In this thesis, an analysis of the various parameters derivable from polarimetric SAR measurements is reported. The theory related to polarimetry and the state of the art of its application to remote sensing of the Earth by means of SAR systems are thoroughly discussed. The experimental part of this work pursues the task of analyzing all the relevant polarimetric parameters. In the first part of the thesis, a systematic study of the different ways of examining polarimetric data has been performed. The main aim was to evaluate possible differences among the various polarimetric observables and the amount and usefulness of the information they contain. In this context, these observables have been compared by means of the accuracy estimates resulting from classification tests of real polarimetric SAR data. In the analysis proposed here, such accuracy estimates act as an objective measure of the “utility” of the observables. In the second part, some of the aforementioned polarimetric observables have been used for interferometric applications. The main objective was to determine if a characterization of volume scattering, one of the terms affecting the interferometric coherence, is possible. Once again a comparison of the selected parameters has been done in terms of their capability to reduce the effects of volume scattering in interferometric coherence images. Since this work is intended as a general survey of polarimetric observables, completeness has been an important goal, which the author hopes to have achieved. The twofold view of the investigations reported here, oriented both to classification and interferometry, contributes to a comprehensive understanding of the parameters under study. Keywords: Radar imaging, synthetic aperture radar (SAR), SAR polarimetry, SAR interferometry, polarimetric SAR interferometry, image classification. / In dieser Arbeit wird über die Analyse von unterschiedlichen Parametern, ermittelt vom polarimetrischen SAR, berichtet. Die Theorie der Polarimetrie und der Stand der Technik in der Radarfernerkundung der Erdoberfläche, die auf SAR-Systemen beruhe, ist gründlich dargestellt. Der experimentelle Anteil dieser Arbeit beinhaltet die Analyse von allen relevanten polarimetrischen Parametern. Der erste Teil ist eine systematische Untersuchung von polarimetrischen Daten, wobei unterschiedliche Wege analysiert werden. Die Hauptaufgabe besteht darin, sowohl die möglichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Eingangsparametern als auch die Anzahl von Parametern und deren Nutzen zur Informationsgewinnung zu untersuchen. Demzufolge wurden die Eingangsparameter hinsichtlich ihrer Klassifikationsgenauigkeit auf vorhandene SAR Daten verglichen. In der vorgeschlagenen Untersuchung stellen die Genauigkeitsanalysen ein objektives Kriterium für den sogenannten “Nutzen” der Eingangsparameter dar. Im zweiten Teil wurden die zuvor genannten polarimetrischen Eingangsparameter für die interferometrische Anwendung eingesetzt. Im Vordergrund stand die Bestimmung der Volumenstreuung und deren Einfluss auf eines der Elemente der interferometrischen Kohärenz. Auch hier fand ein Vergleich der ausgesuchten Parameter in Bezug auf ihre Fähigkeit, den Effekt der Volumenstreuung in der interferonmetrischen Kohärenz zu reduzieren, statt. Diese Arbeit möchte eine allgemeine Erfassung von polarimetrischen Eingangsparametern geben, wobei ein wichtiger Punkt, vom Autor hoffentlich erreicht, die Vollständigkeit ist. Die doppelte Sicht der vorgestellten Untersuchungen, angelehnt an die Polarimetrie und Interferometrie, trägt zu einem umfassenden Verständnis der Parameter in dieser Arbeit bei. Stichworte: Abbildendes Radar, Synthetisches Apertur Radar (SAR), SAR-Polarimetrie, SAR-Interferometrie, Polarimetrische SAR-Interferometrie, Klassifikation.

In this thesis, an analysis of the various parameters derivable from polarimetric SAR measurements is reported. The theory related to polarimetry and the state of the art of its application to remote sensing of the Earth by means of SAR systems are thoroughly discussed. The experimental part of this work pursues the task of analyzing all the relevant polarimetric parameters. In the first part of the thesis, a systematic study of the different ways of examining polarimetric data has been performed. The main aim was to evaluate possible differences among the various polarimetric observables and the amount and usefulness of the information they contain. In this context, these observables have been compared by means of the accuracy estimates resulting from classification tests of real polarimetric SAR data. In the analysis proposed here, such accuracy estimates act as an objective measure of the “utility” of the observables. In the second part, some of the aforementioned polarimetric observables have been used for interferometric applications. The main objective was to determine if a characterization of volume scattering, one of the terms affecting the interferometric coherence, is possible. Once again a comparison of the selected parameters has been done in terms of their capability to reduce the effects of volume scattering in interferometric coherence images. Since this work is intended as a general survey of polarimetric observables, completeness has been an important goal, which the author hopes to have achieved. The twofold view of the investigations reported here, oriented both to classification and interferometry, contributes to a comprehensive understanding of the parameters under study. Keywords: Radar imaging, synthetic aperture radar (SAR), SAR polarimetry, SAR interferometry, polarimetric SAR interferometry, image classification. / In dieser Arbeit wird über die Analyse von unterschiedlichen Parametern, ermittelt vom polarimetrischen SAR, berichtet. Die Theorie der Polarimetrie und der Stand der Technik in der Radarfernerkundung der Erdoberfläche, die auf SAR-Systemen beruhe, ist gründlich dargestellt. Der experimentelle Anteil dieser Arbeit beinhaltet die Analyse von allen relevanten polarimetrischen Parametern. Der erste Teil ist eine systematische Untersuchung von polarimetrischen Daten, wobei unterschiedliche Wege analysiert werden. Die Hauptaufgabe besteht darin, sowohl die möglichen Unterschiede zwischen den verschiedenen Eingangsparametern als auch die Anzahl von Parametern und deren Nutzen zur Informationsgewinnung zu untersuchen. Demzufolge wurden die Eingangsparameter hinsichtlich ihrer Klassifikationsgenauigkeit auf vorhandene SAR Daten verglichen. In der vorgeschlagenen Untersuchung stellen die Genauigkeitsanalysen ein objektives Kriterium für den sogenannten “Nutzen” der Eingangsparameter dar. Im zweiten Teil wurden die zuvor genannten polarimetrischen Eingangsparameter für die interferometrische Anwendung eingesetzt. Im Vordergrund stand die Bestimmung der Volumenstreuung und deren Einfluss auf eines der Elemente der interferometrischen Kohärenz. Auch hier fand ein Vergleich der ausgesuchten Parameter in Bezug auf ihre Fähigkeit, den Effekt der Volumenstreuung in der interferonmetrischen Kohärenz zu reduzieren, statt. Diese Arbeit möchte eine allgemeine Erfassung von polarimetrischen Eingangsparametern geben, wobei ein wichtiger Punkt, vom Autor hoffentlich erreicht, die Vollständigkeit ist. Die doppelte Sicht der vorgestellten Untersuchungen, angelehnt an die Polarimetrie und Interferometrie, trägt zu einem umfassenden Verständnis der Parameter in dieser Arbeit bei. Stichworte: Abbildendes Radar, Synthetisches Apertur Radar (SAR), SAR-Polarimetrie, SAR-Interferometrie, Polarimetrische SAR-Interferometrie, Klassifikation.

Lake Vostok, der größte der über 70 subglazialen Seen in der Antarktis, ist derzeit einer der Forschungsschwerpunkte der geowissenschaftlichen Polarforschung. Der See erstreckt sich unter einer 4 000 m dicken Eisschicht auf über 250 km Länge mit einer Wassertiefe von bis zu 1 000 m. Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Gezeiten auf den Wasserstand des Sees, die eine bisher nicht betrachtete Komponente in der Zirkulation im See darstellen. Auf Grund seiner Ausdehnung ist das Gezeitenpotential an verschiedenen Punkten auf dem See nicht gleich, sondern weist differentielle Unterschiede auf. Unter der Annahme, dass sich die Seeoberfläche entlang einer Äquipotentialfläche ausrichtet, ergeben sich Gleichgewichtsgezeiten des Sees mit Amplituden von bis zu 4,6 mm für die größte ganztägige Tide K1 und 1,8 mm für die größte halbtägige Tide M2. Differenzen des Luftdruckes zwischen Nord- und Südteil des Sees rufen zusätzlich einen differentiellen inversen Barometer-Effekt hervor. Der inverse Barometer-Effekt besitzt im wesentlichen die spektralen Eigenschaften eines roten Rauschens. Die Variationen erreichen bis zu +/- 20 mm. Zum messtechnischen Nachweis derartiger Höhenänderungen an der Eisoberfläche über dem See wurden drei unterschiedliche Verfahren herangezogen. Differentielle GPS-Messungen zwischen einem Punkt auf aufliegendem Eis und einem zweiten in der südlichen Seemitte bestätigen die Modellvorstellungen und zeigen sowohl mit der Luftdruckdifferenz korrelierte Höhenänderungen als auch Höhenänderungen mit ganz- und halbtägigen Perioden. Die SAR-Interferometrie als flächenhaft arbeitende Methode zur Bestimmung von Höhenänderungen lässt den räumlichen Verlauf der Deformation erkennen. Dabei zeigt sich, dass sich die Aufsetzzone auf dem etwa 50 km breiten See bis in die Seemitte ersteckt. Erdgezeitenregistrierungen, die im Jahr 1969 in der Station Vostok durchgeführt wurden, zeigen zwar Auffälligkeiten wie etwa einen stark erhöhten Luftdruckregressionskoeffzienten und einen Phasenvorlauf der K1-Tide, diese können jedoch nicht eindeutig als Resultat von Höhenänderungen der Seeoberfläche identifiziert werden. Auf Grund der Lage der Station Vostok nahe dem Ufer des Sees ist die Deformation dort schon stark gedämpft. Die zu erwartenden Effekte liegen daher unterhalb der Auflösung der damaligen Messungen. Damit sind die theoretischen Grundvorstellungen über die Reaktion des subglazialen Sees auf Gezeiten- und Luftdruckanregungen herausgearbeitet, sowie diese Effekte mit zwei unabhängigen und komplementären Messverfahren nachgewiesen. / Lake Vostok, the largest of more than 70 subglacial lakes in the Antarctic, is one of the prominent topics of recent geoscientific polar research. The lake extends beneath the 4,000 m thick ice sheet to a length of more than 250 km with a water depth of up to 1,000 m. This thesis aims to investigate the influence of tides on the lake level which has not been considered so far in the discussion of water circulation within the lake. Due to the extent of the lake the tidal potential at different positions on its surface is not equal but exhibits a differential effect. Under the assumption of the lake level to be parallel to an equipotential surface the equilibrium tides of the lake yield amplitudes of up to 4.6 mm for the largest diurnal tidal constituent K1 and 1.8 mm for the largest semi-diurnal wave M2. In addition, differences in air pressure between the northern and the southern part of the lake result in a differential inverse barometric effect. This effect shows red noise characteristics with variations of up to +/- 20 mm. Three different types of measurements were used to verify corresponding height changes of the ice surface above the lake. Differential GPS measurements between one station on grounded ice and one in the southern centre of the lake confirm the concept and show height changes correlated to air pressure differences as well as changes with diurnal and semi-diurnal periods. SAR interferometry as a spatial method to determine height changes reveals the areal extent of the deformation with a grounding zone extending to the centre of the about 50 km wide lake. Gravimetric earth tide data recorded at Vostok Station in 1969 show pecularities such as an increased regression with air pressure and a phase lead of the K1 tide. However, these effects cannot be explicitly attributed to height changes of the lake surface. Due to the position of the station near the edge of the lake the effect is highly attenuated and below the noise level of these measurements. This work introduces the concept of the response of the subglacial lake to the tidal potential and to air pressure forcings and presents evidence for the effect by two different techniques proving the validity of the model.

Lake Vostok, der größte der über 70 subglazialen Seen in der Antarktis, ist derzeit einer der Forschungsschwerpunkte der geowissenschaftlichen Polarforschung. Der See erstreckt sich unter einer 4 000 m dicken Eisschicht auf über 250 km Länge mit einer Wassertiefe von bis zu 1 000 m. Ziel der hier vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung des Einflusses der Gezeiten auf den Wasserstand des Sees, die eine bisher nicht betrachtete Komponente in der Zirkulation im See darstellen. Auf Grund seiner Ausdehnung ist das Gezeitenpotential an verschiedenen Punkten auf dem See nicht gleich, sondern weist differentielle Unterschiede auf. Unter der Annahme, dass sich die Seeoberfläche entlang einer Äquipotentialfläche ausrichtet, ergeben sich Gleichgewichtsgezeiten des Sees mit Amplituden von bis zu 4,6 mm für die größte ganztägige Tide K1 und 1,8 mm für die größte halbtägige Tide M2. Differenzen des Luftdruckes zwischen Nord- und Südteil des Sees rufen zusätzlich einen differentiellen inversen Barometer-Effekt hervor. Der inverse Barometer-Effekt besitzt im wesentlichen die spektralen Eigenschaften eines roten Rauschens. Die Variationen erreichen bis zu +/- 20 mm. Zum messtechnischen Nachweis derartiger Höhenänderungen an der Eisoberfläche über dem See wurden drei unterschiedliche Verfahren herangezogen. Differentielle GPS-Messungen zwischen einem Punkt auf aufliegendem Eis und einem zweiten in der südlichen Seemitte bestätigen die Modellvorstellungen und zeigen sowohl mit der Luftdruckdifferenz korrelierte Höhenänderungen als auch Höhenänderungen mit ganz- und halbtägigen Perioden. Die SAR-Interferometrie als flächenhaft arbeitende Methode zur Bestimmung von Höhenänderungen lässt den räumlichen Verlauf der Deformation erkennen. Dabei zeigt sich, dass sich die Aufsetzzone auf dem etwa 50 km breiten See bis in die Seemitte ersteckt. Erdgezeitenregistrierungen, die im Jahr 1969 in der Station Vostok durchgeführt wurden, zeigen zwar Auffälligkeiten wie etwa einen stark erhöhten Luftdruckregressionskoeffzienten und einen Phasenvorlauf der K1-Tide, diese können jedoch nicht eindeutig als Resultat von Höhenänderungen der Seeoberfläche identifiziert werden. Auf Grund der Lage der Station Vostok nahe dem Ufer des Sees ist die Deformation dort schon stark gedämpft. Die zu erwartenden Effekte liegen daher unterhalb der Auflösung der damaligen Messungen. Damit sind die theoretischen Grundvorstellungen über die Reaktion des subglazialen Sees auf Gezeiten- und Luftdruckanregungen herausgearbeitet, sowie diese Effekte mit zwei unabhängigen und komplementären Messverfahren nachgewiesen. / Lake Vostok, the largest of more than 70 subglacial lakes in the Antarctic, is one of the prominent topics of recent geoscientific polar research. The lake extends beneath the 4,000 m thick ice sheet to a length of more than 250 km with a water depth of up to 1,000 m. This thesis aims to investigate the influence of tides on the lake level which has not been considered so far in the discussion of water circulation within the lake. Due to the extent of the lake the tidal potential at different positions on its surface is not equal but exhibits a differential effect. Under the assumption of the lake level to be parallel to an equipotential surface the equilibrium tides of the lake yield amplitudes of up to 4.6 mm for the largest diurnal tidal constituent K1 and 1.8 mm for the largest semi-diurnal wave M2. In addition, differences in air pressure between the northern and the southern part of the lake result in a differential inverse barometric effect. This effect shows red noise characteristics with variations of up to +/- 20 mm. Three different types of measurements were used to verify corresponding height changes of the ice surface above the lake. Differential GPS measurements between one station on grounded ice and one in the southern centre of the lake confirm the concept and show height changes correlated to air pressure differences as well as changes with diurnal and semi-diurnal periods. SAR interferometry as a spatial method to determine height changes reveals the areal extent of the deformation with a grounding zone extending to the centre of the about 50 km wide lake. Gravimetric earth tide data recorded at Vostok Station in 1969 show pecularities such as an increased regression with air pressure and a phase lead of the K1 tide. However, these effects cannot be explicitly attributed to height changes of the lake surface. Due to the position of the station near the edge of the lake the effect is highly attenuated and below the noise level of these measurements. This work introduces the concept of the response of the subglacial lake to the tidal potential and to air pressure forcings and presents evidence for the effect by two different techniques proving the validity of the model.