Satelitarna interferometria radarowa (InSAR)


Satelitarna Interferometria Radarowa - InSAR (SAR Interferometry) jest metodą od ponad 10 lat wykorzystywaną do badania zmian ukształtowania powierzchni Ziemi. Jest to metoda teledetekcyjna wykorzystująca wzajemne przesunięcia fazy sygnału dwóch zobrazowań SAR tego samego obiektu wykonanych z nieznacznie różnych pozycji. W oparciu o różnice fazy odpowiadających sobie sygnałów radarowych z kolejnych zobrazowań SAR uzyskuje się informację o wartościach względnych rzędnej powierzchni terenu lub jej zmianach w czasie.

 

 

Jak to działa?

 

Tradycyjna technika InSAR opiera sie na wykorzystaniu interferogramów tj. rastrowych zbiorów przedstawiających różnice fazy pomiędzy dwoma rejestracjami SAR. InSAR wykorzystuje rejestracje SAR wykonywane sekwencyjnie za pomocą jednej anteny SAR w czasie kolejnych przelotów satelity nad tym samym obszarem. Odbity od powierzchni Ziemi sygnał jest rejestrowany w postaci zespolonej zachowując swoją fazę i moc. Przetwarzanie interferometryczne danych SAR polega na obliczeniu różnic fazy dwóch obrazów SAR. Rezultatem tego przetwarzania jest obraz różnic fazy zwany interferogramem. Interferogramy można wizualizować w postaci sekwencji barw odpowiadających różnicom fazy zwanych prążkami interferometrycznymi.

satelitarna interferometria radarowa

 

Odległość bazowa B to geometryczna różnica pozycji anteny SAR w trakcie kolejnych rejestracji. Wielkość odległości bazowej jest zależna od tzw. dryfu satelity i warunkuje stosowalność poszczególnych obrazów SAR dla interferometrii. Obliczenia odległości bazowej wykonuje się na podstawie danych o parametrach orbit.schemat pomiaru InSAR

 interferogram

Koherencja

Koherencja to wielkość współczynnika korelacji zespolonych wartości sygnału SAR. Koherencja określa bezpośrednio stopień zgodności fazy sygnałów SAR. Jej wielkość jest zależna bezpośrednio od zakłóceń fazy interferogramu. Wartość koherencji warunkuje bezpośrednio czytelność generowanego interferogramu: dla obszarów o wysokiej koherencji możliwa jest interpretacja zmian fazy interferogramu (jako np. efektu deformacji, różnic topografii itp); dla obszarów o niskiej bądź zerowej koherencji interpretacja interferogramu jest utrudniona bądź często niemożliwa, gdyż pierwotna faza sygnału uległa degradacji przez czynniki techniczne lub środowiskowe. Graficznym przedstawieniem lateralnej zmienności koherencji jest tzw. mapa koherencji - obraz przedstawiający w odcieniach szarości wartości koherencji dla poszczególnych pikseli: 0: brak koherencji; 1: (lub 255 w zapisie 8-bitowym) pełna koherencja.koherencja

 

Plusy i minusy czyli nieco o dokładnościach


Największe ograniczenia metody InSAR wiążą się z tzw. dekorelacją czasową, która związana jest ze zmianami właściwości elektromagnetycznych lub/i pozycją rozpraszacza wewnątrz komórki rozdzielczości. Kolejnym ograniczeniem metody D-InSAR jest występowanie tzw. artefaktów atmosferycznych. Zróżnicowana zawartość pary wodnej w atmosferze a także turbulentny charakter atmosfery są źródłem dodatkowej składowej fazowej sygnału nazywanej atmosferycznym obrazem fazy (Atmospheric Phase Screens APS). W przypadku pojedynczego lub kilku interferogramów efekty atmosferyczne są bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do usunięcia stąd uzyskiwane dokładności pomiarowe są często dużo niższe od oczekiwanych. Z powodu wymienionych ograniczeń praktyczne użycie metody InSAR jest w większości przypadków zredukowane do danych o małych bazach czasowych, przypadków badania zjawisk o silnych deformacjach 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.

 

Krok dalej - interferometria rozpraszaczy stabilnych (PSI)

 

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. Oczywiście 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 obiekt 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 (w przypadku 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).

 

PSInSAR

Rozpraszacze stabilne wykorzystuje się w satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR) w tzw. metodzie interferometrii rozpraszaczy stabilnych (PSI , PSInSAR). Technika ta, opracowana przez naukowców z Politechniki w Mediolanie, pozwoliła przezwyciężyć podstawowe ograniczenie klasycznej interferometrii SAR wynikające z dekorelacji sygnału. Metoda PSInSAR pozwala ponadto wykorzystywać wszystkie obrazy SAR zarejestrowane dla danego obszaru (dla tej samej ścieżki i kadru – track and frame) niezależnie od odległości bazowej i warunków pogodowych w czasie rejestracji.

W metodzie tej dokonuje się identyfikacji PS za pomocą badania dyspersji amplitudy dla poszczególnych pikseli na kolejnych obrazach SAR. Po zidentyfikowaniu PS bada się ich różnice fazy w stosunku do obrazu referencyjnego podobnie jak w klasycznej metodzie InSAR. W efekcie opracowania produktem PSInSAR jest zbiór punktów, dla których obliczono wartości wysokości, przyrostu deformacji (przy założeniu określonego modelu - najczęściej liniowego) oraz wartości deformacji dla poszczególnych epok obserwacyjnych (zobrazowań SAR). Podobnie jak w metodzie InSAR wszystkie otrzymane wartości deformacji są wielkościami względnymi: względnymi w czasie - w stosunku do rejestracji SAR przyjętej za referencyjną oraz w przestrzeni - w stosunku do punktu wybranego jako referencyjny.

szeregi czasowe PSInSAR

Metoda PSInSAR umożliwia pomiar deformacji o przyrostach rzędu 1 mm/rok. Jak już wspomniano pomiary są dokonywane w punktach a nie dla całej powierzchni jak w przypadku klasycznych interferogramów. Zagęszczenie PS będzie oczywiście zależało od sposobu zagospodarowania terenu. Dla obszarów miejskich może ono wynosić nawet powyżej 100 PS/km2. Na obszarach rolniczych jest ono znacznie mniejsze, ale tam każdy niemal budynek stanowi PS. Dyskretny w przestrzeni charakter danych wymusza konieczność ich interpolacji. Interpolacja PS jest zagadnieniem bardzo trudnym przy tak dużej czułości w wykrywaniu deformacji. Rozpraszacze stabilne, których dokładna charakterystyka zostanie opisana w dalszej części, są to najczęściej obiekty powstałe w wyniku działalności człowieka: ściany budynków, konstrukcje stalowe, betonowe itp. O tym, która część konstrukcji będzie stanowiła rozpraszacz decyduje usytuowanie ścian lub innych elementów odbijających konstrukcji w stosunku do kąta kierunkowego (azymutu) i kąta pionowego padania wiązki radarowej oraz wielkość obiektu w stosunku do długości fali. Warunki te sprawiają, że sąsiadujące ze sobą punkty PS mogą odzwierciedlać zupełnie różne obiekty terenowe, a w zarejestrowanym zapisie historii deformacji mogą odzwierciedlać się różne zjawiska.

 

zbiór PS dla Gdańska

Przykładowy zbiór danych PSInSAR dla miasta Gdańska. Kolory punktów PS odzwierciedlają prędkość deformacji obliczoną wg. modelu liniowego [mm/rok] w latach 1992 - 2000 ( projekt GEO-IN-SAR).

 

Teraźniejszość i przyszłość - nowe sensory

 

W ostatnich latach pojawiły się na orbicie nowe systemy mikrofalowe projektowane między innymi z myślą o zastosowaniach interferometrycznych:
1. Japoński ALOS-PALSAR (do 12 maja 2011)
2. Niemieckie satelity TerraSAR-X / TanDEM-X
3. Konstelacja wysokorozdzielczych sateiltów COSMO-SKYMED
4. SENTINEL-1 (wystrzelenie planowane na 2013r.)

 

Opracował: Zbigniew Perski