Struˇcnˇe k radarov´e interferometrii
Deformace vlivem pokles˚ u ter´enu lze sledovat r˚ uzn´ ymi zp˚ usoby, t´ım nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ım je nivelace. Avˇsak vzhledem k tomu, ˇze se niveluje v lini´ıch, jde o metodu n´aroˇcnou, jde-li o sledov´an´ı deformac´ı na vˇetˇs´ım u ´zem´ı. Radarov´a interferometrie (InSAR) umoˇzn ˇuje mapov´an´ı deformac´ı na vˇetˇs´ım u ´zem´ı, a to za cenu jen m´ırnˇe z´avislou na velikosti u ´zem´ı. Jedn´a se o zpracov´an´ı s´erie druˇzicov´ ych sn´ımk˚ u, kde cena je odvisl´a pˇredevˇs´ım od poˇctu tˇechto sn´ımk˚ u. InSAR se hod´ı pˇredevˇs´ım pro dlouhodob´e sledov´an´ı deformac´ı (nˇekolik let). Napˇr´ıklad druˇzice ENVISAT sn´ımkuje cca jednou za mˇes´ıc a pro kvalitn´ı zpracov´an´ı je tˇreba v´ıce neˇz 30 sn´ımk˚ u (a je moˇzn´e, ˇze nˇekter´e ze sn´ımk˚ u nebude moˇzn´e pouˇz´ıt). Re´aln´a velikost jednoho pixelu ve sn´ımku je urˇcna rozliˇsen´ım. V´ ypoˇcet deformac´ı nelze prov´est na cel´em u ´zem´ı, ale pouze na tzv. trval´ ych odraˇzeˇc´ıch, kter´e jsou identifikov´any bˇehem zpracov´an´ı (tj. nelze je vybrat pˇredem). Jedn´a se o body s vysokou odrazivost´ı smˇerem k radaru, kter´e jsou z´aroveˇ n dlouhodobˇe stabiln´ı. Typicky jde o mosty nad vodou, budovy, sk´aly. Metoda selh´av´a v zarostl´ ych oblastech, zde je moˇzn´e nainstalovat k tomuto u ´ˇcelu vyroben´e rohov´e odraˇzeˇce (velikost cca 1 m). Trval´ y odraˇzeˇc odr´aˇz´ı sign´al zpˇet k radaru tak silnˇe, ˇze sign´al odraˇzen´ y od ostatn´ıch bod˚ u dan´eho pixelu bude v˚ uˇci tomuto zanedbateln´ y, pˇr´ıpadnˇe jich m˚ uˇze b´ yt v´ıce, mˇely by se pohybovat (pokles´avat) stejnˇe. V pˇr´ıpadˇe, ˇze tomu tak nebude, metoda dan´ y bod jakoˇzto trval´ y odraˇzeˇc nekvalifikuje. Standardn´ı zpracov´an´ı pˇredpokl´ad´a, ˇze rychlost poklesu ter´enu je v ˇcase konstantn´ı, to ale nen´ı podm´ınkou. Pro pˇresnˇejˇs´ı zpracov´an´ı je ale tˇreba zn´at model deformac´ı, kter´e zpracov´an´ı potvrd´ı a zpˇresn´ı, nebo vyvr´at´ı. Metoda umoˇzn ˇuje sledovat deformace zhruba od 1 mm roˇcnˇe, tyto deformace by mˇely b´ yt pozvoln´e. Povolenou prostorovou zmˇenu deformac´ı vˇsak lze stˇeˇz´ı urˇcit; z´avis´ı na hustotˇe trval´ ych odraˇzeˇc˚ u. Nesm´ı pˇrekroˇcit polovinu vlnov´e d´elky (nˇekolik cm) mezi dvˇema nejbliˇzˇs´ımi odraˇzeˇci; pokud se deformace bude t´eto hodnotˇe bl´ıˇzit, opˇet hroz´ı, ˇze zpracov´an´ı nebude moˇzn´e ˇci bude nespolehliv´e. Metoda je pˇresnˇejˇs´ı, pouˇzije-li se pˇresn´ y digit´aln´ı model ter´enu (DEM); m´enˇe pˇresn´ y SRTM je dostupn´ y zdarma a kdyˇz je dostateˇcn´ y poˇcet sn´ımk˚ u, lze z´ıskat korekce k m´enˇe pˇresn´emu modelu – tzn. pˇresn´ y DEM je jako v´ ystup. Metoda pracuje relativnˇe v˚ uˇci referenˇcn´ımu bodu (je lepˇs´ı, pokud jich je v´ıce). Tyto referenˇcn´ı body mus´ı b´ yt trval´e odraˇzeˇce a mus´ı o nich b´ yt zn´amo, ˇze jsou stabiln´ı (pˇr´ıpadnˇe je nutn´e zn´at v´ yvoj jejich pokles˚ u v ˇcase). N´aˇs t´ ym dosud zpracov´aval sn´ımky z druˇzic ERS-1 a ERS-2 z 90. let 20. stolet´ı. Nyn´ı pracujeme na projektu, kter´ y by mˇel sledovat poklesy umˇele vyroben´ ych odraˇzeˇc˚ u v hnˇedouheln´e p´anvi. Zde pouˇz´ıv´ame sn´ımky z druˇzice ENVISAT, kter´e se sn´ımaj´ı od r. 2009. V´ ysledkem zpracov´an´ı metodou radarov´e interferometrie je georeferencovan´a mapa deformac´ı na zadan´em u ´zem´ı. InSAR implicitnˇe sleduje pouze deformace ve smˇeru radarov´eho paprsku, tj. (u ERS1/2) cca 23 stupˇ n˚ u od svislice. Pokud jsou oˇcek´av´any pouze svisl´e deformace, lze je snadno pˇrepoˇc´ıtat. Vektor deformac´ı jako takov´ y pro kaˇzd´ y bod vypoˇc´ıtat nelze, lze vˇsak pouˇz´ıt v´ıce 1
a
b
Obr´azek 1: Pˇr´ıklad interferogram˚ u z druˇzic ERS (a) a TerraSAR-X (b). Obr´azky poch´azej´ı od zahraniˇcn´ıch t´ ym˚ u a zobrazuj´ı u ´zem´ı v zahraniˇc´ı. Zdroje: http://www.esa.int/esaEO/SEMA20W4QWD index 1.html (a), http://www.dlr.de/en/DesktopDefault.aspx/tabid-3086/4804 read-17678/gallery-1/ e prouˇzky (”fringe” znamenaj´ı zmˇenu f´aze o gallery read-Image.1.9471/ (b). Barevn´
jeden cyklus (2π). Mohou zn´azorˇ novat bud’ topografii, nebo deformace (poklesy, sesuvy, seismick´e efekty) nebo atmosf´erick´e vlivy, coˇz nejsp´ıˇse nen´ı tento pˇr´ıpad. Interferogram lze interpretovat kvalitativnˇe, tj. doˇslo ˇci nedoˇslo k deformaci, ale kvantitativn´ı interpretace je sloˇzitˇejˇs´ı.
s´eri´ı dat z r˚ uzn´ ych drah druˇzic, kde jsou paprsky vys´ıl´any pod jin´ ym u ´hlem, pˇr´ıpadnˇe i s´erie z jin´ ych druˇzic. Tato kombinace v sobˇe skr´ yv´a nebezpeˇc´ı, ˇze jin´e body budou identifikov´any jako trval´e odraˇzeˇce. Pˇresnost metody je obt´ıˇzn´e kvantifikovat, je odvisl´a od poˇctu sn´ımk˚ u a jejich kvality (ovlivnˇena pˇredevˇs´ım ter´enem, problematick´e jsou zarostl´e oblasti, oblasti s prudk´ ymi svahy, nejlepˇs´ıch v´ ysledk˚ u dosahuje metoda v zastavˇen´ ych oblastech), zahraniˇcn´ı t´ ymy se dost´avaj´ı na nˇekolik desetin mm/rok (z´aleˇz´ı i na ˇcasov´e hustotˇe dostupn´ ych dat), schopnosti naˇseho t´ ymu odhadujeme na nˇekolik mm/rok. Problematick´a je velk´a a velmi prudk´a deformace - nejl´epe se sleduj´ı deformace pozvoln´e v ˇcase i v prostoru - hranice nelze jednoznaˇcnˇe urˇcit, protoˇze opˇet z´aleˇz´ı na ter´enu, ale dejme tomu 10 cm/rok a 10 cm/km.
ERS-1/2 • historick´a z´aleˇzitost, ERS-1 do r. 1996 (potom sporadicky), ERS-2 m´a od r. 2000 porouchan´ y gyroskop a vˇetˇsinu sn´ımk˚ u nelze pouˇz´ıt; pouˇziteln´e pouze pro sledov´an´ı v letech cca 1995-2000 • vlnov´a d´elka 5.67 cm
2
Obr´azek 2: Uk´azky map pokles˚ u, z´ıskan´ ych z druˇzic ERS v r˚ uzn´ ych zahraniˇcn´ıch lokalit´ach. Zdroj: www.esa.int/esaCP/SEMFW08LURE Italy 1.html. V obr´azc´ıch je stˇeˇz´ı viditeln´a barevn´a ˇsk´ala zn´azorˇ nuj´ıc´ı, ˇze v oblastech zn´azornˇen´ ych ˇcervenou barvou jsou poklesy nejrychlejˇs´ı, v oblastech zn´azornˇen´ ych ˇzlutou jsou poklesy jiˇz niˇzˇs´ı a zelenomodr´a barva zn´azorˇ nuje stabiln´ı u ´zem´ı.
• perioda sn´ımkov´an´ı 35 dn˚ u • cena sn´ımku 25 euro1 • minimum 10 sn´ımk˚ u pro zpracov´an´ı, obvykle vˇsak pˇres 30 • rozliˇsen´ı 4.5 m ve smˇeru letu, 20-30 m ve smˇeru kolm´em • velikost sn´ıman´eho u ´zem´ı cca 100 × 100 km2
ENVISAT • vlnov´a d´elka 5.63 cm • perioda sn´ımkov´an´ı 35 dn˚ u (sn´ımky se mus´ı pˇredem objednat, je moˇzn´e, ˇze v arch´ıvu budou nˇejak´e sn´ımky nalezeny, ale nen´ı to jist´e) • cena sn´ımku 25 euro3 + pˇr´ıpadn´e poplatky za programov´an´ı druˇzice • minimum 10 sn´ımk˚ u pro zpracov´an´ı, obvykle vˇsak pˇres 30 • dva reˇzimy sn´ımkov´an´ı, r˚ uzn´e u ´hly dopadu (viz tab. 1) 1
plat´ı pro vˇedeck´e u ´ˇcely cel´e u ´zem´ı nezpracov´ av´ ame; v´ yˇrez ide´ alnˇe do 10km kr´at 20 km 3 plat´ı pro vˇedeck´e u ´ˇcely 2
3
a Obr´azek 3: z druˇzice
b
Uk´azka interferogramu (a) ENVISAT v r˚ uzn´ ych
a mapy pokles˚ u (b), zahraniˇcn´ıch lokalit´ach.
z´ıskan´ ych Zdroje: http://www.ct.ingv.it/Default.asp?Pagina=./Interferogramma.htm (a), http://envisat.esa.int/handbooks/asar/CNTR1-1-6.htm (b). Zat´ımco interferogram vznik´a ze dvou sn´ımk˚ u, mapa pokles˚ u poˇr´ızen´a jen ze dvou sn´ımk˚ u je vysoce nespolehliv´a – nelze lze odliˇsit pravou deformaci od atmosf´erick´ ych vliv˚ u, chyb v poloze satelit˚ u a chyb v DEM. reˇzim rozliˇsen´ı [m] (smˇer letu × kolmo) velikost sc´eny [km] inc. u ´hel o PRECISION 6 × 20–30 100 × 56–100 45 –15o WIDE SWATH (ScanSAR) 150 × 150 400× 400 Tabulka 1: Sn´ımkovac´ı reˇzimy druˇzice ENVISAT
TerraSAR-X • vlnov´a d´elka 3.1 cm, tzn. cca dvakr´at lepˇs´ı pˇresnost • perioda sn´ımkov´an´ı 11 dn˚ u • cena sn´ımku 175 euro
4
• mnoˇzstv´ı sn´ımk˚ u odhadujeme stejn´e jako v ostatn´ıch pˇr´ıpadech • r˚ uzn´e druhy sn´ımk˚ u (velikost sc´eny a rozliˇsen´ı; viz tab. 2) M´ate-li dalˇs´ı dotazy k metodˇe, m˚ uˇzete je poslat na
[email protected], m´ate-li z´ajem o spolupr´aci, ozvˇete se pros´ım na
[email protected]. 4
plat´ı pro vˇedeck´e u ´ˇcely
4
ˇ Obr´azek 4: Uk´azka interferogramu (a) a mapy pokles˚ u (b) na mal´e oblasti v CR. Jedn´a se o pomˇernˇe zarostlou oblast s mal´ ym poˇctem bod˚ u identifikovan´ ych jako trval´e odraˇzeˇce; mnoho bod˚ u bylo zavrˇzeno proto, ˇze v jejich bl´ızkosti nebyl identifikov´an bod ”dostateˇcnˇe pˇresn´ y”. Jedn´a se o pˇredbˇeˇzn´e v´ ysledky, na kter´ ych budeme nad´ale pracovat. Z obr´azku je zˇrejm´e, ˇze zde vˇetˇs´ı oblast nekles´a (alespoˇ n v mˇeˇr´ıtku, ve kter´em je mapa vyhotovena, kde barevn´ y cyklus odpov´ıd´a 30 cm/rok. Osamocen´e barevn´e body lze povaˇzovat za chyby, kter´e budou odstranˇeny v r´amci dalˇs´ıho zpracov´an´ı. reˇzim High resolution StripMap ScanSAR
rozliˇsen´ı [m] (smˇer letu × kolmo) velikost sc´eny [km] aˇz 1 m 5 × 10 aˇz 3 m 50 × 30 aˇz 18 m 150× 100
Tabulka 2: Sn´ımkovac´ı reˇzimy druˇzice TerraSAR-X. Tato tabulka byla pˇrejata z [1].
Reference [1] Webov´e str´anky InfoTerra GMBh: http://www.infoterra.de/terrasar-x/ 5
