Künstliche Intelligenz für klimaresilientes Infrastrukturmonitoring

Die Methodik der Persistent Scatterer Interferometry (PSI) hat sich als äußerst sinnvolle und leistungsfähige Technik für das Infrastrukturmonitoring etabliert. Durch den Einsatz von PSI können Bewegungen und Deformationen von Großinfrastrukturen, insbesondere Stauanlagen, präzise und regelmäßig erfasst werden. In Kombination mit dem Einsatz sogenannter elektronische Corner-Reflektoren (ECRs) bietet die PSI-Technik eine effektive Lösung, um die Sichtbarkeit der Infrastrukturen im Radarbild zu erhöhen und somit ein regelmäßiges Monitoring dieser zu erreichen. Der kombinierte Einsatz verschiedener Satellitensensoren mit anschließender Segmentierung der Talsperren in individuelle Abschnitte ermöglicht eine lokale und sinnvolle Verdichtung der Bewegungsinformation. Durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz (KI) können die Treiber der Bewegungen identifiziert und Vorhersagen des zukünftigen Bewegungsverhaltens der Bauwerke erstellt werden. Diese fortschrittlichen Ansätze eröffnen neue Möglichkeiten für eine effektive Überwachung, Risikobewertung und Schutzmaßnahmen, um die Widerstandsfähigkeit unserer Infrastrukturen gegenüber Umwelteinflüssen zu stärken.

Das Forschungsprojekt wurde in Zusammenarbeit mit dem RuhrverbandExterner Link durchgeführt, der mit seinen Anlagen die Wasserversorgung von 4,6 Millionen Menschen im Einzugsgebiet der Ruhr gewährleistet. Von den acht vom Ruhrverband betriebenen Talsperren in Nordrhein-Westfalen wurden im Rahmen von KI4KI sechs für diverse Forschungsarbeiten ausgewählt. Um sicherzustellen, dass die ausgewählten Anlagen auch im Radarbild sichtbar sind, wurden ECRs auf den Mauern und Dämmen der Möhne-, Sorpe-, Verse-, Bigge- und Listertalsperre angebracht. Zusätzlich wurden auch Ennepe- und Glörtalsperre untersucht, jedoch nicht mit ECRs ausgestattet. Die satellitenbasierte Deformationsanalyse wurde anhand von begleitenden, engmaschig durchgeführten In-Situ-Messungen durch den Ruhrverband auf Plausibilität geprüft.

• Eignungsanalyse verschiedener Talsperren für eine satellitenbasierte Beobachtungsstrategie
• Multi-Sensor-Kombination verschiedener Satelliten zur raum-zeitlichen Verdichtung von Radarzeitreihen
• Vorhersage von Deformationen an Talsperren durch datengetriebene Ansätze 
• Entwicklung einer auf elektronischen Corner-Reflektoren (ECR) basierten Überwachung von Deformationen an Talsperren
• Entwicklung einer Schnittstelle zur Visualisierung der Ergebnisse für Talsperrenbetreiber

• Clémence Dubois (Dr.-Ing.)
• Jannik Jänichen 
• Jonas Ziemer (Dr.)

Wissenschaftliche Artikel:

• Satellitenüberwachung der Bewegungen der MöhnestaumauerExterner Link 
• Enhancing the Prediction of Dam Deformations: A Novel Data-Driven ApproachExterner Link
• Assessing the Feasibility of Persistent Scatterer Data for Operational Dam Monitoring in Germany: A Case StudyExterner Link
• Towards Operational Dam Monitoring with PS-InSAR and Electronic Corner ReflectorsExterner Link
• Identifying Deformation Drivers in Dam Segments Using Combined X-and C-Band PS Time SeriesExterner Link
• Evaluating the German Ground Motion Service for Operational Dam Monitoring: A Comparison of InSAR Data with In Situ MeasurementsExterner Link
• Novel Amplitude-based Approach for Reducing Sidelobes in Persistent Scatterer Interferometry Processing using Spatially Variant ApodizationExterner Link
• An Integrated Monitoring Concept for Dam Infrastructure: Operational PSI Service and Application of Electronic Corner Reflectors (ECR)Externer Link

Konferenzbeiträge:

• KI4KI: Neues Projekt zur regelmäßigen Überwachung von Stauanlagen aus dem AllExterner Link
• Überwachung der Möhnestaumauer durch satellitengestützte Persistent Scatterer InterferometrieExterner Link
• Vergleich von Bodenbewegungen mit In-situ Messungen zur Überwachung von Deformationen an Staubauwerken in ThüringenExterner Link
• SNAP2StaMPS v2: Increasing Features and Supported Sensors in the Open Source SNAP2StaMPS Processing SchemeExterner Link
• Sensor fusion for detecting movement patterns of gravity dams in Germany using SAR interferometryExterner Link
• Enhancing Dam Monitoring: Utilizing the CR-Index for Electronic Corner Reflector (ECR) Site Selection and PSI AnalysisExterner Link
• Data-Driven Prediction of Large Infrastructure Movements Through Persistent Scatterer Time Series ModelingExterner Link
• Dam Monitoring With Ground Motion Services–A Case Study of a Gravity Dam with the German Ground Motion ServiceExterner Link
• First Assessment of Electronic Corner Reflectors for Dam Monitoring in GermanyExterner Link
• Optimizing Dam Monitoring: Validation and Optimization of the CR-Index for PS-InSAR and Electronic Corner Reflector (ECR) IntegrationExterner Link

Buchbeiträge:

• KI in Geodäsie und Geoinformatik: Künstliche Intelligenz in der Fernerkundung für klimaresilientes Infrastrukturmonitoring

Bachelorarbeiten (B.Sc.)

• Spieß, L. (2024). Entwicklung und Implementierung eines automatisierten Workflows für die Integration von InSAR-Produkten in einen Online-Dienst

Masterarbeiten (M.Sc.)

• Stumpf, N. (2025). Dam Monitoring – Optimization of Sidelobe Suppression in Radar Images during StaMPS Persistent Scatterer Interferometry Processing.

Promotionen (Dr. rer. nat.)

•  Ziemer, J. (2026). Advancing Dam Monitoring: Integrating MT-InSAR and In Situ Data for the Analysis and Prediction  of Dam DeformationsExterner Link
•  Jänichen, J. (tbd): Operationalization of Interferometric SAR Data for Dam Infrastructure Monitoring