Metodyka

W ramach projektu, pierwotnie zamierzano przeprowadzać cyklicznie przetwarzanie danych Sentinel -1A/B dla obszaru całej Polski. W międzyczasie prace nad projektem EGMS znacznie przyspieszyły i realna stała się jego realizacja. W związku z tym faktem odstąpiono od realizacji pełnego przetwarzania danych od podstaw. Możliwość taka pozostanie jedynie dla wytypowanych obszarów specjalnego znaczenia.

W drugim etapie prace skupiać się będą również na walidacji i udostępnianiu danych dla terenu Polski. Z przeprowadzonych analiz istniejących serwisów wydaje się, że udostępnianie pełnych zbiorów punktów wraz z seriami czasowymi dla każdego z punktów PS może wprowadzać w błąd niedoświadczonych użytkowników. Co więcej, dane te, bez odpowiedniego komentarza może nieść za sobą trudne do wyobrażenia skutki dla chociażby rynku nieruchomości czy ubezpieczeń. Należy zatem opracować produkt bardziej zrozumiały dla przeciętnego odbiorcy danych kartograficznych. Dla celów regionalnych, optymalnym wydaje się być, dla skali całego kraju rastrowa mapa o siatce np. 100m przedstawiająca wyinterpolowany obraz deformacji.

Przetwarzanie danych radarowych SAR na potrzeby serwisu o deformacjach powierzchni terenu będzie prowadzone metodą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR).

Założenia i metodyka pomiarów Interferometrii SAR

Interferometria SAR (InSAR) to technika służąca do uzyskiwania informacji dotyczących względnych danych wysokościowych (Goldstein et al., 1988). Wykorzystuje ona różnice fazy sygnałów radarowych pochodzących z dwóch obserwacji mikrofalowych typu SAR (Synthetic Aperture Radar) tego samego obszaru (Rys. 1). Dobry przegląd podstaw metodyki, potencjału i obszarów zastosowań InSAR można znaleźć w szeregu prac o charakterze podstawowym: (Bamler and Hartl, 1998; Bürgmann et al., 2000; Massonnet and Feigl, 1998; Perski, 1999). Tradycyjna technika InSAR opiera się na wykorzystaniu interferogramów tj. rastrowych zbiorów przedstawiających różnice fazy pomiędzy dwoma rejestracjami SAR. Nazywana jest ona metodą D-InSAR (Differential – InSAR) dla odróznienia od technik wykorzystujących jednoczesne rejestracje przy użyciu dwóch anten SAR (Bistatic-InSAR). Podsumowując, DInSAR wykorzystuje rejestracje SAR wykonywane sekwencyjnie za pomocą jednej anteny SAR w czasie kolejnych przelotów satelity nad tym samym obszarem.

geometria i zadada dinsar

Rys. 1.  Geometria i zasada działania  D-InSAR

Największe ograniczenia metody InSAR wiążą się z tzw. dekorelacją czasową (stopniową utratą koherencji w czasie), która związana jest ze zmianami właściwości elektromagnetycznych lub/i pozycją rozpraszacza wewnątrz komórki rozdzielczości (Cattabeni et al., 1994; Villasenor and Zebker, 1992). Zagadnienia koherencji omówiono szczegółowo w odrębnym raporcie (Perski et al. 2020). Kolejnym ograniczeniem metody InSAR jest występowanie tzw. artefaktów atmosferycznych. Zróżnicowana zawartość pary wodnej w troposferze a także jej turbulentny charakter są źródłem dodatkowej składowej fazowej sygnału nazywanej atmosferycznym obrazem fazy (Atmospheric Phase Screen APS). W przypadku pojedynczego lub jedynie kilku interferogramów dla danego obszaru efekty atmosferyczne są bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do usunięcia, stąd uzyskiwane dokładności pomiarowe są często dużo niższe od oczekiwanych (Hanssen, 2005). Z powodu wymienionych ograniczeń praktyczne użycie metody InSAR jest w większości przypadków zredukowane do danych o małych bazach czasowych, przypadków badania zjawisk o dużych przyrostach deformacji zachodzących w czasie pomiędzy kolejnymi rejestracjami, badania obszarów pozbawionych roślinności, przypadków, gdy oba obrazy użyte do konstrukcji interferogramu zostały zarejestrowane w tych samych bądź bardzo zbliżonych warunkach atmosferycznych.

Metody wieloczasowe

Ominięcie podstawowych ograniczeń metody InSAR i jej rozwinięcie w kierunku analiz szeregów czasowych (MTI – Multi Temporal InSAR) okazało się możliwe dzięki zastosowaniu metod punktowych, opartych na selekcji pikseli zachowujących koherencję w czasie. Charakteryzują je różne strategie przetwarzania i selekcji koherentnych pikseli. Pierwsza tego typu metoda (PSI – Persistent Scattetres SAR interferometry) została opracowana w końcu lat ’90 XX wieku przez zespół POLIMI z Politechniki w Mediolanie (Ferretti et al., 1999). Wykorzystuje ona właściwości rozpraszaczy stabilnych (PS). Była ona pierwszą opracowaną i wdrożoną w praktyce metodą analiz wieloczasowych SAR. Główną ideą metody PSI jest dekompozycja serii interferometrycznych obserwacji fazowych na trzy podstawowe składowe: deformacji, wysokości względnej i APS dla pikseli spełniających warunek PS. Podstawowym warunkiem prawidłowego przeprowadzenia dekompozycji sygnału jest odpowiednia liczba obserwacji, stąd wymaganie co najmniej 20 interferogramów (Rys. 2).

wielkoobszarowy zbior ps 3

Rys. 2. Wielkoobszarowy zbiór punktów PS otrzymanych w wyniku przetwarzania danych Sentinel-1. Deformacja [mm/rok]. Rejon Poznań – Bydgoszcz – Płock – Łowicz (opracowanie: Perski Z.)

Kolejne rozwinięcia metody wykorzystują koherencję; metoda StaMPS – (Hooper et al., 2004) oraz wykorzystanie interferogramów o krótkich bazach, metoda SBAS – (Berardino et al., 2002). Metoda SBAS (Small Baseline Subsets) wykorzystuje wszystkie najkorzystniejsze kombinacje interferometryczne w obrębie serii (Rys. 3). Ma to na celu obliczenie serii interferogramów w taki sposób by miały one jak najwyższą koherencję.

wykresy odelglosci bazowych

Rys. 3. Wykresy odległości bazowych w stosunku do baz czasowych dla par interferometrycznych tego samego zestawu danych. Niebieskie linie pokazują w jaki sposób tworzy się pary interferometryczne w metodzie a) PSI i b) SBAS (Hooper et al., 2012)

Wykorzystanie reflektorów radarowych do walidacji danych

Ze specyfiki obrazowania mikrofalowego SAR wynika, że wartość zarejestrowanego sygnału jest koherentną sumą odbić od obiektów elementarnych znajdujących się wewnątrz komórki rozdzielczości (resolution cell). Moc odebranego sygnału zależy od nachylenia powierzchni odbijającej w stosunku do kąta padania fali radarowej, właściwości dielektrycznych powierzchni oraz jej szorstkości. W zależności od rodzaju pokrycia terenu tylko część sygnału ulegającego rozproszeniu zostaje odbita w stronę anteny SAR. Ten typ rozproszenia nazywamy rozproszeniem wstecznym (backscattering). Jeśli w obrębie komórki rozdzielczości występuje element charakteryzujący się bardzo wysokim rozpraszaniem wstecznym to właśnie jego amplituda będzie sygnałem dominującym dla wartości piksela. Dla obiektów tego typu obie składowe sygnału: faza i amplituda wykazują bardzo wysoką stabilność w czasie (dla kolejnych obserwacji). Obiekty takie, dzięki swoim właściwościom, nazywane są obiektami koherentnymi (coherent targets), rozpraszaczami koherentnymi (coherent scatterers) albo rozpraszaczami stabilnymi (PS: persistent scatterers, permanent scatterers). Rozpraszacze stabilne wykorzystuje się w satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR) w tzw. metodzie interferometrii rozpraszaczy stabilnych (PSI). Rozpraszacze stabilne to obiekty charakteryzujące się silnym rozpraszaniem wstecznym, które jest dominującym sygnałem dla danej komórki rozdzielczości. Obiekty takie można scharakteryzować za pomocą wysokich wartości tzw. radarowego przekroju skutecznego RCS (Radar Cross Section). Najogólniej mówiąc RCS danego obiektu jest to ekwiwalent płaskiej powierzchni izotropowo odbijającej fale elektromagnetyczne, jaka byłaby potrzebna do odbicia tej samej mocy sygnału (Henderson and Lewis, 1998). Na obszarach zurbanizowanych mamy do czynienia z grupami obiektów zbudowanych z płaskich, gładkich powierzchni o różnym nachyleniu takimi jak ściany czy dachy budynków o niejednokrotnie wysokiej stałej dielektrycznej (powierzchnie metalowe). Oprócz obiektów, które działają jak rozpraszacze stabilne, istnieje możliwość celowego instalowania urządzeń zapewniających odbicie sygnału radarowego w żądany sposób. Obiekty takie nazywamy reflektorami radarowymi. Stosuje się je w dwóch podstawowych przypadkach:

  1. Dla uzupełnienia sieci naturalnych stabilnych rozpraszaczy. Reflektory instaluje się wówczas w miejscach pozbawionych infrastruktury bądź wychodni skalnych – na obszarach upraw rolnych bądź nieużytków. Dla uzyskania optymalnych wyników instalację reflektorów należy w takim przypadku poprzedzić interferometryczną analizą danych archiwalnych dla danego obszaru.
  2. Dla walidacji wyników. Reflektor radarowy jest jedynym obiektem, gdzie interferometryczny pomiar deformacji można bezpośrednio odnieść do wyników pomiarów geodezyjnych. Reflektor radarowy ma ściśle zdefiniowane fizyczne centrum fazowe, które można zmierzyć metodami geodezyjnymi (za pomocą niwelacji precyzyjnej czy GNSS). Pomiar taki zapewnia absolutną integrację pomiarów interferometrycznych z pomiarami geodezyjnymi i geodezyjnym układem odniesienia. Reflektory walidacyjne są jednocześnie uzupełnieniem sieci naturalnych rozpraszaczy (patrz pkt 1).

Rozpraszanie mikrofalowe, jakie zachodzi w przypadku reflektorów radarowych można sprowadzić do trzech elementarnych przypadków tzw. rozpraszaczy podstawowych (canonical scatterers – Franceschetti et al., 2002), do których należą (Inglada et al., 2004):

  1. Rozpraszacz jednopowierzchniowy lub zwierciadlany (specular scatterer),
  2. Rozpraszacz dwuścienny (dihedral scatterer),
  3. Rozpraszacz trójścienny (trihedral scatterer).

Z uwagi na dużą efektywność i mała wrażliwość na błędy orientacji najczęściej stosowany typem reflektora jest reflektor trójścienny (Trihedral). Z uwagi na kształt jest zwany reflektorem narożnikowym (Corner Reflector - CR). Reflektory narożnikowe były od początku stosowane do walidacji i testów dokładnościowych radarowych systemów satelitarnych.

Ważnych danych na temat efektywności systemów SAR satelitów ERS-2 i Envisat dostarczył 5-letni eksperyment DCRE (Delft Corner Reflector Experiment) realizowany przez zespół TU Delft w latach 2003 – 2007 (Marinkovic et al., 2007). 5 trójściennych reflektorów o wymiarach 1,5 m wykonanych z pełnej blachy aluminiowej zlokalizowano na płaskim obszarze pastwisk między Rotterdamem a Delft (Rys. 4). Były one mierzone za pomocą niwelacji precyzyjnej dzień po każdej rejestracji satelitarnej. Dla integracji wyników i prawidłowej ich walidacji wewnętrznej stosowano tzw. podwójne różnice (w czasie i pomiędzy sąsiednimi reflektorami). Po uwzględnieniu poprawek na lokalizację reflektora wewnątrz komórki rozdzielczości (Perrisin, 2006) otrzymano dokładność wyznaczenia wysokości reflektora (dla podwójnych różnic) na poziomie 1,6 mm. Oznaczało to, że dokładność pomiaru interferometrycznego jest na poziomie niwelacji II klasy (wg. Instrukcji Technicznej G-2 Głównego Geodety Kraju) i może być on stosowany w pomiarach geodynamicznych.

dcre

Rys. 4. DCRE (Delft Corner Reflector Experiment) – przykładowe serie czasowe dla reflektorów (Marinkovic et al, 2007)

Dla obliczeń interferometrycznych reflektory radarowe stanowią szczególną sieć PS, którą wykorzystuje się do obliczeń. Obliczenia wykonuje się metodą PSI, jednak w znacznie uproszczonej wersji. Dla reflektorów CR znane bowiem są współrzędne X, Y, Z centrum fazowego reflektora, które można dokładnie zmierzyć metodami geodezyjnymi. W związku z tym nie jest konieczne wyszukiwanie PSC za pomocą analizy amplitudy. Reflektory zazwyczaj nie są zbyt odległe od siebie i nie jest wymagana korekta atmosferyczna (różnice APS pomiędzy reflektorami są zaniedbywalne). Wymagana jest jedynie korekta fazy uwzględniająca położenie reflektora wewnątrz komórki rozdzielczości (Perissin, 2006).

W zadaniach Państwowej Służby Geologicznej realizowanych przez PIG-PIB reflektory radarowe zostały po raz pierwszy użyte w projekcie „Monitoring osiadania powierzchni terenu w 3 wybranych lokalizacjach poszukiwań gazu w formacjach łupkowych – projekt pilotażowy”. Wówczas to na każdym z 3 poligonów badawczych (w okolicach miejscowości Lewino, Babiak i Berejów) zainstalowano po 20 reflektorów radarowych dwóch typów radarowych z czego 15 dla satelity TerraSAR-X (Rys. 5) i 5 dla satelity Sentinel-1 (Rys. 6).

reflektor tsx 2

Rys. 5. Reflektor dla pomiarów sygnałów z satelity TerraSAR-X (poligon Berejów). Fot. Perski Z.

reflektor seninel1 2

Rys. 6. Reflektor dla pomiarów sygnałów z satelity Sentinel-1 (poligon Berejów). Fot. Perski Z.

Każdy z reflektorów zaopatrzono w trzpień umożliwiający instalację geodezyjnego odbiornika GNSS co pozwoliło na prowadzenie weryfikacyjnych pomiarów niwelacji GNSS.

W ramach kolejnego zadania PSG p.t. „Monitoring geodynamiczny w zakresie interferometrii satelitarnej pasa wysadów solnych w Polsce oraz próba określenia ruchliwości soli w czwartorzędzie z wykorzystaniem tomografii elektrooporowej i technik modelowania 3d” zainstalowano 7 reflektorów radarowych o zmienionej konstrukcji. Celem ich instalacji było przeprowadzenie pomiarów z użyciem wysokorozdzielczych danych TerraSAR-X z przelotów schodzących (descending) jak i wschodzących (ascending) stąd konieczność zmiany konstrukcji na zdwojoną (Rys. 7).

reflektor wapno 2

Rys. 7. Reflektor radarowy poligonu Wapno i jego podstawowe elementy

W latach 2017-2019 zainstalowano 30 reflektorów na terenie 6 osuwisk w Karpatach w ramach projektu SOPO. Są to również reflektory o zdwojonej konstrukcji skonstruowane z myślą o pomiarach z użyciem danych Sentinel 1 (Rys. 8 i 9). W roku 2020 zdemontowano reflektory na poligonach Berejów, Babiak i Lewino.

reflektor szymbarku 3

Rys. 8. Wygląd ogólny reflektora na osuwisku w Szymbarku. Fot. Perski Z.

analiza reflektorow

Rys. 9. Przykład kompleksowej analizy danych dla reflektora CR08 na osuwisku Zapadle w Szymbarku. Czerwony – składowa W-E ruchu reflektora [mm], czarny – składowa Z [mm], pomarańczowy składowa W-E pomiarów GNSS. Na tle zmian wysokości zwierciadła wód podziemnych, opadów i temperatury powietrza

European Ground Motion Service

Bazując na sukcesie wielu badań demonstracyjnych InSAR, pojawiło się szereg inicjatyw międzynarodowych, których celem było wykonanie opracowań InSAR o wiekoobszarowym charakterze. Najważniejsze spośród nich były to: projekt TerraFirma (2003-2014), PanGeo (2011-2014); włoski Piano Straodinario di telerilevamento Ambientale (2008-2016); a także szereg projektów spin-off powstałych na bazie TerraFirma i PanGeo, w tym SubCoast, EVOSS i DORIS. Wspólnym mianownikiem wszystkich tych inicjatyw było usprawnienie niezależnych działań w ujednoliconą usługę prototypową, aczkolwiek z różnymi odbiorcami docelowymi. Skoncentrowano się zarówno na rozwoju algorytmicznym i operacyjnym, jak i na działaniach walidacyjnych.

Niemniej jednak wiele z tych inicjatyw stanęło w obliczu poważnych ograniczeń operacyjnych z powodu braku systematycznego źródła obrazów radarowych, utrudnianych przez nieodłączne ograniczenia trybów rejestracji danych. W rezultacie wymagało to kilku lat rejestracji danych SAR, aby uzyskać wiarygodne wyniki InSAR. Oznaczało to, że dane były zwykle przetwarzane tylko raz i nie były regularnie aktualizowane.

Obecnie, dzięki programowi Copernicus, dostępne stały się wszystkie właściwe składniki potrzebne do wprowadzenia i obsługi systemu GMS krajowego jak i o szerszym zasięgu. W ostatnich latach są prowadzone intensywne prace w kierunku wprowadzenia European Ground Motion Service (EGMS).

European Ground Motion Service (EGMS) jest częścią portfolio produktów Copernicus do monitorowania powierzchni lądów, a jego wdrożenie powierzono Europejskiej Agencji Środowiska (EEA).

EGMS ma na celu dostarczanie spójnych, regularnych, znormalizowanych, zharmonizowanych i wiarygodnych informacji dotyczących naturalnych i antropogenicznych zjawisk ruchu powierzchni terenu w Europie, niezależnie od granic administracyjnych państw, z milimetrową dokładnością. EGMS będzie wspierać polityki na szczeblu zarówno europejskim jak i krajowym.

Głównym celem EGMS jest pomiar przemieszczeń terenu, w tym osuwisk i osiadań, a także deformacji infrastruktury. Przemieszczenia zostaną określone z analiz szeregów czasowych danych Sentinel-1 programu Copernicus z wykorzystaniem interferometrii radarowej Rozpraszaczy Stabilnych (ang. Persistent Scatterers) i Rozproszonych Rozpraszaczy (ang. Distributed Scatterers). Dane będą stanowić uzupełnienie globalnych systemów nawigacji satelitarnej (GNSS) i innych obserwacji in situ.

EGMS zapewni również narzędzia do wizualizacji, interaktywnej eksploracji danych i wymiany doświadczeń wykorzystania danych przez użytkowników (protokoły i przykłady najlepszych praktyk) do dalszych badań zmian na powierzchni terenu.

EGMS będzie stanowić uzupełnienie istniejących i powstających inicjatyw krajowych oraz będzie służyć jako podstawa do bardziej szczegółowych krajowych i regionalnych badań. Serwis zapewni szerszy kontekst i zmniejszy koszty dostępu do danych o przemieszczeniach powierzchni terenu.

Szczegółowe informacje na:

https://land.copernicus.eu/user-corner/technical-library/european-ground-motion-service