Original paper

DInSAR Time Series of ALOS PALSAR and ENVISAT ASAR Data for Monitoring Hashtgerd Land Subsidence due to Overexploitation of Groundwater

Ashrafianfar, Nazemeh; Busch, Wolfgang; Dehghani, Maryam; Knospe, Steffen; Tabari, Mahmud Mohammad Rezapour

Abstract

Differential SAR Interferometry (DInSAR) is able to monitor land deformation at submillimetre as an areal measurement. DInSAR time series calculates land deformation on every radar acquisition date from all individual interferograms in relation to the first/arbitrary date. These calculations help to monitor long term (trend) as much as short terms (seasonal) variations of the land deformation. This research endeavours to investigate the feasibility of a time series algorithm by use of no consecutive radar data in a case study. The Hashtgerd area of north-western Iran is subject to land subsidence resulting from the overexploitation of groundwater. The only tool for areal monitoring subsidence in this area was the DInSAR method. SAR data covering the Hashtgerd Plain include ENVISAT ASAR and ALOS PALSAR data. The interferograms were calculated by ENVISAT ASAR and ALOS PALSAR raw data. For this calculation, the two-pass DInSAR method was applied. Time series algorithm was worked out in three main steps by use of calculated differential interferograms containing less decorrelation, atmospheric effects, topographic and unwrapping error and other noise sources. Firstly, residual orbital tilts and linear atmospheric effects were reduced from all interferograms by use of a least-squares plane fitting approach. Secondly, all interferograms were corrected in relation to one reference point. Finally, DInSAR time series was elaborated by a least-squares-based method integrated with a finite difference approximation approach. This algorithm was successful to link separate groups of interferograms by use of a proper weighting factor, and reduced a nonlinear part of atmospheric effects. The results of Hashtgerd time series calculations showed a relatively constant long term variation of subsidence about 14 cm/yr, in spite of seasonal variations of subsidence. The time series results of ENVISAT ASAR were compared with the ALOS PALSAR time series results and by GPS data. The DInSAR time series results demonstrated the ability of the time series algorithm applied and the accuracy of the optimal weighting factor determined.

Kurzfassung

Die Differentielle SAR-Interferometrie (DInSAR) ist eine flächenhaft arbeitende Messmethode, mit der Bodenbewegungen im Millimeter-Bereich bestimmt werden können. Mit DInSAR-Zeitreihen lassen sich Bodenbewegungen überwachen, wobei zu jedem Datum einer Radarmessung die Line-of-Sight (LOS) Entfernungsänderung in Bezug auf ein gewähltes (beliebiges Referenz-) Datum bestimmt wird. Diese Berechnungen helfen, sowohl langfristige Trends als auch kurzzeitige, z. B. saisonale, Variationen der Bodenbewegung abzuleiten. In die sem Beitrag wird die Anwendbarkeit eines Algorithmus zur Zeitreihenauswertung untersucht, wobei für das Untersuchungsgebiet nur unterbrochene Zeitreihen aufeinanderfolgender Radardaten zur Verfügung standen. Die Hashtgerd Ebene im Nordwesten des Iran unterliegt Bodensenkungen, die durch ein übermäßiges Abpumpen des Grundwassers hervorgerufen werden. Die einzige anwendbare Messmethode für eine flächenhafte Überwachung der Bodensenkungen in diesem Bereich ist das DInSAR-Verfahren. Für das Untersuchungsgebiet sind SAR-Daten (ENVISAT-ASAR und ALOS-PALSAR) verfügbar. Die Interferogramme wurden aus den Rohdaten mit der GAMMA Software berechnet. Bei dieser Berechnung wurde das two-pass-DInSAR Verfahren und ein SRTM-Höhenmodell verwendet. Der Zeitreihenalgorithmus gliedert sich in drei Hauptschritte, wobei nur Interferogramme mit hoher Kohärenz und deutlichem Bodenbewegungs-signal benutzt werden. Im ersten Schritt werden residuale (Orbit-) Trends und großräumige atmosphärische Effekte reduziert, indem in allen Interferogrammen eine mit einer Kleinste Quadrate Schätzung angepasste Trendebene abgezogen wurde. Zweitens wurden alle Interferogramme in Bezug auf einen identischen Referenzpunkt außerhalb des durch Bodenbewegungen beeinflussten Gebietes reduziert. Im dritten Schritt wurde die eigentliche Berechnung der Zeitreihen mit einer Ausgleichungsrechnung auf der Basis einer Finite-Differenzen-Approximation durchgeführt. Die Ergebnisse der Zeitreihenberechnungen zeigten eine relativ konstante langfristige Bodensenkung von etwa 14 cm/Jahr sowie deutliche saisonale Schwankungen der Bodenbewegungen. Die Ergebnisse der ENVISAT-ASAR-Daten-Auswertung wurden den Ergebnissen aus ALOS-PALSAR-Daten sowie GPS-Daten gegenübergestellt. Mit dem vorgestellten Algorithmus konnten auch zeitlich getrennte Blöcke von Interferogrammen durch die Verwendung eines geeigneten Gewichtungsfaktors verbunden sowie ein nichtlinearer Störgrößenanteil (Trend) und atmosphärische Effekte reduziert werden. Die Ergebnisse der DInSAR-Zeitreihenberechnungen belegen die Nutzbarkeit des hier vorgestellten Algorithmus und die Adäquatheit des abgeleiteten Gewichtungsfaktors.

Keywords

time serieshashtgerdgroundwater overexploitationdinsarland subsidence