Robust and Flexible Persistent Scatterer Interferometry for Long-Term and Large-Scale Displacement Monitoring

Die Persistent Scatterer Interferometrie (PSI) ist eine Methode zur Überwachung von Verschiebungen der Erdoberfläche aus dem Weltraum. Sie basiert auf der Identifizierung und Analyse von stabilen Punktstreuern (sog. Persistent Scatterer, PS) durch die Anwendung von Ansätzen der Zeitreihenanalyse auf Stapel von SAR-Interferogrammen. PS Punkte dominieren die Rückstreuung der Auflösungszellen, in denen sie sich befinden, und werden durch geringfügige Dekorrelation charakterisiert. Verschiebungen solcher PS Punkte können mit einer potenziellen Submillimetergenauigkeit überwacht werden, wenn Störquellen effektiv minimiert werden. Im Laufe der Zeit hat sich die PSI in bestimmten Anwendungen zu einer operationellen Technologie entwickelt. Es gibt jedoch immer noch herausfordernde Anwendungen für die Methode. Physische Veränderungen der Landoberfläche und Änderungen in der Aufnahmegeometrie können dazu führen, dass PS Punkte im Laufe der Zeit erscheinen oder verschwinden. Die Anzahl der kontinuierlich kohärenten PS Punkte nimmt mit zunehmender Länge der Zeitreihen ab, während die Anzahl der TPS Punkte zunimmt, die nur während eines oder mehrerer getrennter Segmente der analysierten Zeitreihe kohärent sind. Daher ist es wünschenswert, die Analyse solcher TPS Punkte in die PSI zu integrieren, um ein flexibles PSI-System zu entwickeln, das in der Lage ist mit dynamischen Veränderungen der Landoberfläche umzugehen und somit ein kontinuierliches Verschiebungsmonitoring ermöglicht. Eine weitere Herausforderung der PSI besteht darin, großflächiges Monitoring in Regionen mit komplexen atmosphärischen Bedingungen durchzuführen. Letztere führen zu hoher Unsicherheit in den Verschiebungszeitreihen bei großen Abständen zur räumlichen Referenz. Diese Arbeit befasst sich mit Modifikationen und Erweiterungen, die auf der Grund lage eines bestehenden PSI-Algorithmus realisiert wurden, um einen robusten und flexiblen PSI-Ansatz zu entwickeln, der mit den oben genannten Herausforderungen umgehen kann. Als erster Hauptbeitrag wird eine Methode präsentiert, die TPS Punkte vollständig in die PSI integriert. In Evaluierungsstudien mit echten SAR Daten wird gezeigt, dass die Integration von TPS Punkten tatsächlich die Bewältigung dynamischer Veränderungen der Landoberfläche ermöglicht und mit zunehmender Zeitreihenlänge zunehmende Relevanz für PSI-basierte Beobachtungsnetzwerke hat. Der zweite Hauptbeitrag ist die Vorstellung einer Methode zur kovarianzbasierten Referenzintegration in großflächige PSI-Anwendungen zur Schätzung von räumlich korreliertem Rauschen. Die Methode basiert auf der Abtastung des Rauschens an Referenzpixeln mit bekannten Verschiebungszeitreihen und anschließender Interpolation auf die restlichen PS Pixel unter Berücksichtigung der räumlichen Statistik des Rauschens. Es wird in einer Simulationsstudie sowie einer Studie mit realen Daten gezeigt, dass die Methode überlegene Leistung im Vergleich zu alternativen Methoden zur Reduktion von räumlich korreliertem Rauschen in Interferogrammen mittels Referenzintegration zeigt. Die entwickelte PSI-Methode wird schließlich zur Untersuchung von Landsenkung im Vietnamesischen Teil des Mekong Deltas eingesetzt, das seit einigen Jahrzehnten von Landsenkung und verschiedenen anderen Umweltproblemen betroffen ist. Die geschätzten Landsenkungsraten zeigen eine hohe Variabilität auf kurzen sowie großen räumlichen Skalen. Die höchsten Senkungsraten von bis zu 6 cm pro Jahr treten hauptsächlich in städtischen Gebieten auf. Es kann gezeigt werden, dass der größte Teil der Landsenkung ihren Ursprung im oberflächennahen Untergrund hat. Die präsentierte Methode zur Reduzierung von räumlich korreliertem Rauschen verbessert die Ergebnisse signifikant, wenn eine angemessene räumliche Verteilung von Referenzgebieten verfügbar ist. In diesem Fall wird das Rauschen effektiv reduziert und unabhängige Ergebnisse von zwei Interferogrammstapeln, die aus unterschiedlichen Orbits aufgenommen wurden, zeigen große Übereinstimmung. Die Integration von TPS Punkten führt für die analysierte Zeitreihe von sechs Jahren zu einer deutlich größeren Anzahl an identifizierten TPS als PS Punkten im gesamten Untersuchungsgebiet und verbessert damit das Beobachtungsnetzwerk erheblich. Ein spezieller Anwendungsfall der TPS Integration wird vorgestellt, der auf der Clusterung von TPS Punkten basiert, die innerhalb der analysierten Zeitreihe erschienen, um neue Konstruktionen systematisch zu identifizieren und ihre anfängliche Bewegungszeitreihen zu analysieren

Jan Wijnants oder die Kunst sich selbst zu kopieren. Kunsthistorische und kunsttechnologische Überlegungen zu einer wiederentdeckten Landschaft mit Herde

Der Landschaftsmaler Jan Wijnants (Haarlem? um 1631/2 – 1684 Amsterdam) ist ein typischer Vertreter der niederländischen Landschaftskunst des 17. Jahrhunderts. Eine mit seinem Namenszug versehene Landschaft mit Herde wurde am Institut für Technologie der Malerei der Staatlichen Akademie der Bildenden Künste Stuttgart kunsttechnologisch untersucht. Die Ergebnisse der kunsttechnologischen Untersuchung sowie kunsthistorische Überlegungen zu diesem so bemerkenswerten wie typischen Zeugnis seiner Kunst, zu der es gehörte, sich selbst zu kopieren, werden hier zur Diskussion gestellt

Ice flow and the conditions of the ice-bed interface at the onset of the Northeast Greenland Ice Stream

The Northeast Greenland Ice Stream (NEGIS) is an important dynamic component contributing to the total mass balance of the Greenland ice sheet, as it reaches up to the central divide and drains 12% of the ice sheet. The ice stream geometry and surface velocities in the onset region of the NEGIS are not yet sufficiently well reproduced by ice sheet models. We present an assessment of the basal conditions of the onset region in a systematic analysis of airborne ultra-wideband radar data. Our data yield a new detailed model of ice-thickness distribution and basal topography in the upstream part of the ice stream. We observe a change from a smooth to a rougher bed where the ice stream widens from 10 to 60 km, and a distinct roughness anisotropy, indicating a preferred orientation of subglacial structures. The observation of off-nadir reflections that are symmetrical to the bed reflection in the radargrams suggests that these structures are elongated subglacial landforms, which in turn indicate potential streamlining of the bed. Together with basal water routing pathways, our observations hint to two different zones in this part of the NEGIS: an accelerating and smooth upstream region, which is collecting water, with reduced basal traction, and in the further downstream part, where the ice stream is slowing down and is widening, with a distribution of basal water towards the shear margins. Our findings support the hypothesis that the NEGIS is strongly interconnected to the subglacial water system in its onset region, but also to the subglacial substrate and morphology

Identifying Causes of Urban Differential Subsidence in the Vietnamese Mekong Delta by Combining InSAR and Field Observations

The Mekong delta, like many deltas around the world, is subsiding at a relatively high rate, predominately due to natural compaction and groundwater overexploitation. Land subsidence influences many urbanized areas in the delta. Loading, differences in infrastructural foundation depths, land-use history, and subsurface heterogeneity cause a high spatial variability in subsidence rates. While overall subsidence of a city increases its exposure to flooding and reduces the ability to drain excess surface water, differential subsidence results in damage to buildings and above-ground and underground infrastructure. However, the exact contribution of different processes driving differential subsidence within cities in the Mekong delta has not been quantified yet. In this study we aim to identify and quantify drivers of processes causing differential subsidence within three major cities in the Vietnamese Mekong delta: Can Tho, Ca Mau and Long Xuyen. Satellite-based PS-InSAR (Persistent Scatterer Interferometric Synthetic Aperture Radar) vertical velocity datasets were used to identify structures that moved at vertical velocities different from their surroundings. The selected buildings were surveyed in the field to measure vertical offsets between their foundation and the surface level of their surroundings. Additionally, building specific information, such as construction year and piling depth, were collected to investigate the effect of piling depth and time since construction on differential vertical subsidence. Analysis of the PS-InSAR-based velocities from the individual buildings revealed that most buildings in this survey showed less vertical movement compared to their surroundings. Most of these buildings have a piled foundation, which seems to give them more stability. The difference in subsidence rate can be up to 30 mm/year, revealing the contribution of shallow compaction processes above the piled foundation level (up to 20 m depth). This way, piling depths can be used to quantify depth-dependent subsidence. Other local factors such as previous land use, loading of structures without a piled foundation and variation in piling depth, i.e., which subsurface layer the structures are founded on, are proposed as important factors determining urban differential subsidence. PS-InSAR data, in combination with field observations and site-specific information (e.g., piling depths, land use, loading), provides an excellent opportunity to study urban differential subsidence and quantify depth-dependent subsidence rates. Knowing the magnitude of differential subsidence in urban areas helps to differentiate between local and delta wide subsidence patterns in InSAR-based velocity data and to further improve estimates of future subsidence

Detecting and monitoring ice-shelf basal mass balance in Dronning Maud Land, East Antarctica

Ice shelves control the dynamic mass loss of ice sheets through buttressing. Their integrity also depends on their total mass balance, with the the spatial variability of their basal mass balance (BMB), i.e. the difference between basal refreezing and melting, being an important component. Here, we present an improved technique – based on satellite observations – to capture the small-scale variability in the BMB of ice shelves. We use mass conservation in a Lagrangian framework based on high-resolution horizontal surface velocities, atmospheric-model surface mass balance and hydrostatic ice-thickness fields (derived from TanDEM-X surface elevation). Spatial derivatives are implemented using the total-variation differentiation, which preserves abrupt changes in flow velocities and their spatial gradients. Such changes may reflect a dynamic response to localized basal melting and should be included in the mass budget. After successfully developing the technique with TanDEM-X elevations from 2013-2014 for the Roi Baudouin Ice Shelf, Dronning Maud Land, East Antarctica (Fig. 1), we upscaled our results spatially to all ice shelves in Dronning Maud Land that are located between Fimbul and Roi Baudouin ice shelves. The BMB field we produce shows a large-scale pattern in close agreement with previous and studies in coarser resolution. However,our results also indicate that we are in addition able to detect small-scale features in the BMB with unprecedented detail (at a gridding of <50 m). Beyond the static field of BMB we also investigate temporal changes in the BMB by combining our BMB basedon TanDEM-X elevations with coarser BMB based on Cryosat-2 data

Airborne ultra-wideband radar sounding over the shear margins and along flow lines at the onset region of the Northeast Greenland Ice Stream

We present a high-resolution airborne radar data set (EGRIP-NOR-2018) for the onset region of the Northeast Greenland Ice Stream (NEGIS). The radar data were acquired in May 2018 with the Alfred Wegener Institute's multichannel ultra-wideband (UWB) radar mounted on the Polar 6 aircraft. Radar profiles cover an area of ∼24 000 km2 and extend over the well-defined shear margins of the NEGIS. The survey area is centered at the location of the drill site of the East Greenland Ice-Core Project (EastGRIP), and several radar lines intersect at this location. The survey layout was designed to (i) map the stratigraphic signature of the shear margins with radar profiles aligned perpendicular to ice flow, (ii) trace the radar stratigraphy along several flow lines, and (iii) provide spatial coverage of ice thickness and basal properties. While we are able to resolve radar reflections in the deep stratigraphy, we cannot fully resolve the steeply inclined reflections at the tightly folded shear margins in the lower part of the ice column. The NEGIS is causing the most significant discrepancies between numerically modeled and observed ice surface velocities. Given the high likelihood of future climate and ocean warming, this extensive data set of new high-resolution radar data in combination with the EastGRIP ice core will be a key contribution to understand the past and future dynamics of the NEGIS. The EGRIP-NOR-2018 radar data products can be obtained from the PANGAEA data publisher (https://doi.pangaea.de/10.1594/PANGAEA.928569; Franke et al., 2021a)

Three-dimensional topology dataset of folded radar stratigraphy in northern Greenland

We present a dataset of reconstructed three-dimensional (3D) englacial stratigraphic horizons in northern Greenland. The data cover four different regions representing key ice-dynamic settings in Greenland: (i) the onset of Petermann Glacier, (ii) a region upstream of the 79° North Glacier (Nioghalvfjerdsbræ), near the northern Greenland ice divide, (iii) the onset of the Northeast Greenland Ice Stream (NEGIS) and (iv) a 700 km wide region extending across the central ice divide over the entire northern part of central Greenland. In this paper, we promote the advantages of a 3D perspective of deformed englacial stratigraphy and explain how 3D horizons provide an improved basis for interpreting and reconstructing the ice-dynamic history. The 3D horizons are provided in various formats to allow a wide range of applications and reproducibility of results