Landslide kinematics and interactions studied in central Georgia by using synthetic aperture radar interferometry, optical imagery and inverse modeling

Studien zur Kinematic und Interaction von Hangrutschen in Zentral Georgien mit Radarinterferometrie, optischen daten und inverser Modellierung

  • Landslides are one of the biggest natural hazards in Georgia, a mountainous country in the Caucasus. So far, no systematic monitoring and analysis of the dynamics of landslides in Georgia has been made. Especially as landslides are triggered by extrinsic processes, the analysis of landslides together with precipitation and earthquakes is challenging. In this thesis I describe the advantages and limits of remote sensing to detect and better understand the nature of landslide in Georgia. The thesis is written in a cumulative form, composing a general introduction, three manuscripts and a summary and outlook chapter. In the present work, I measure the surface displacement due to active landslides with different interferometric synthetic aperture radar (InSAR) methods. The slow landslides (several cm per year) are well detectable with two-pass interferometry. In same time, the extremely slow landslides (several mm per year) could be detected only with time series InSAR techniques. I exemplify the success of InSAR techniques by showingLandslides are one of the biggest natural hazards in Georgia, a mountainous country in the Caucasus. So far, no systematic monitoring and analysis of the dynamics of landslides in Georgia has been made. Especially as landslides are triggered by extrinsic processes, the analysis of landslides together with precipitation and earthquakes is challenging. In this thesis I describe the advantages and limits of remote sensing to detect and better understand the nature of landslide in Georgia. The thesis is written in a cumulative form, composing a general introduction, three manuscripts and a summary and outlook chapter. In the present work, I measure the surface displacement due to active landslides with different interferometric synthetic aperture radar (InSAR) methods. The slow landslides (several cm per year) are well detectable with two-pass interferometry. In same time, the extremely slow landslides (several mm per year) could be detected only with time series InSAR techniques. I exemplify the success of InSAR techniques by showing hitherto unknown landslides, located in the central part of Georgia. Both, the landslide extent and displacement rate is quantified. Further, to determine a possible depth and position of potential sliding planes, inverse models were developed. Inverse modeling searches for parameters of source which can create observed displacement distribution. I also empirically estimate the volume of the investigated landslide using displacement distributions as derived from InSAR combined with morphology from an aerial photography. I adapted a volume formula for our case, and also combined available seismicity and precipitation data to analyze potential triggering factors. A governing question was: What causes landslide acceleration as observed in the InSAR data? The investigated area (central Georgia) is seismically highly active. As an additional product of the InSAR data analysis, a deformation area associated with the 7th September Mw=6.0 earthquake was found. Evidences of surface ruptures directly associated with the earthquake could not be found in the field, however, during and after the earthquake new landslides were observed. The thesis highlights that deformation from InSAR may help to map area prone landslides triggering by earthquake, potentially providing a technique that is of relevance for country wide landslide monitoring, especially as new satellite sensors will emerge in the coming years.show moreshow less
  • Erdrutsche zählen zu den größten Naturgefahren in Georgien, ein gebirgiges Land im Kaukasus. Eine systematische Überwachung und Analyse der Dynamik von Erdrutschen in Georgien ist bisher nicht vorhanden. Da Erdrutsche durch extrinsische Prozesse ausgelöst werden, wird ihre Analyse zusammen mit Niederschlag und Erdbeben zu einer besonderen Herausforderung. In dieser Dissertation beschreibe ich die Potenziale und Limitierungen der Fernerkundung für die Detektion und das Verständnis von Erdrutschen in Georgien. Die Arbeit ist in einer kumulativen Form geschrieben, und besteht aus einer allgemeinen Einführung, drei Manuskripten sowie einer Zusammenfassung und einem Ausblick. In der vorliegenden Arbeit, Gestimme ich die Oberflächenverschiebung von aktiven Erdrutschen mit Methoden der Radarinterferometrie (InSAR). Die langsamen Erdrutsche (cm pro Jahr) konnten im einfachen Vergleich zeitlich unterschiedlicher Radaraufnahmen (two-pass InSAR), gut nachgewiesen werden. Die extrem langsamen Erdrutsche (mm pro Jahr) konnten hingegen nur mitErdrutsche zählen zu den größten Naturgefahren in Georgien, ein gebirgiges Land im Kaukasus. Eine systematische Überwachung und Analyse der Dynamik von Erdrutschen in Georgien ist bisher nicht vorhanden. Da Erdrutsche durch extrinsische Prozesse ausgelöst werden, wird ihre Analyse zusammen mit Niederschlag und Erdbeben zu einer besonderen Herausforderung. In dieser Dissertation beschreibe ich die Potenziale und Limitierungen der Fernerkundung für die Detektion und das Verständnis von Erdrutschen in Georgien. Die Arbeit ist in einer kumulativen Form geschrieben, und besteht aus einer allgemeinen Einführung, drei Manuskripten sowie einer Zusammenfassung und einem Ausblick. In der vorliegenden Arbeit, Gestimme ich die Oberflächenverschiebung von aktiven Erdrutschen mit Methoden der Radarinterferometrie (InSAR). Die langsamen Erdrutsche (cm pro Jahr) konnten im einfachen Vergleich zeitlich unterschiedlicher Radaraufnahmen (two-pass InSAR), gut nachgewiesen werden. Die extrem langsamen Erdrutsche (mm pro Jahr) konnten hingegen nur mit InSAR Zeitreihentechniken nachgewiesen werden. Der Erfolg der angewandten InSAR Techniken wird durch die erfolgreiche Identifikation von bisher unbekannten Erdrutschen in Zentral Georgien veranschaulicht. Sowohl das Ausmaß als auch die Verschiebungsrate der Erdrutsche wurden quantifiziert. Ferner, um die mögliche Tiefe und Lage von potentiellen Gleitflächen zu bestimmen, wurden inverse Modelle entwickelt. Inverse Modellierung sucht nach Parametern der Quelle, welche die beobachtete Verschiebungsverteilung reproduzieren können. Ferner habe ich anhand der ermittelten Verschiebungsverteilung aus InSAR in Verbindung mit der Morphologie aus Luftaufnahmen das Volumen der untersuchten Erdrutsche empirisch abgeleitet. Ich habe eine Volumenformel für unseren Fall angepasst, und die verfügbaren Datensätze bezüglich Seismizität und Niederschlag kombiniert, um potenzielle auslösende Faktoren zu analysieren. Eine leitende Frage hierbei war: Was sind die Ursachen für die Beschleunigung von Erdrutschen, wie sie in den InSAR Daten beobachtet werden konnte? Das Untersuchungsgebiet in Zentral Georgien ist seismisch sehr aktiv. Als zusätzlichen Produkt der InSAR Datenanalyse wurde ein Deformationsgebiet gefunden, welches im Zusammenhang mit dem Mw=6.0 Erdbeben vom 7. September 2009 zusammenhängt. Beweise für Oberflächenbrüche, die direkt mit dem Erdbeben zusammenhängen, konnten in dem Gebiet nicht gefunden werden, jedoch konnten während und nach dem Erdbeben neue Erdrutsche beobachtet werden. Die Dissertation unterstreicht, dass Verformungsinformationen aus InSAR Analysen helfen können ein Gebiet, welches von Erdbebeninduzierten Erdrutschen gefährdet ist, zu kartieren. Potenziell stellt InSAR eine Technik dar, die von Bedeutung für die landesweite Überwachung von Erdrutschen sein kann, insbesondere im Hinblick auf die neuen Satellitensensoren, die in den kommenden Jahren verfügbar sein werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Elena Nikolaeva
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-70406
Advisor:Thomas R. Walter
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2014/02/18
Release Date:2014/05/05
Tag:Erdrutsch; Georgien; InSAR Datenanalyse
Georgia; InSAR; Landslide; displacement; remote sensing
RVK - Regensburg Classification:RQ 45259
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
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