Dzisiejsza notatka poświęcona będzie najważniejszemu postępowi technicznemu jaki nastąpił w dziedzinie teledetekcji satelitarnej w ostatnich 30 latach.Mowa o technologii satelitarnej interferometrii radarowej. To narzędzie pozwala między innymi na monitoring deformacji terenu na powierzchni obejmującej setki kilometrów kwadratowych w 6 lub 12 dyniowych interwałach czasowych.

A więc zacznijmy od początku…

Radar o syntetycznej aperturze

W typowej konstrukcji radaru w celu zwiększenia rozdzielczości (rozróżnialności) zwiększa się wielkość anteny. Wielkość ta jest jednak ograniczona możliwościami konstrukcyjnymi, szczególnie gdy radar ma być mobilny. Technika radaru z syntetyczną aperturą (SAR) polega na zwiększeniu „wirtualnego” rozmiaru anteny poprzez nadawanie i odbiór sygnałów sondujących za pomocą anteny umieszczonej na ruchomej platformie. Zarejestrowane sygnały są następnie składane w taki sposób, jak gdyby pochodziły od elementów składowych jednej dużej anteny, często o wymiarze kilkuset metrów a nawet kilku kilometrów. W efekcie można uzyskać obrazy radarowe o bardzo wysokiej rozdzielczości. Obecnie w kosmicznej technice SAR uzyskuje się rozdzielczości metrowe, w technice samolotowej – rozdzielczości decymetrowe. W celu uzyskania wysokiej jakości obrazów SAR konieczna jest bardzo dokładna znajomość trajektorii ruchu platformy (z dokładnością większą niż 0,1 długości fali). Ponieważ zwykle trajektoria ruchu nie jest tak dokładnie znana, konieczne jest stosowanie technik automatycznego ogniskowania.

W czerwcu 1951, Carl A. Wiley, matematyk pracujący w Goodyear Aircraft Company, wynalazł technikę radaru SAR w czasie prac nad systemem naprowadzania rakiet Atlas ICBM. Na początku 1952roku , Wiley, ze współpracownikami stworzył pierwszą realizację tego konceptu. Pierwsze próby odbywały się na pokładach samolotów. Najsłynniejszym jest Douglas DC-4 na któym wykonano kilkadziesiąt udanych lotów pomiarowych.

Sentinel-1

Sentinel-1B / Źródło: ESA

Pierwszym satelitą projektu Copernicus (GMES) wystrzelonym w przestrzeń kosmiczną był Sentinel-1A (kwiecień 2014). W kwietniu 2016 dołączył do niego bliźniak – Sentinel-1B. Okres obiegu wynosi 98.7 minuty. Po dwunastu dniach satelita odwiedza ten sam punkt na orbicie nad powierzchnią planety Ziemi. 24 sierpnia 2016 nastąpiło trzęsienie ziemi w Amatrice. To po nim dane pochodzące z satelitarnej interferometrii radarowej szeroko zaistniały w środowisku naukowym (głównie dzięki polityce otwartych danych, oraz wygodnemu do nich dostępowi).

Obszar trzęsienia ziemi we Włoszech. Źródło: ESA

InSAR

Satelitarna interferometria radarowa

W wyniku tworzenia obrazu SAR generowany jest obraz zespolony. W klasycznym podejściu informacja o obserwowanym obszarze uzyskiwana jest z amplitudy utworzonego obrazu SAR. Informacja zawarta w fazie jest bezpowrotnie gubiona. Informacja fazowa nie może być wykorzystana w przypadku pojedynczego obrazu SAR. Jednak, jeżeli wygenerowane zostaną dwa obrazy SAR za pomocą anten umieszczonych na różnych wysokościach, to różnica faz dwóch obrazów niesie informacje o wysokości obserwowanych punktów. W ten sposób można utworzyć trójwymiarowe obrazy obserwowanego obszaru (digital elevation model; DEM). Metoda taka została zastosowana w misji SRTM w roku 2000 w której uzyskano obrazy wysokiej rozdzielczości powierzchni Ziemi z pokładu promu kosmicznego. Jeżeli trajektorie ruchu radaru SAR pokrywają się w obydwu przebiegach, to nie występuje różnica faz wynikająca z wysokości obserwowanych punktów, a efekt interferometryczny jest wywołany jedynie przemieszczaniem się punktów. Rozdzielczość metody jest na poziomie setnych części długości fali, można więc wykrywać milimetrowe przemieszczenia np. wywołane ruchami górotworu, wstrząsami tektonicznymi, erupcjami wulkanów, podziemną działalnością człowieka itp.

Metoda pomiaru InSAR/ Źródło: Państwowy Instytut Geologiczny

Łańcuch operacji

Proces przetwarzania polega na wstępnym zestrojeniu dwóch rastrów (koorejestracja i back-geocoding), dodaniu informacji o orbicie satelity. Kolejny krok to operacja Split wybierająca jeden z trzech podzbiorów, kolejno scalenie wiązek radarowych i w przypadku obliczeń deformacji usunięcie tzw. fazy topograficznej (różnicy w fazie wywołanej rzeźbą i wysokością terenu). Istnieje możliwość przefiltrowania rastra filtrem Goldstein. Najbardziej czasochłonnym obliczeniowo zadaniem jest tzw. rozwijanie fazy (phase unwrap). Polega ono na wyszukaniu miejsca o teoretycznie zerowej deformacji i naliczaniu przyrostowi zmian fazy wraz z przekraczaniem kolejnych prążków interferometrycznych. Ostatnie zadanie to przeliczenie rastra z odwzorowania range/azimuth wzdłuż ścieżki lotu satelity na współrzędne geograficzne.

Całość tych operacji można wykonać przy pomocy pakietu SNAP/STEP Europejskiej Agencji Kosmicznej oraz SNAPHU.

Szkody górnicze w przykładach

Chełm Śląski

Chełm Śląski

Na interferogramie widać dwa owalne obszary na których następuje osiadanie powierzchni terenu. W środkowej części obrazu widoczne są również naniesione lokalizacje wstrząsów sejsmicznych zarejestrowanych przez GRSS w ciągu ostatnich dwóch lat. Osiadanie w okresie 12-24 marca 2018 wyniosło tam ponad 5 cm (wzdłuż płaszczyzny obserwacji LOS). Do Chełma Śląskiego jeszcze wrócimy, ponieważ w kontekście planów KWK Ziemowit w zakresie eksploatacji złoża Imielin-Północ, warto pokazać jakie deformacje występowały w wyniku eksploatacji na zawał. Dlatego postaram się prześledzić ten proces na przykładach z Sentinela.

Borynia

Borynia

Na powyższym obrazie doskonale widać zobrazowanie prążków interferometrycznych powstałych w wyniku przesunięcia faz sygnałów zarejestrowanych. Możemy odczytać co najmniej 3 pełne cykle fazowe (każdy o długości fali w paśmie C – ok. 2.7cm). Tu również deformacje mają dłuższą historię w czasie, więc powierzchnia terenu zdążyła obniżyć się nawet o kilkanaście metrów.

Gmina Pawłowice

Kilkanaście niecek

Istnieją również obszary gdzie ilość takich zjawisk jest tak duża że zajmują praktycznie cały badany obszar. Tak jest między innymi pomiędzy miejscowościami Jastrzębie-Zdrój a Pawłowice. Obszar ten jest bardzo silnie zniszczony w wyniku eksploatacji.

Gorąco zapraszam was do lektury kolejnego wpisu na ten temat, który pojawi się za kilka dni…

W opracowaniu wykorzystano dane pochodzące z projektu Copernicus – contains processed Copernicus data, 2018