 6 °
Courtesy JPL
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23Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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23Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Technical ApplicationsSRTM Systems Operation Geometry
•••
•••
•••
•
••
- 2 2 5 k m
- 8 0 k m
- 5 0 k m
- 6 2 k m
- 5 8 k m
Fli
gh
tD
ire
ct i
on
1 5 5 0P R F
1 3 4 41 3 4 41 5 5 0
45 km
PRF 1700
Tim
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24Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Tomography
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25Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
45° Steps 5° Steps
1° Step
Simulation
Illumination Source
Principle of TomographyPrinciple of TomographyIll
umin
atio
n So
urce
ImageReconstruction
Algorithm
Slice Image
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26Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Polarimetric E-SAR Image, L-BandPolarimetric E-SAR Image, L-Band
Polarimetric E-SAR Image, L-
Band
1) spruce forest2) buildings3) cars4) corner reflector
1 2 3 4
SAR Tomography
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27Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
SAR-Tomography2-dimensional image of a cut (τοµή) through a 3-dimensional Objekt
Multiple parallel repeat-pass POL-IN-SAR imaging
y
z
x
12..N-1N
n
rL
Multiple horizontal Flights
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28Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Tomography for Scattering Analysis
Scattering Mechanisms along Yellow Line at different Altitudes & Polarizations. Buildings Roof is Bright: Bright HH and VV Single Bounce is the Corner Reflector. Double Bounces at Parts of the Buildigs Roof & the Lower Parts of Trunks, Volume Scattering dominates in Tree Crowns & Under Story[Reigber, Moreira, First Demonstration of Airborne SAR Tomography IEEE Trans. GRSS, vol 38. No. 5, Sept: 2000]
VVHH
HV
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30Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Use of Interferometry for Building Measurements
Using Terrain Elevation Data from Interferometry in Combination wth Gray Value Images &
Object Shadows Allows Building Mapping
Accuracy of Buildings Mapped from Sensor with 30 cm Pixelsabout ± 3 Pixels or ± 1 m.
2 Overlapping Data Sets are Definitely Needed.
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31Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Bottom view Left &BottomResulting Minimum Bounding Rectangles fit to point clouds detected automatically from maximum combined height map for different view combinations.area 200 m x 150 m
Leberl F. W., Regine Bolter, From Multiple View Interferometric Radar to Building Models, Proc. EUSAR 2002
Left+Right+Bottom
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32Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Footprints from shadows, reconstructed from two perpendicular views, right + top Overlaid are the computed optimum rectangles to fit the Point clouds.The area covers approximately 200 m x 150Leberl F. W., Regine Bolter, From Multiple View Interferometric Radar to Building Models, Proc. EUSAR 2002
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33Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
View Combination Area Error (RMS)
Height Error (RMS)
detectedBuildings
Bottom ± 2,1 m 21
Left + Right ± 276 m2 ± 2,6 m 12
Left + Bottom ± 422 m2 ± 1,6 m 14
Left +Right + Bottom
± 207 m2 ± 1,4 m 16
Left + Right +Top + Bottom
± 120 m2 ± 1,4 m 15
± 205 m2
Resulting rms error of area & maximum height, result of applying the automated building detection algorithms to different view combinations. “Maximum height” is used to avoid the confusion resulting from sloping roofs. Leberl F. W., Regine Bolter, From Multiple View Interferometric Radar to Building Models, Proc. EUSAR 2002
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34Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
S lant RangeProcessing
InterferometricProcessing
Fusion
Result
Simulation
Comparision
Multiple View InSAR Data
Slant RangeProcessingSlant RangeProcessing
InterferometricProcessing
InterferometricProcessing
FusionFusion
ResultResult
SimulationSimulation
ComparisionComparision
Multiple View InSAR Data
Procedure for the extraction of building models from a combination of SAR images and associated interferometric data [6] R. Bolter, F. Leberl [2000]: „Phenomenology-Based and Interferometry-Guided Building Reconstruction from Multiple SAR Images“, Proc. EUSAR 2000, München, Germany, pp. 687-690
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35Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Traffic Monitoring
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36Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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36Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Velocity Measurements with Interferometric SAR
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37Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Ambigous Determination of Pixel Velocity
V FV x
rPRF
ve grae= + nFHG
IKJ3 6
20,
λAzimuth Displacement:
VV
Bnve
ae= − +λ
ππ
42Φa fAlong Track Interferometry:
B: ATI Baseline; Fgr: Slant to Ground Range Factor: n: Ambiguity Number; PRF:Pulse Repetition Frequency; r0: Slant Range Distance; x: DopplerDisplacement; Vve: vehicle velocity; Vae: aercraft velocity;
λ: wavelength; Φ: Measured ATI Phase; 3.6:Conversion Factor m/s to km/h;
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38Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Airborne Moving Target Indication
Courtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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39Institut für Hochfrequenztechnk und Radar Courtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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40Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Courtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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41Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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42Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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42Institut für Hochfrequenztechnk und Radar Courtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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43Institut für Hochfrequenztechnk und RadarCourtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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44Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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44Institut für Hochfrequenztechnk und Radar Courtesy Joao Moreira, MFFU Summerschool 2001
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45Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Space-borne Moving Target Indication with SRTM
Along Track Interferometry Capability
Due to Antenna Displacement
FGAN
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46Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Coherence map featuring a 3 km long section of the Autobahn Munich– Nuremberg. The black dots are cars displaced from the red road due to their velocities
Coherence loss indicates the presence of a moving target. The larger low coherent areas are Lakes
[Breit et. al. , Traffic Momitioring using SRTM, Proc. IGARSS 2003]
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47Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Results of the Validation Experiment Comparing 3 Measurement Methods
48.33 km/hGround VelocityVelocity resulting from GPS Measurement
52,5 km/hGround Velocity from ATI Phase42,2 km/hRadial Velocity from ATI Phase
Velocities resulting from ATI Phase (127°)47,1 km/hGround Velocity from Displacement37,9 km/hRadial Velocity from Displacement
Velocities resulting from measured azimuth displacement (130.6 pixel)InSAR data evaluation
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48Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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48Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
MTI- Interferometry, SRTM/X-SAR (Bamler, DLR)
Left: Motorway A9, Munich – Nuremberg, Germany, arrow: SRTM track. Right: SRTM/X-SAR image, motorway blue, red arrows vehicles with theirvelocities (yellow)
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49Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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49Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Ocean Current Measurements with SRTM Along Track Interferometry
Line-of-sight current field derived from the SRTM data (left) & obtained from KUSTWALD for the tidal phase 20 minutes before SRTM overpass (right); grid resolution is 100 m ×100 m; data points with valid currents from SRTM and KUSTWAD are shown only.
Romeiser et. al. Validation of SRTM-Derived Surface Currents IEEE Proc. IGARSS 03,
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50Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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50Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Romeiser et. al. Validation of SRTM-Derived Surface Currents IEEE Proc. IGARSS 03,
Scatter diagram showing the distribution of SRTM-derived vs. KUSTWAD-derived current components in the SRTM look direction, as well as corresponding statistical quantities, for the tidal phase 20 minutes before the SRTM overpass.
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51Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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51Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Mining Induced Subsidence by means of
Differential SAR- & Permanent Scattering Interferometry
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52Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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52Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Determination of Subsidence Effect caused by Ground Water Withdrawal in a Brown Coal Mining Area with D - InSAR using
Permanent Scatterers as Reference Points. Goal
Clarify Correlation between Ground Water Withdrawal, Tectonics & Subsidence on Surface by means of both
Differential SAR Interferometry & Permanent Scatterer Technique
D – InSAR: 28 ERS-1 Images registered to the same Master ImagePSI: 39 Interferograms from May 1995 to December 2000.
Perpendicular Baselines: 23 m --- 500 m (--- 1158m). 17 D-InSAR Interferograms showed Concentric, nearly Elliptic Fringes, each
corresponding to 28 mm Line of Sight Movement. For PSI 11.000 Permanent Scatterers were identified & within a reference network selected for more point wise informationFrom May 1995 to December 2000 the area affected by groundwater withdrawal sank continuously with 5 cm/year.
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53Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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53Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Subs
iden
ce/c
m
+4 cm - 4 cm
Time / day
Subsidence from PSI
Subsidence from Differential Interferogram
Results: Both techniques lead to the same subsidence rates of about 5 cm/year. Even over a time span of 1401 days reliable results were achieved with both methods. The estimated values could be verified by ground measurements of the land surveying office NRB, Germany.
Kircher et. al. Proc.Remote Sensing observations of mining induced subsidence, IGARSS 2003,
Differential Interferogram with Amplitude Overlay
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54Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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54Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Soil Moisture & Biomass Estimationusing
Polarimetric Scattering Theory
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55Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
User Requirements
Volumetric Moisture 10% - 20 %
Tree height estimation: 10%Mean forest height on Earth: 20 m
Height Accuracy: 2 m
Required Accuracy
Seasonal observation> 2 per Year
Average Tree Height Change: 3m -- 4 m per Year
Differential Height Accuracy:1 m
4 YearsTemporal Resolution
1/2 ha = 5000m2 70x70mSpatialResolution
SOIL MOISTURE CONTENTBIOMASS
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56Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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56Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
State of the Art for Soil Moisture Estimation
accuracy moisture content & surface roughness of bare surfaces :10 - 20%, moisture content ranging from 0 up to 40 [vol. %]
roughness scales up to ks < 1.
Uncertainties during measuring the surface parameters lead to inaccuracies.
Main ProblemPresence of Vegetation Cover Limits Algorithm Performance Drastically
Scattering Decomposition Techniques lead to Improvements but do not solvethe problem
Possible Solutions
Dual-Frequency Polarimetry (for example: L- and P-band) Combination of Mono- and Bi-Static Polarimetric MeasurementsCombination of Polarimetric and Interferometric Measurements
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57Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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57Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Assumption: Surface ScattererEntropy H < 0.4 & α < 0.40°
C e e e e e e C C C
Ci HVi VVi
=+
++
++
= + +
+
λ λ λ
λ
1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3
2= ki ki with ki = iei = HHi , ,
[C1] represents deterministic anisotropic surface scattering [C2] & [C3] correspond to double-bounce and/or multiple scattering components respectively. In this sense: |HH1|, |VV1|, and |HV1| values represent the scattering amplitudes corresponding to the surface scattering only. The disturbing double-bounce (if present) and multiple scattering effects affecting the original |HH|, |VV|, and |HV| have been filtered out.
Que
llena
ngab
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58Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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58Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
The Polarimetric Eigenvector Decomposition TechniqueCovariance Matrix [C] & Scattering Vector k
C kk
HH HHHV
HVHH HV HVVV
VVHH VVHv
=+
=
L
N
MMMMM
O
Q
PPPPP
2 2
2 2 2 2
2 VV 2
* HHVV*
* *
* *
HH HV VV T= 2, ,k
C e e e e e e C C C
Ci HVi VVi
=+
++
++
= + +
+
λ λ λ
λ
1 1 1 2 2 2 3 3 3 1 2 3
2= ki ki with ki = iei = HHi , ,
Decomposition of [C] leads to three 3 x 3 Independent Rank 1 Covariance Matrices [Ci ]
λ1>λ2>λ3: real non negative eigenvalues of [C]; ei (i = 1,2,3): eigenvectors. [Ci] orthogonal & independent
Que
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59Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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59Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
5
10
15
20
25
30
35Soil moisture Map: mv in Vol %
Hajnsek et. al., Terrain Correction for Quantitative Moisture and Roughness Retrieval… Proc.IGARSS’00,
Que
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60Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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60Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Soil Surface Roughness Map ks
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Hajnsek et. al., Terrain Correction for Quantitative Moisture and Roughness Retrieval… Proc.IGARSS’00,
Que
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61Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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61Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Measured versus Estimated Soil Moisture
0-4 cm 4-8 cm corr.Elbe RMSerror 8 3 0.7/0.8Weih RMSerror 7 6 0.2/-
Estimated Volumetric Moisture
0 500 m
Field 10
Field 13
Field 14
Field 16
Volu
met
ricM
oist
ure
mv/%
0
10
20
30
40
0 10 20 30 40v
v
Elbe 0-4 cmElbe 4-8 cmWeiherbach 0-4 cmWeiherbach 4-8 cm
measured mv/vol%
Hajnsek et. al., Terrain Correction for Quantitative Moisture and Roughness Retrieval… Proc.IGARSS’00,
Que
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62Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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62Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Which is the Optimum Frequency Band ???
C-band
Pro:
Established Technology
Contra:
Limited Penetration Capabilityin Dense Vegetation
Temporal Decorrelation(repeat pass implementation)
ks range to small for a variety of natural surfaces
(repea
L-band
Pro:
Established TechnologyHigher Penetration Capability
Wide Spectrum of Applications
ks range covers most natural surfaces
Contra:
Long TermTemporal Decorrelation
t pass implementation)
Open Question:
Does L-band see the groundin tropical forest???
P-band
Pro:
Approved Penetration Capabilityin Tropical Forest
Contra:
Spatial Resolution(Limited Bandwidth)
Non-Established Technology
Limited ApplicationSpectrum
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63Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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63Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Interpretation of Coherence MapsResults from SIR-C
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64Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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64Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Multifrequency Interferogram Magnitudes, Mt. EtnaSIR-C
Co-registered slant range SAR images. Ground range: 66.8 km x 9 km X-band:16000 pulses &1024 range bins, L- and C-band: 2048 range bins
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65Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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65Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Coregistered Interferogrammes with flat earth, Mt. Etna, SIR-C
Coregistered Set of Interferogrammes
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66Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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66Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Coregistered Multifrequency Interferogrammes, Mt. Etna, after Flat Earth Removal
Ground range: 66.8 km x 9 km. X-band:16000 pulses &1024 range bins, L- and C-band: 2048 range bins
Que
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67Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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67Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Coregistered Coherence Maps, Mt. Etna, SIR-C
X-Band
C-Band
L-Band
Ground range: 66.8 km x 9 km. X-band:16000 pulses &1024 range bins, L- and C-band: 2048 range bins
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68Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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68Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
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69Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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69Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Multifrequency Phase UnwrappingWrapped
Phases with Ef
Ef: Scaled Flat Earth Funktion
UnwrappedPhases without Ef
Scaling to X-Band for Comparision Purposes
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70Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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70Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
F
X CXc L
X
L
=
+F
HG
I
KJ +
F
HG
I
KJ
12 2
γ γλ
λ γλ
λ
Multifrequency Phase Fusion Scheme
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71Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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71Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Effect of Filtering
unfiltered filtered
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72Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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72Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Pixel
unfiltered
filtered
rad
Pixel Size: 21 m
3200 Pixel ~ 67 km
2π ~
Filtering
before phase unwrapping
400020001000 3000
200
200
400
400
Pixel
unfiltered
filtered
rad
400020001000 3000
200
200
400
400
Multifrequency evaluation: Unwrapped Phase Profiles
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73Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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73Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Main Features considered in the Fusion Algorithm
19 m4,5 m2,5 mHeight standard deviation
highlowlowCoherence over areaswith dense vegetation
highmediumlowCoherence over areaswith sparse vegetation
highhighhighCoherence over areaswithout vegetation
noyesyesBias
L-BandC-BandX-BandFeatures
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74Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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74Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
∆ Φ ∆ΦzR
B=
−
λ ϑ
π ϑ ξ0
4
sin
cos( )
∆Φ = 12°; γL= γL= γL= 0,9
SNR > 10 dB
ϑ =49°; B =54 m; ξ = 41°
R = 316 km
∆Φ = 2π
∆zλ = λ 2,23 km
∆zL= 512 m
∆zc= 111,5 m
∆zx= 66,9 m
Que
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75Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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75Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Coherence and Phase Error Examples from SIR-C
±0,13 °-50 dB
±4,02 °-20 dB±12,8 °-10 dB
±50,7 °0 dB
Phase Error∆Φ (rms)
Ambiguity Ratio
±4°30 dB
±9°25 dB
±13°20 dB
±21°15 dB
±40°10 dB
Phase Error∆Φ (rms)
SNR
Good coherencebetween 2 passes
X-Band: < 1 day
C-Band: < 3 days
L-Band: < 30 days
Que
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76Institut für Hochfrequenztechnk und RadarsystemeQue
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76Institut für Hochfrequenztechnk und Radar
Coherence Classification, Mt. Etna, Sir-C Data