The application of advanced interferometric radar analysis for monitoring ground subsidence [Elektronische Ressource] : a case study in Bangkok / Jirathana Worawattanamateekul

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• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2006
• Nombre de lectures: 21
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 42 Mo

Extrait

Institut für Photogrammetrie und Kartographie
The Application of Advanced Interferometric Radar Analysis
for Monitoring Ground Subsidence: A Case Study in Bangkok
Jirathana Worawattanamateekul
Vollständiger Abdruck
der von der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen
der Technischen Universität München
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktors der Naturwissenschaften (Dr.rer.nat.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender:
Univ.-Prof. Dr.rer.nat. K. Thuro
Prüfer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr.-Ing.habil. R. H. G. Bamler
2. Prof. Dr.rer.nat. Dr.rer.nat.habil. W. Altermann,
Ludwig-Maximilians-Universität München
Die Dissertation wurde am 13.2.2006 bei der Technischen Universität München ein-
gereichtunddurchdieFakultätfürBauingenieur-undVermessungswesenam 10.3.2006
angenommen.Gedruckt mit Unterstützung des Deutschen Akademischen AustauschdienstesZusammenfassung
Die vorliegende Arbeit untersucht die Anwendbarkeit der ’Persistent Scatterer’ Inter-
ferometrie (PSI) zur Vermessung der Landsenkung in Großraum Bangkok (Thailand).
Es ist gezeigt worden, dass PSI die Möglichkeiten der konventionellen differenziellen
Interferometrie zur Ableitung hoch präziser Bewegungsmessungen erweitert und viele
der typischen Einschränkungen umgeht. Aber sie erfordert typischerweise eine große
Zahl von SAR (Synthetisches Apertur Radar) Akquisitionen.
Landsenkungsmessungen mit konventionellen Methoden sind zwar hoch genau, aber
durch große Messpunktabstände und seltene Messungen limitiert. Engere und häu-
figere Senkungsmessungen sind wesentlich um die Charakterisierung und das Ver-
ständnis der Landsenkung zu verbessern, die durch die Volumenabnahme in Bangkoks
Grundwassersystem verursacht wird. Im Prinzip können mit satelliten-gestützter PSI
Senkungskartierungen mit hoher Messpunktdichte und häufigen (z.B. 35 Tage für die
ERS-1/2Satelliten) Messungen aufFlächen bis etwa 10000Quadratkilometerdurchge-
führt werden.
Für diese Untersuchung wurde die PSI mit ERS-1/2 C-Band Daten unter schwierigen
Bedingungen angewandt um Oberflächensenkungen zu messen. Diese schwierigen Be-
dingungen waren insbesondere die starken atmosphärischen Einflüsse auf das Signal,
die hohen und zeitlich veränderlichen Senkungsraten sowie die Tatsache, dass nur 20
SARAkquisitionenfürdenZeitraumvon1996bis2000verfügbarwarenvergleichsweise
wenigefüreinePSIAuswertung. MeineErgebnisse zeigendennoch, dassesmöglichist,
mit der PSI Methode Senkungsraten mit einer Genauigkeit von mm/a zu bestimmen.
2Mit einer Punktdichte von 28 PS/km stellt diese PSI-Messung die detaillierteste In-
formation über das Absenkungsfeld in Bangkok dar, die derzeit verfügbar ist. Die
verbesserteCharakterisierungzeigtdeutlich,dassdieSenkungsratenimUntersuchungs-
gebiet und -zeitraum von Westen nach Osten hin zugenommen haben. Maximale
Senkungsgeschwindigkeiten von 42 mm/a werden im Nordosten der Kreuzung zwis-
chen Srinakarin road und Teparak road gemessen. Ausserdem wurde eine statistische
Beschreibung der Qualität der gemessenen Senkungsraten abgeleitet.
iiiEin Vergleich mit unabhängigen Nivellierungsmessungen bestätigt, dass die erreichte
Genauigkeit, trotz der nicht idealen Bedingungen für die Untersuchung, an Orten die
näherungsweise konstante Senkungsraten aufweisen besser als 1.5 mm/a ist. Die Un-
terschiede zwischen den aus der PSI-Analyse und den Nivellierungsdaten abgeleiteten
Senkungsraten nehmen zu, wo sich die Senkungsraten zeitlich ändern. In Gebieten mit
zeitlich linearem Senkungsverhalten stimmen die Senkungsraten für 6 von 10 Monu-
mente innerhalb von ±1.5mm/a überein.
DiePSISenkungsraten werden zusammen mitinBrunnengemessenen änderungenvon
Grundwasser-Pegeln genutzt, um einen Gesamt-Speicherkoeffizienten für das Bangkok
Grundwassersystem an mehreren Stellen zu bestimmen. Diese Untersuchung stellt
die erste Anwendung von PSI zur Ableitung von Speicherkoeffizienten dar. Sie ist
damit ebenfalls die erste Beschreibung der elastischen Kompressibilität von Bangkoks
Grundwassersystem mitdiesenMitteln. DiegemessenenSpeicherkoeffizienten stimmen
mit Messungen auf der Basis der Nivellierungsdaten und derselben Grundwasserpegel
überein. DermaximaleUnterschiedderzweiMessungenistetwa3mmproMeterPegel-
änderung. Dies zeigt, dass PSI-Senkungsmessungen für Messungen der Speicherkoef-
fizienten in Aquifersystemen genutzt werden können, für die keine Nivellierungsdaten
verfügbar sind.
FürdenZeitraumvon1992bis1995warenkeine SARDatenverfügbar. DasSenkungs-
Pegelängerungs-Verhältnis (△b/△ h) wurde aus Nivellierungsdaten und Pegeldaten
dreier Mess-Brunnen für diesen Zeitraum berechnet um Informationen über die in-
elastische Kompressibilität zu erhalten. Die für die drei Brunnen bestimmten Verhält-
nisse sind 0.01, 0.02 und 0.04 und nehmen von Westen nach Osten zu. Dies bestätigt,
dass die Gebiete im Osten des Untersuchungsgebietes für Senkungen anfälliger sind als
die im Gebiete im Westen.
Zusätzlich zu diesen Analysen habe ich eine Senkungs-Risikokarte und eine Vorhersage
des künftigen Senkungsfeldes aus den historischen Senkungsraten abgeleitet. Hier-
mit sollen weitere mögliche Verwendungen der mit PSI gemessenen Senkungsraten im
Kontext der Schadensbegrenzung demonstriert werden. Für die Senkungs-Risikokarte
wurden die Senkungsraten klassifiziert um die Stärke der Senkung zu kategorisieren.
Eine solche Abstraktion kann für die strategische Planung administrativer Körper-
schaften im Zusammenhang mit der Senkungsproblematik nützlich sein. Eine einfache
empirische Vorhersage der Senkungen im Jahr 2025 und 2050 wurde mit Hilfe eines
exponentiellen Modells zur Extrapolation der PSI-Messwerte erstellt. Die Ergebnisse
erwarten eine maximale Senkung von 0,73 m bis 2025 und 1,14 m bis 2050 in diesem
Gebiet.
ivDiese Arbeit stellt den ersten erfolgreichen Versuch dar, Senkungserscheinungen im
Stadtgebiet einer asiatischen ’Mega-City’ mit PSI zu quantifizieren. Hiermit kann
bestätigt werden, dass die PSI Technik auch unter schwierigen Bedingungen präzise
Ergebnisse erreichen kann. Obwohl das Untersuchungsgebiet in dieser Studie auf etwa
2100 km begrenzt war, ist die beschriebene Methode auch für größere Gebiete und
unter vergleichbar schwierigen Bedingungen einsetzbar.
vviAbstract
This thesis examines the applicability of Persistent Scatterer Interferometry (PSI) for
determining subsidence in the Bangkok Metropolitan Area (Thailand). Although PSI
has been shown to extend the capability of conventional differential interferometry
(DInSAR) for deriving highly precise displacement measurements and avoiding many
of the typical constraints, it typically requires a large number of acquisitions.
Subsidence measurements by conventional means are very accurate, but limited by
their spatially sparse and infrequent sampling. Denser and more frequent subsidence
observations are crucial for an improved characterisation and understanding of the
ground subsidence attributable to the compaction of the Bangkok aquifer system. In
principle, satellite-based PSI is capable of providing dense and frequent (e.g. 35 days
fortheERS-1/2satellites) subsidence observationscovering areasofapproximately ten
thousand square kilometres per observation.
In this investigation I apply PSI using ERS-1/2 C-band data to quantify surface subsi-
dence under difficult conditions, namely a strongatmospheric signal contribution, high
and temporally varying subsidence rates and the fact that only 20 radar acquisitions
were available covering the time period between 1996 and 2000 relatively few for a PSI
analysis. Nevertheless, my results demonstrate the feasibility of deriving subsidence
rates at a precision of mm/yr using the PSI technique.
2Withadensity of28PS/km thePSIestimate represents themostdetailedsubsidence
information currently available for Bangkok. The improved characterisation of the
spatially variable subsidence field clearly demonstrates that the subsidence rates in
the study area increased from the west to the east during the period studied. Peak
subsidence rates of up to 42 mm/y are observed at the northeast of the intersection
between Srinakarin and Teparak roads. I also obtained statistics describing the quality
of the PS subsidence rate estimates.
A validation conducted against independent leveling data for the same period confirms
that the precision achieved is better than 1.5 mm/yr for locations that exhibit ap-
proximately constant subsidence rates, even under the less than ideal conditions that
viiprevailed here.
Thedifferences between subsidence ratesestimated fromPSI andthereference leveling
dataincreasewherethesubsidenceratesvariedovertime. Forareasshowingtemporally
linear subsidence the subsidence rates agreed within ± 1.5 mm/yr for 6 out of 10
benchmarks.
I used the PSI subsidence rate estimates together with aquifer head changes in in-
dividual wells to estimate overall storage coefficients for the Bangkok aquifer system
at several locations for the period between 1996 and 2000. This study repre