Sentinel-1 InSAR over Germany: Large-Scale Interferometry, Atmospheric Effects, and Ground Deformation Mapping

In this study, three highlights of Sentinel-1 (S-1) Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) over Germany are presented to evaluate the potential and opportunities provided by this European SAR mission. Firstly, large-scale interferometry across the country is presented and analyzed against atmospheric models from ERA-Interim and GNSS (Global Navigation Satellite System) to assess the perspective provided by S-1 for atmospheric modeling and large-scale displacement analysis. We then analyzed localized deformations related to anthropogenic activities at two different regions using S-1 InSAR time-series analysis. In the first case study, small-magnitude (mm/yr) displacement related to underground gas storage and landfill compaction in Berlin is investigated. Despite low rates of displacement, Persistent Scatterer InSAR (PSI) using an extensive collection of S-1 data reflects both the long-term trend and seasonal variations related to dynamics of gas storage in the reservoir. We estimate long-term surface uplift of up to 2 mm/yr between October 2014 and January 2017 and seasonal variations of up to 2 cm due to charge and discharge of the reservoir during summer and winter periods. An old demolishing landfill NW of Berlin was also found to be subsiding with rates as much as 8 mm/yr. The other case study is a brown coal mining area south of Leipzig. Time-series of S-1 data using the Small BAseline Subset (SBAS) approach provides new insights into mining-induced deformations in this region. Our results show rapid subsidence of up to 4 cm/yr between October 2014 and April 2017 in two active open-pit mining areas in the region.

In dieser Studie werden Anwendungsbeispiele von InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) in Deutschland vorgestellt, um Möglichkeiten und Chancen der europäischen SAR-Mission Sentinel-1 (S-1) zu bewerten. Zunächst werden großmaßstäbliche landesweite Interferometrie-Messungen beschrieben und atmosphärischen Modellen von ERA-Interim und GNSS (Global Navigation Satellite System) gegenübergestellt, um abzuschätzen, welche Möglichkeiten sich für atmosphärische Modelle und Displacement-Analysen durch S-1-Daten ergeben. Anschließend werden lokale, aus Sentinel-1-Zeitreihen (time-series analysis) erhaltene, anthropogen-bedingte Deformationen in zwei Regionen analysiert. Im ersten Regionalbeispiel (Berlin-Spandau) wurden kleinräumige Verschiebungen im mm-Bereich pro Jahr festgestellt (Hebungen im Untergrundgasspeicher bei Spandau und Absenkungen in einer alten Deponie, Lutoner Straße). Die Untersuchungen erfolgten mit der Persistent Scatterer InSAR-Methode (PSI). Nutzt man die zeitlich höher aufgelösten S-1-Zeitreihen, können sowohl Langzeittrends als auch saisonale Veränderungen bestimmt werden. Es wurden langfristige Hebungen (2 mm pro Jahr zwischen Oktober 2014 bis Januar 2017) sowie saisonale Veränderungen von bis zu 2 cm festgestellt (Gaseinspeicherung und -entnahme in Sommer- und Winterperioden). Die erwähnte ältere Mülldeponie im Berliner Nordwesten zeigt Absenkungsraten von etwa 8 mm pro Jahr (fortschreitende Kompaktion der deponierten Massen). Im anderen Fallbeispiel (Braunkohlenrevier südlich von Leipzig) lassen sich zwischen Oktober 2014 und April 2017 in zwei aktiven Abbaugebieten mit dem Small BAseline Subset (SBAS)-Ansatz in den Sentinel-1-Zeitreihen schnelle Absenkungen von bis zu 4 cm pro Jahr erkennen.