Основни принципи и приложение на метода InSAR

Н.с. Mила Атанасова

Въведение

Настоящата статия представя кратко описание на интереферометричните радиолокационни системи InSAR. Показва  резултатите, получени след обработка на радарни изображения за земетресението в Бам (Иран) през 2003 г. Разгледано е приложението на тази техника за определянето на деформации на Земята, причинени от различни природни и човешки феномени.

Технологията на InSAR за първи път е използвана за дистанционно изследване повърхността на Луната и Венера. От тогава методът е усъвършенстван и сега има голямо приложение за мониторинг на земетресения,  вулкани, свлачища, потъвания и др. InSAR е по-скъп в сравнение с другите методи за изследване на деформации в геодезията, но дава данни за милиони точки и покрива големи площи.

 SAR интерферометрията е приложена за първи път за топографско картографиране от Греъм през 1974 г. Първите практически резултати са получени от Zebker и Goldstein, чрез използване на странично ориентиран радар през 1986 г. Изследванията в областта на интерферометричната SAR (InSAR) технология, се увеличиха след старта на сателитите ERS-1 и ERS-2, които предоставят интерферометрични данни, получавани с разлика само от един ден. Броят на научните изследвания използваики технологията InSAR нарасна също след старта на нови сателити, като ENVISAT.

 За да се получат SAR интерферометрични данни, се използват две пространствено разделени антени. Разстоянието на физическо разделяне се нарича интерферометрична базова линия. Могат да са монтирани върху една единствена платформа или една антена, монтирана на сателит и данните от нея да сe акумулират, чрез преминаване над една и съща площ два пъти. Във втория случай, интерферометричната базова линия се формира от свързване на радарни сигнали от повторни преминавания над заснеманата зона. Този подход се нарича интерферометрия, базирана на повторни наблюдения или многократна интерферометрия  

SAR системите са радиолокационни системи, установени на борда на космически апарат, които излъчват електромагнитни вълни към земната повърхност и регистрират амплитудата и времето на задържане или фазата на отразените сигнали, за да се формира радиохолограма на наблюдаваната повърхност. Получават се записи на амплитудите и фазите на интерфериращите отразени вълни от всяка точка на наблюдаваната повърхност. Конвенционалните InSAR системи формират две комплексни SAR изображения, чрез две антени,  разположени на малко разстояние една от друга по напречната базова линия. Такава система се нарича интерферометрична SAR система Чрез използване на фазовата разлика между SAR сигналите, уловени от антените, установени на интерферометър, може прецизно да се определи ъгълът на превишение на всеки пиксел от SAR образите, който съответства на една и съща област от земната повърхност. 

Напречната InSAR се използва за точно измерване на движенията на наблюдаваната повърхност. За целта се използва фазата на сигналите най-малко на два комплексно измерени SAR образа от близки орбитални позиции, което позволява да се изчислят разликите в дължините на пътищата по линията на наблюдение от антената на радиолокационната станция до наблюдаваната точка от повърхността. Интереферометричните радиолокационни системи (InSAR системи) позволяват да се получат три-дименсионни образи на релефа на земната повърхност с висока пространствена разделителност.

D-InSAR-диференциалната техника е получена от InSAR и има за цел да генерира карта на деформациите, за количествено определяне на възникналите движения, претърпени в една определена област на Земя в интервала време между две сателитни прелитания над същата област.

Интервалът време между заснеманията на изображенията трябва да е достатъчно голям за откриване на движение, дори ако това означава по-малко съгласуваност между тези изображения и повишаване на сигналът шум.

Фигура 1 Илюстрация на основните принципи на интерферометрията.

 Методология

 Този раздел описва накратко основата на интерферометричната обработка, необходима за получаване на картата на топографията (InSAR) или карта на деформациите (D-InSAR). Двете основни изисквания за определяне на изместването на земната повърхност, между две сателитни преминавания, е  да се знаят точно: орбитите на двата сателита, както и фазовата информация, присъщи на SAR сигнала. Фазовата информация от двата сателитни записа (всеки от които на практика е вид измерено разстояние) се използва за оценка изменението в разстоянието между двете снимки.

Интерферометричната преработка се базира на използването на разликите в нивото на сигналите, излъчвани  от сателита и отразени от повърхността на Земята. Генерира се цифров височинен модел на терена (DEM- Digital elevation model) за всяка снимка, от които може да се определи количествено деформацията, възникнала на земната повърхност. От DEM картата може да се търсят и да бъдат открити новите теренни деформации

За получаване на интерферогрма в зависимост от използвания софтуер обикновено се включва комбинация от следните четири стъпки (Kampes B., and et. 2004):

• Предварителна обработка на суровите данни (радарни и орбитални) и преобразуване в друг формат различен от SLC. За изображения ERS1 / 2 и Envisat се използват точни орбити, получени чрез пакет „getorb“ на университета в Делфт;
• Регистрация на изображения – където второстепенното изображение съвпада с образа приет за еталон;
• Изчисляване на интерферометричните продукти: комплекс от фазови изображения, изчисляване интерферограма, проверка на съгласуваност и филтриране;
• Изчисляване на крайния продукт: DEM картата (Цифров височинен модел ) и карта на деформациите;

Точността на InSAR зависи от много фактори: например – от точността на определяне на орбитата на летене на двата спътника и атмосферни условия, които влияят на фазовото закъснение.

С методът може да се определи деформацията на земната повърхност в размери мм – cm, стига да има подходящи снимки и да се поддържа съгласуваност.

Проблемите, които причиняват разграждане на изображението и инферограмата, са основно от:

• Шум, който води до загуба на съгласуваност, вследствие на атмосферни ефекти, които причиняват вариации на фазата;
• Декорелация на времето е интервалът считан за прекалено голям период от време между две последователни заснемания  на проучваната област. Интервалът времето между заснеманията не трябва да бъде голям, за да се предотврати промените в земното покритие, което може да доведе до липса на съгласуваност на изображенията;
• Декорелация в пространството е прекомерното отдалечаване на позициите на двата сателита. Максималната дължина, приемлива за ERS спътници и ENVISAT, е от порядъка на 1000 m, след която има една пълна загуба на съгласуваност в изображенията. Това е от решаващо значение, тъй като степента на съгласуваност много съществено влияние върху точността на фазата и генерирането на интерферограмата.

Една интерферограма се показва условно с изображения, съставени от цветни пиксели. При липса на напрежение на терена, не се променя цвета или цветовете са създаващи впечатление за случаен шум. Когато има изменение на  повърхността са налице сектори на промяната на цвета, което показва размера на деформация по ивици. Тези линии на промяната на цвета, които изглеждат като „нередности“ в диференциалната интерферограма, са резултат от промените в дистанционно поле, създадено от всяко преместване на точка от повърхността на  Земята в интервала между двете снимки, което води до промяна сигнала – фаза. За да се определи количествено измененията, претърпени в определен район, след като се получи картата на деформация, трябва да се преброят слотовете и да се умножат по половината от дължината на вълната на сензора (56мм), използван за изображението. Колкото е по-голям броя слотове, толкова е по-голям размерът на деформация.

 Земетресението в град Бам (Иран)

Целта е да се приложи интерферометрията за проучване на деформации, получени вследствие от земетресението в югоизточния град Бам на 26 декември 2003 г. При това катастрофалното земетресение от 6.6 MW в Иран загиват 26000 души – около една четвърт от населението на града и е разрушена голяма част от историческия център (Funning G., and et 2005, Wright T. 2005). За обработка на данните е използван Doris софтуер, разработен в Техническия университет в Делфт-Холандия (Kampes B., 2000) и предоставен на Workshoop on Deformation Measurements and Understanding Natural Hazards в Триест, Италия (2005) (Hanssen R. and et. 2005). Това е софтуер за интерферометрична обработка, чрез поредица от процеси включени в четири стъпки за определяне на полето на  деформация.

За изходни данни са използвани заснемания, свободно предоставени от Европейската космическа агенция. Първата стъпка е да се провери наличието на изображения за изследваната област. От тях трябва да се избере най-добрата интерферометрична комбинация от изображения въз основа на времеви и пространствено разделение между SAR снимките преди и след земетресението. Изображенията, използвани в това изследване, са получени от спътника ENVISAT. Налични са данни за четири  ENVISAT/ASAR снимки  от околностите на Бам (Иран) (Таблица 1). Тези снимки са направени преди и след 26 декември 2003г.

Таблица 1. ENVISAT данни за Бам, Иран

Предварително се апроксимират перпендикулярните базисни линии за възможното комбиниране на тези снимки (Таблица 2). Не се използват  тези с перпендикулярна базисна линии за ENVISAT  приблизително по-голяма от 1  километър В случая интерферограма А-С. Интерферограми В-А, В-С и В-D могат да бъдат комбинирани и да се извлече цялата информация от тези четири снимки. 

Таблица 2. Перпендикулярна базисна линия

Интерферограма  В-А  може да се  използва за генериране на DEM модел (digital elevation model -цифров височинен модел) на площа на Бам преди земетресението. Интерферограмата В-D има  много малка стойност на перпендикулярната базисна линия т.е е оптималната двойка за изучаване на премествания.

За проучване на деформациите е генерирана снимка ENVISAT/ASAR 9192 (12.03.2003) избрана за еталон и 10194 (11.02.2004) като подчинена. Перпендикулярната базисна линия между тях е много малка (5 м), така че ги прави идеална комбинация за изследване на деформации, тъй като топографска част е със слабо влияние върху сигнала на фазата. Освен това, във времето – декорелацията е малка т.е малък е период време (70 дни) между двете изображения т.е има се предвид характеристиките на растителното покритие в тази област. На фигура 2 и 3 се представят получените амплитудни изображения на основната и подчинената снимка В резултат от обработката на данните на фигура 4 е показана интерферограмата на деформациите

Фигура 2.ENVISAT/ASAR 9192 (03.12.2003), използвана като еталон в преработката на земетресението в Бам

Фигура 3. ENVISAT/ASAR 10 194 (11.02.2004), използвана като подчинена в обработката на земетресението в Бам

 Един интерферометричен кръг отговаря на 28 мм разместване на земната повърхност. Възможно е, чрез преброяване на броя на слотовете, да определим числено компонентата на  деформация на обекта. По този начин, анализирайки интерферограмата на Фигура 4, приблизително в южната част на града има около 30 см (10 ленти х 2.8 см = 28 см) преместване и има пропадане в северната част на града – около 23 см (8 ленти х 2.8 см = 22.4 см).

Фигура 4 Интерферограма на земетресението в Бам.

Заключение

Представена бе схема на InSAR обработката за изчисление на изместванията по земната повърхността. Направена бе оценка на земните деформации настъпили след земетресението в Бам (Иран) на базата от InSAR данни.

Теоретичният анализ ни убеди, че методът и обработка на SAR изображения могат да бъдат използвани за интерферометрични измервания на релефа на земната повърхност, за получаване на изображения на обекти върху земната повърхност и оценки на процесите на движение на земната повърхност при различни геологични феномени, като свличания на земни маси, измествания на повърхностните слоеве в резултат на земетресения и вулканична активност.

Използвана литература

Funning, G.J., Parsons, B.E., Wright, T.J., Jackson, J.A, Fielding, E.J., (2005). Surface displacements and source parameters of the 2003 Bam (Iran) earthquake from Envisat advanced synthetic aperture radar imagery: J. Geophys. Res., 110, B09406, doi:10.1029/2004JB003338.

Kampes, B., (2000). Delft Object-Oriented Radar Interferometric Software, User’s Manual and Technical Documentation. Delft Institute for Earth-Oriented Space Research – Delft University of Technology, The Netherlands, 134 pp.

Kampes B., Hanssen R. (2004) Cookbook, Rdar Interferometric Processing with Doris. IAG-IASPEI Joint Capacity Building Workshoop on Deformation Measurements and Understanding Natural Hazards in Developing Countries Trieste-Italy 17-25.January 2005

Kampes B., Hanssen R. (2005) Computer Practicals using Doris InSAR software, IAG-IASPEI Joint Capacity Building Workshoop on Deformation Measurements and Understanding Natural Hazards in Developing Countries Trieste-Italy 17-25.January 2005

Wright T. (2005) Maping Deformacion of the Earthquake Cycle with InSAR IAG-IASPEI Joint Capacity Building Workshoop on Deformation Measurements and Understanding Natural Hazards in Developing Countries Trieste-Italy 17-25.January 2005