Εφαρμογές δορυφορικής συμβολομετρίας με Ραντάρ - SAR

12 Ιουλίου 2019

Τα τελευταία χρόνια η παρατήρηση της Γης μέσω τεχνητών δορυφόρων αποτελεί πολύ σημαντικό εργαλείο τόσο για την μελέτη, κατανόηση και παρακολούθηση του περιβάλλοντος όσο και για το σχεδιασμό και την υποστήριξη αναπτυξιακών έργων και παραγωγικών δραστηριοτήτων. Οι δορυφόροι παρατήρησης της Γης (Earth Observation – EO satellites) φέρουν μετρητικές διατάξεις που λαμβάνουν σε πραγματικό χρόνο και με μικρό αναλογικά κόστος ψηφιακά δεδομένα χαμηλής, μέσης και υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας σε παγκόσμια κλίμακα, με ομοιογενή κάλυψη της επιφάνειας της Γης και με επαναληπτικό τρόπο. Οι δορυφόροι παρατήρησης της Γης δεν μας επιτρέπουν δηλαδή μόνο να συλλέγουμε πολυποίκιλα δεδομένα για ολόκληρο τον πλανήτη, ανεξάρτητα της προσπελασιμότητας της περιοχής, του αν είναι θαλάσσια ή ηπειρωτική περιοχή ή την απόσταση από εμάς, αλλά μας προσφέρουν και τη δυνατότητα να έχουμε τα δεδομένα αυτά διαθέσιμα, με την ίδια ακρίβεια και την ίδια χωρική ανάλυση, σε τακτά και επαναλαμβανόμενα χρονικά διαστήματα.

Η λήψη και η επεξεργασία των δορυφορικών δεδομένων υπάγονται στο ευρύτερο επιστημονικό πεδίο της τηλεπισκόπησης. Ανάλογα με τους αισθητήρες που φέρουν οι δορυφόροι, έχουν σχεδιαστεί διάφορα δορυφορικά συστήματα τηλεπισκόπησης. Γενικά, υπάρχουν δύο είδη αισθητήρων: οι παθητικοί και οι ενεργητικοί. Οι παθητικοί αισθητήρες δεν εκπέμπουν οι ίδιοι ακτινοβολία αλλά ανιχνεύουν και καταγράφουν την ανακλώμενη ηλιακή ή την εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία στα ορατά και υπέρυθρα μήκη κύματος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, αντίστοιχα. Οι περισσότεροι τηλεπισκοπικοί δορυφόροι, όπως ο Landsat και ο Sentinel-2, φέρουν τέτοιους αισθητήρες. Οι ενεργητικοί αισθητήρες, σε αντίθεση με τους παθητικούς, εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, η οποία αφού ανακλαστεί στην γήινη επιφάνεια, επιστρέφει σε κατάλληλο αισθητήρα λήψης και καταγράφεται στη μετρητική διάταξη του δορυφόρου. Υπάρχουν διάφορα είδη ενεργητικών αισθητήρων, όπως οι αισθητήρες φθορισμού με ακτίνες Laser (Radar-Radio Detection and Ranging), τα ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar – SAR), τα αλτίμετρα (altimeters) και τα σκεδασιόμετρα (scatterometers).

Οι ενεργητικοί αισθητήρες εμφανίζουν πλεονεκτήματα έναντι των παθητικών καθώς μπορούν να πραγματοποιήσουν μετρήσεις ανεξάρτητα από τις καιρικές συνθήκες και τις συνθήκες φωτισμού που επικρατούν την εκάστοτε στιγμή και έχουν τη δυνατότητα να διαπερνούν τη βλάστηση, το νερό ακόμα και το έδαφος, για βάθος περίπου ενός μέτρου. Καθίστανται έτσι πολύτιμα εργαλεία για το σύνολο των γεωεπιστημών προσφέροντας πολύτιμα δεδομένα στην υδρολογία, τη γεωφυσική, την ωκεανογραφία και φυσικά σε γεωδαιτικές και τοπογραφικές εφαρμογές. Ειδικά τα δεδομένα που καταγράφουν οι δορυφόροι SAR χρησιμοποιούνται τα τελευταία χρόνια από ένα μεγάλο αριθμό μηχανικών και γεωεπιστημόνων.

Τα Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος SAR

Ο πρώτος δορυφόρος SAR ήταν ο ERS-1 και εκτοξεύθηκε το 1992 από την Ευρωπαϊκή Υπηρεσία Διαστήματος (European Space Agency – ESA). Έκτοτε αρκετοί παρόμοιοι δορυφόροι έχουν τεθεί σε τροχιά. Οι δορυφόροι που χρησιμοποιούν αισθητήρες SAR «σκανάρουν» τη Γη ανά λίγες μέρες στις συχνότητες που εκπέμπουν. Από τους πιο πρόσφατους είναι οι δορυφόροι Sentinel-1a/b της ESA. Συνήθως, έχουν σχεδόν πολική τροχιά και βρίσκονται σε ύψος από 500 έως 800 km από την επιφάνεια της Γης.

Οι δορυφόροι Sentinel-1 σαρώνουν τη Γη. Πηγή: https://www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2014/03/Sentinel-1_constellation
Οι δορυφόροι Sentinel-1 σαρώνουν τη Γη.
Πηγή: https://www.esa.int/spaceinvideos/Videos/2014/03/Sentinel-1_constellation
 

Η αρχή λειτουργίας των συστημάτων SAR βασίζεται στο φαινόμενο Doppler. Οι αισθητήρες τους εκπέμπουν και λαμβάνουν σήματα στις συχνότητες των μικροκυμάτων, υπό γωνία και δεξιά της κατεύθυνσης των δορυφόρων, δημιουργώντας έτσι ένα συνθετικό άνοιγμα της πραγματικής κεραίας του ραντάρ. Λόγω της σχεδόν πολικής τροχιάς των δορυφόρων SAR, κατά τη διάρκεια ενός κύκλου καταγράφονται δύο διαφορετικές προβολές, η ανοδική (ascending) κατά την οποία ο δορυφόρος κινείται από το νότο προς το βορρά, και η καθοδική (descending) όταν επιστρέφει.

Η αύξουσα και η φθίνουσα προβολή της περιοχής της Θεσσαλονίκης (Δεδομένα από το scihub.copernicus.eu)
Η αύξουσα και η φθίνουσα προβολή της περιοχής της Θεσσαλονίκης.
(Δεδομένα από το scihub.copernicus.eu)

 

Οι απεικονίσεις ραντάρ δημιουργούνται με βάση την ισχύ του σήματος που επανασκεδάζεται από τα αντικείμενα της επιφάνειας της Γης κατά τη γραμμή σκόπευσης του δορυφόρου (line of sight - LOS). Η ένταση του επανασκεδαζόμενου σήματος εξαρτάται από αρκετούς παράγοντες όπως την τραχύτητα του αντικειμένου ή τη διηλεκτρικότητά του. Με βάση αυτή την πληροφορία, μπορούμε να αναγνωρίσουμε το είδος (υλικό) του εκάστοτε επίγειου στόχου.

Εκτός από την ισχύ, οι αισθητήρες SAR έχουν την ικανότητα να καταγράφουν και τη φάση του σήματος. Η φάση αντικατοπτρίζει ουσιαστικά το χρόνο που χρειάζεται το σήμα για να φτάσει στην επιφάνεια της γης και να επιστρέψει στον αισθητήρα. Διαιρώντας τη φάση με το μήκος κύματος του σήματος μπορεί να υπολογιστεί η απόσταση στόχου-δορυφόρου και, κατ’ επέκταση, η θέση του.

Σκαρίφημα της μετατοπισμένης θέσης του στόχου ανάμεσα στις δύο εποχές λήψης
Σκαρίφημα της μετατοπισμένης θέσης του στόχου
ανάμεσα στις δύο εποχές λήψης
 

Τα δεδομένα αυτά από μόνα τους δεν παρέχουν κάποια χρήσιμη γεωδαιτική πληροφορία. Αν όμως συνδυαστούν τα δεδομένα φάσης από διαφορετικές απεικονίσεις SAR (ανερχόμενες και κατερχόμενες διαβάσεις, διαβάσεις του δορυφόρου σε διαφορετικές χρονικές εποχές, κ.λπ.), τότε μπορούν να εξαχθούν αποτελέσματα σχετικά με τις μετατοπίσεις των επίγειων στόχων. Η τεχνική με την οποία συνδυάζονται οι φάσεις ονομάζεται Συμβολομετρία SAR – InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar).

Συμβολομετρία με Ραντάρ - SAR

Η τεχνική InSAR χρησιμοποιείται κυρίως για τη χαρτογράφηση της εδαφικής παραμόρφωσης. Ο όρος αυτός περιλαμβάνει το σύνολο των μικρομετακινήσεων που λαμβάνουν χώρα εξαιτίας διάφορων παραγόντων όπως η κίνηση των τεκτονικών πλακών ή οι μεταβολές του υδατικού ισοζυγίου, αναπαριστά δηλαδή τη συνολική οριζόντια και κατακόρυφη μετατόπιση χωρίς να μπορεί να ξεχωρίσει την ή τις πηγές προέλευσης.

Η μέθοδος βασίζεται στην επεξεργασία δύο δορυφορικών εικόνων φάσης SAR, που αναφέρονται στο ίδιο τμήμα της επιφάνειας της γης αλλά σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Λαμβάνοντας την διαφορά φάσης (ουσιαστικά τη διαφορά χρόνου αλλά στο χώρο των συχνοτήτων) μεταξύ των δύο απεικονίσεων δημιουργείται ένα συμβολόγραμμα (interferogram). Στο συμβολόγραμμα, οι τιμές τις διαφορετικής φάσης αναπαρίστανται από επαναλαμβανόμενους κροσσούς συμβολής με συγκεκριμένο χρώμα.

Συμβολόγραμμα στην περιοχή της Θεσσαλονίκης
Συμβολόγραμμα στην περιοχή της Θεσσαλονίκης
από δεδομένα Sentinel-1A & Sentinel-1B
 

Η επανάληψη του ίδιου χρώματος ορίζει έναν ολοκληρωμένο κύκλο φάσης 2π. Ουσιαστικά, οι κροσσοί λειτουργούν παρόμοια με τις ισοϋψείς καμπύλες και εκφράζουν αν τα στοιχεία έχουν μετακινηθεί (απομακρυνθεί/πλησιάσουν) σε σχέση με το ραντάρ του δορυφόρου.

Η συμβολομετρική φάση εξαρτάται από έναν αριθμό παραγόντων και είναι συνάρτηση της τοπογραφίας του εδάφους, των παραμορφώσεων που έχουν λάβει χώρα ανάμεσα στις δύο χρονικές στιγμές (που είναι και το κύριο προϊόν της συμβολομετρίας), των αλλαγών στα χαρακτηριστικά σκέδασης της γήινης επιφάνειας ανάμεσα στις δύο παρατηρήσεις και των τροχιακών , ατμοσφαιρικών και τυχαίων σφαλμάτων.

Παρόλο που η συμβολομετρία είναι εξορισμού μία διαφορική τεχνική, συνήθως εφαρμόζεται συνδυαστικά με μία επέκτασή της, τη Διαφορική Συμβολομετρία (Differential SAR Interferometry – DInSAR). H διαφορική συμβολομετρία εμφανίζει το πλεονέκτημα ότι από τη συμβολομετρική φάση απομακρύνεται η επίδραση της τοπογραφίας με χρήση κάποιου ψηφιακού μοντέλου εδάφους (Digital Elevation Model – DEM). Με αυτόν τον τρόπο, αποκόπτονται οι συνιστώσες που σχετίζονται με την τοπογραφία με σκοπό η τελική πληροφορία να αντιπροσωπεύει μόνο τις μετατοπίσεις της επιφάνειας της Γης. Στο διαφορικό συμβολόγραμμα, κάθε κροσσός σχετίζεται άμεσα με μια μετατόπιση κατά μήκος της γραμμής σκόπευσης του μισού μήκους κύματος του ραντάρ.

Η τεχνική DInSAR μπορεί να αξιοποιηθεί ακόμα και για τη μέτρηση ανεπαίσθητων παραμορφώσεων του ανάγλυφου της Γης λόγω είτε φυσικών αιτιών (σεισμοί, εκρήξεις ηφαιστείων) είτε ανθρωπογενών παραγόντων (καθιζήσεις λόγω υπερεκμετάλλευσης υδατικών πόρων, κατολισθήσεις σε ορυχεία). Τα εξαγόμενα αποτελέσματα θεωρούνται ιδιαίτερα ακριβή και ως εκ τούτου η DInSAR αποτελεί μία πολλά υποσχόμενα γεωδαιτική τεχνική για την αξιόπιστη και γρήγορη μελέτη του φλοιού της Γης σε μεγάλες εκτάσεις.

Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα της Συμβολομετρίας SAR

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα της συµβολοµετρίας SAR εντοπίζεται στη διακριτική ικανότητα που επιτυγχάνει ως μέθοδος. Ενώ οι υπόλοιπες γεωδαιτικές τεχνικές, διαστημικές και επίγειες, έχουν τη δυνατότητα να μετρούν μόνο ένα πεπερασμένο αριθμό διακριτών σημείων, η τεχνική της δορυφορικής συµβολοµετρίας SAR μπορεί να απεικονίσει μεταβολές σε συνεχείς επιφάνειες, μεγάλης χωρικής κάλυψης. Για παράδειγμα, μία SAR εικόνα του SENTINEL-1 έχει διαστάσεις 250km x 250km με διακριτική ικανότητα 5m x 20m (κατά τη λειτουργία Interferometric Wide Mode Swath – IW).

Ο δορυφόρος Sentinel-1 σαρώνει την Ιταλία (πηγή ESA)Ραντάρ του Sentinel-1 στην περιοχή της νότιας Ιταλίας

Αριστερά: Ο δορυφόρος Sentinel-1 σαρώνει την Ιταλία (πηγή ESA)
Δεξιά: Η εικόνα ραντάρ του Sentinel-1 στην περιοχή της νότιας Ιταλίας
 

Επίσης, σε αντίθεση µε τις περισσότερες γεωδαιτικές τεχνικές, η συµβολοµετρία SAR εφαρμόζεται τηλεπισκοπικά, με σχετικά μικρό κόστος και σε σχεδόν πραγματικό χρόνο. Πολύ μεγάλες εκτάσεις, έως 10.000 km2, μπορούν να χαρτογραφηθούν μέσα σε 24 ώρες απευθείας από συνεχή δωρεάν δεδομένα (εικόνες SAR), χωρίς να απαιτούνται μέθοδοι παρεμβολής ή φυσική παρουσία στο πεδίο.

Ωστόσο, η συμβολομετρία SAR εμφανίζει σημαντικούς περιορισμούς και προβλήματα κατά την εφαρμογή της. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω η συμβολομετρική φάση είναι αποτέλεσμα ενός σημαντικού αριθμού συνιστωσών. Αυτό πρακτικά σημαίνει πως ένα μέρος της μετρούμενης διαφοράς φάσης οφείλεται σε άλλες επιδράσεις, όπως τροχιακά σφάλματα ή ατμοσφαιρικές επιδράσεις (ιονόσφαιρα), και ως εκ τούτου θα πρέπει να αφαιρείται και να μην αξιολογείται ως εδαφική παραμόρφωση.

Τα τελευταία χρόνια εφαρμόζονται προηγμένες τεχνικές για να εντοπιστούν και απομακρυνθούν, σε μεγάλο βαθμό, αυτές τις δευτερεύουσες επιδράσεις. Οι διαδικασίες αυτές είναι όμως ιδιαίτερα επίπονες και χρονοβόρες και απαιτούν εξειδικευμένο προσωπικό για να τις υλοποιεί. Ένας άλλος παράγοντας που επηρεάζει το σήμα του ραντάρ είναι η βλάστηση και το νερό. Αυτά τα δύο στοιχεία αποσυσχετίζουν το σήμα του ραντάρ και εμποδίζουν να εφαρμοστεί με επιτυχία η μέθοδος της συμβολομετρίας. Τέλος, παρόλο που η χωρική ανάλυση της συμβολομετρίας SAR δεν μπορεί να συγκριθεί με καμία από τις υπόλοιπες γεωδαιτικές μεθόδους, η χρονική της ανάλυση (μερικές ημέρες, ανάλογα με την αποστολή) περιορίζει τις εφαρμογές διαχρονικής μελέτης ενός φαινομένου (π.χ. καθιζήσεις) αλλά και την έγκαιρη προειδοποίηση. Για παράδειγμα, τα δίκτυα μόνιμων σταθμών GNSS, μπορούν να προσφέρουν συνεχή δεδομένα οποιαδήποτε στιγμή. Αντιθέτως, προκειμένου να εφαρμοστεί η συμβολομετρική διαδικασία θα πρέπει η περιοχή μελέτης να σκαναριστεί σε δύο διαφορετικές χρονικές στιγμές. Αυτή τη στιγμή οι δορυφόροι Sentinel-1 παρέχουν τη μικρότερη συχνότητα επίσκεψης της ίδιας περιοχής, 6 ημερών, που πρακτικά σημαίνει ότι μόνο ανά 6 ημέρες ένα νέο συμβολόγραμμα μπορεί να δημιουργηθεί για μία συγκεκριμένη περιοχή. Πρακτικά λοιπόν, η συμβολομμετρία προσφέρει μεγάλη κάλυψη και υψηλή χωρική ανάλυση, αλλά στερείται την μεγάλης χρονικής ανάλυσης που προσφέρουν οι κλασσικές γεωδαιτικές τεχνικές.

Εφαρμογές συμβολομετρίας SAR

Όπως αναφέρθηκε στην αρχή, η συμβολομετρία SAR χρησιμοποιείται εδώ και χρόνια από ένα ευρύ φάσμα επιστημόνων και μηχανικών.

  • Μετασεισμική παραμόρφωση

Κύρια εφαρμογή της αποτελεί η ανίχνευση παραμορφώσεων και μικρομετακινήσεων του εδάφους ιδιαίτερα σε περιοχές με έντονη σεισμική δραστηριότητα και ηφαιστειακού κινδύνου. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η μελέτη των μετασεισμικών παραμορφώσεων και των ζημιών που έλαβαν χώρα στη Λευκάδα μετά το σεισμό των 6.4 βαθμών ρίχτερ (17/10/2015) από το τμήμα Γεωγραφίας του Χαροκοπείου Πανεπιστημίου Αθηνών (HUA) βάσει δορυφορικών εικόνων SAR. Η ισχυρή δόνηση είχε προκαλέσει τη μετακίνηση του νησιού κατά 36 cm προς το Νότο και, όπως προκύπτει από τα συμβολογράμματα που δημιουργήθηκαν, ο φλοιός της γης υπέστη έντονη κατακόρυφη μετατόπιση έως και 20cm.

  • Παρακολούθηση ενεργών ρηγμάτων

Oι απεικονίσεις SAR μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν συμπληρωματικό εργαλείο στη δημιουργία DEM μεγάλης ακρίβειας για την παρατήρηση ρηγμάτων. Οι περιοχές αυτές χαρακτηρίζονται από συνεχείς, μικρές και αργές μετακινήσεις οι οποίες, ανάλογα με τις διακυμάνσεις τους, μπορεί να προμηνύουν σεισμική δραστηριότητα. Ο συνδυασμός δεδομένων συμβολομετρίας και GPS μπορούν να δημιουργηθούν χρονοσειρές DEM τα οποία θα βοηθούν στη διαχρονική μελέτη των μικρομετακινήσεων κατά μήκος ενεργών ρηγμάτων.

  • Καθίζηση Εδάφους και Κατολισθήσεις

Ευρεία είναι επίσης η χρήση δεδομένων SAR στην παρακολούθηση φαινόμενων καθίζησης, λόγω της έντονης ανοικοδόμησης και άλλων ανθρωπογενών δραστηριοτήτων, ακόμα και σε αστικές περιοχές ή και σε μεμονωμένα κτίρια. Η χρήση, μάλιστα, μόνιμων επίγειων ανακλαστήρων σε αυτή την περίπτωση μπορεί να αυξήσει την ακρίβεια και να συνεισφέρει στην ανίχνευση ακόμα και ανεπαίσθητων μετακινήσεων.

Επίσης, αρκετές εταιρείες που δραστηριοποιούνται στον τομέα του πετρελαίου, του φυσικού αερίου, καθώς και εταιρείες ύδρευσης σε όλο τον κόσμο χρησιμοποιούν τεχνικές συμβολομετρίας για την παρακολούθηση των κατακόρυφων παραμορφώσεων που προκαλεί η συνεχής εξόρυξη/άντληση φυσικών πόρων από το υπέδαφος. Μάλιστα, αποτελέσματα πρόσφατων μελετών έχουν δείξει πως η διαφορική συμβολομετρία υπερτερεί έναντι μετρήσεων GPS και Laser Scanner καθώς απεικονίζει απευθείας και με πολύ μικρό κόστος την ευρύτερη υπό καθίζηση περιοχή, με μεγαλύτερη ακρίβεια και χωρική ανάλυση.

Επιπρόσθετα, οι συμβολομετρικές τεχνικές μπορούν να παρέχουν χρήσιμη πληροφορία για την παρακολούθηση περιοχών που χαρακτηρίζονται από αστάθεια πρανών και κατολισθήσεων όπως σε εργοτάξια, λατομεία και κοντά σε ορυχεία.

  • Σχεδίαση και παρακολούθηση κατασκευών

Η συμβολομετρία διευκολύνει τη σχεδίαση κατασκευαστικών έργων όπως αυτοκινητόδρομοι, αγωγοί, σιδηροδρομικές γραμμές, γέφυρες κ.α. διότι μπορεί να προσδιορίσει τις περιοχές που χαρακτηρίζονται από μεγαλύτερη σταθερότητα και ως εκ τούτου τη βέλτιστη διαδρομή για αυτά τα έργα.

Ακόμα, με τη συνεχή παρακολούθηση μιας περιοχής μπορεί να προσδιορισθεί και η σταθερότητα μιας κατασκευής. Συνεπώς, αποτελεί πολύτιμο εργαλείο ειδικά για μεγάλες κατασκευές όπως φράγματα και γέφυρες των οποίων η ευστάθεια είναι ιδιαίτερα κρίσιμη.

  • Περιβαλλοντικές μελέτες

Τέλος, σημαντική είναι η συνεισφορά της τεχνικής και σε περιβαλλοντικές εφαρμογές ή σε καταστάσεις εκτάκτου ανάγκης. Έτσι, τα δορυφορικά δεδομένα SAR έχουν ιδιαίτερη σημασία για την ανίχνευση πετρελαιοκηλίδων επειδή η παρουσία του πετρελαίου αλλάζει τα χαρακτηριστικά της ακτινοβολίας που σκεδάζεται από την επιφάνεια της θάλασσας. Μέσω των απεικονίσεων μπορούν να εντοπισθούν γρήγορα από τις αρμόδιες αρχές ώστε να προβούν στις κατάλληλες ενέργειες. Ακόμα, η τεχνική έχει αρχίσει ήδη να εφαρμόζεται και στην παρακολούθηση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής στις εδαφικές παραμορφώσεις. Είναι γεγονός ότι οι παράκτιες περιοχές έχουν αρχίσει ήδη να πλήττονται από την άνοδο της στάθμης της θάλασσας και γενικά παρατηρούνται έντονα φαινόμενα διάβρωσης και απόθεσης. Η συμβολομετρία μπορεί να συνεισφέρει στη διαχρονική παρατήρηση και αντιμετώπιση του βαθμού και ρυθμού μεταβολής τους.


Αναστασία Τριανταφύλλου
Image