Sledování poklesů v OKR metodou družicové radarové interferometrie

Tags: GIS | Interferometrie | OKR | SAR

Družice s radarem

První družice, která umožnila systematicky monitorovat terénní deformace pomocí instrumentu SAR (Synthetic Aperture Radar), byla družice ERS-1, na oběžné dráze od roku 1991. Následovaly další družice podobných parametrů operujících v pásmu C (ERS-2, Envisat, Radarsat-1). Radar v pásmu L na palubě japonské JERS-1 (od 1992) potvrdil vhodnost použití signálu o nižší frekvenci pro interferometrii – od roku 2006 do dubna 2011 proto bylo použití tohoto pásma obnoveno na družici Alos-1. Ze studií využití naopak kratších vln rádiového pásma X se vycházelo pro konstrukci nových instrumentů pro vědecké účely, kterými jsou instrumenty o velmi vysokém rozlišením (i lepším, než je 1 metr) na palubě TerraSAR-X či Cosmo.

Celkově zaznamenaly SAR družice velký úspěch a široké využití při sledování projevů zemětřesení a vulkanické činnosti, svahových deformací, poklesů a jiných deformací terénu či samostatných objektů, tvorbě digitálních modelů terénu, sledování ledovcových pohybů, olejových skvrn na moři anebo vojenském sledování.

Techniky zpracovánÍ

Principem technik družicové radarové interferometrie pro sledování změn reliéfu terénu je vytvoření takzvaného interferogramu a jeho případná další zpracování. Ten vzniká ze dvou družicových radarových (SAR) snímků určitého území vytvořených s vhodným časovým odstupem a z mírně odlišné polohy družic při snímání, jako rozdíl fázové složky vyslaného a přijatého radarového signálu o určité mikrovlnné délce.

Diferenční metoda DInSAR kombinuje dva SAR snímky a pokouší se o filtrování veškerých nepotřebných fázových složek (jako je vliv topografie, zakřivení Země, systematické chyby, šum a v případě existence vhodných dat i vliv zpoždění signálu atmosférou). Výsledný obraz interferogramu zachycuje terénní změny jako rozdíl hodnot fáze vlny mezi pixely, deformace tak tvoří takzvané pruhy „fringe", kde každý pruh lze interpretovat jako deformaci o polovině vlnové délky ve směru k družici či od ní.

Vícesnímkové metody MT-InSAR využívají celé sady interferogramů DInSAR z mnoha SAR snímků, ze kterých jen vybrané body jsou použity pro identifikaci deformačních pohybů v dlouhém časovém období. U těchto bodů je možné vyhodnotit deformace v přesnosti často lepší, než je 1 mm/rok. Navíc zpracováním více radarových snímků v řadě je možné minimalizovat vliv některých zdrojů chyb v DInSAR, jako jsou chyby v DEM, orbitech, dekorelující pixely či vliv atmosféry.

Zpracování OKR

Prezentované výsledky vycházejí ze zpracování celkově více než 180 snímků z družic ERS, Envisat a Alos, které umožnily sledovat postup poklesových kotlin v OKR od roku 1995. Všechny snímky získané v rámci projektu ESA C1P.4578 byly zpracovány pomocí open-source DInSAR softwaru Doris (Kampes et al., 2003) a MT-InSAR vícesnímkové metody StaMPS (Hooper, 2008).

Ostravsko-karvinský revír je vzhledem ke své geografické poloze náchylný ke značným výkyvům počasí – většina vytvořených diferenčních interferogramů se potýká s problémy vlivem zpoždění průchodu signálu atmosférou. Navíc poklesové kotliny z velké míry pokrývá hustá vegetace, skrz kterou signál z družic ERS či Envisat neproniká. Snímky ze zasněžených období také způsobují značnou dekorelaci, především při pokusech kombinovat data z různých ročních období. Z těchto důvodů, nemluvě o geometrických dekorelačních vlivech, jen několik diferenčních interferogramů z celého množství dat ERS a Envisat bylo možno vizuálně interpretovat. Naopak družice Alos o vyšších penetračních schopnostech svého radaru pásma L a vyšším rozlišení umožnila vysledovat rychlost poklesů až více než 70 cm během 46 dnů v okolí dolu Darkov. Celkový přehled poklesových kotlin na území karvinského regionu, jak byly detekovány metodou DInSAR během krátkých časových úseků v letech 1998 a 2008, znázorňuje obrázek 1. [dát těsně vedle sebe nebo pod sebe].

Obr. 1 Poklesy na Karvinsku detekované pomocí interferometrického zpracování
dat ERS-2 (z roku 1998, nahoře) a Alos (z roku 2008, dole)

Data z radaru družice ERS i Envisat jsou dostupná v nejkratším časovém odstupu 35 dnů, rozlišení 20 m a vlnové délce 5,6 cm. Při této konfiguraci mohou v ideálních (obecně klimatických) podmínkách vyhodnotit deformace o míře až 14,5 cm/rok mezi nejbližšími stabilně odrážejícími body. Vzhledem k obtížným podmínkám ve zkoumané oblasti byly interferogramy z dat těchto družic vyhodnoceny jako nevhodné. Jiná situace může nastat při hodnocení poklesů o menší míře v hustě zastavěných oblastech, to je předvedeno například v monitorování doznívajících poklesů po uzavření dolů v Ostravě – průměrná rychlost klesání byla vyhodnocena pro celý region OKR metodou StaMPS z 21 snímků družic ERS a je vizualizovaná v podobě mapy na obrázku 2. Ačkoli rychlosti poklesů jsou zřejmě podhodnoceny na území Karvinska, což prokazuje i srovnání s nivelačními pořady v (Lazecký, 2011), dobře je možno vysledovat (z grafů dostupných pro každý vyhodnocený bod) postupné doznívání poklesů v Ostravě, kde byla důlní činnost ukončena do roku 1994.

Obr. 2 Výsledek vícesnímkového InSAR zpracování 21 snímků ERS-1/ERS-2 SAR z období 1995–1999
pomocí metody StaMPS; střední rychlost deformací vybraných bodů
na území Ostravsko-karvinského regionu

Závěr

Družicová radarová interferometrie je poměrně mladým vědeckým oborem, který se plně rozvinul do aplikační sféry až během posledních 10 let. Kvalita interferometrických výsledků je závislá především na parametrech družicových dat – jako v každém oboru, i zde se přístroje neustále zdokonalují. Významnou vizí do budoucna se jeví nasazení družice Sentinel-1, která by měla od roku 2013 dodávat data v pásmu C o periodicitě 12 dnů s rozlišením až 5 m.

Ve zkoumaném území OKR se projevují rychlé poklesy, které mohou přesáhnout míru 1 m/rok v poměrně malé ploše (o průměru stovek metrů). Takové poklesy není možno korektně vyhodnotit pomocí družic ERS či Envisat, použití jejich dat je proto omezeno pouze na detekci těchto poklesů, například pro zjištění hranic poklesové kotliny. Tato data se však jeví vhodná pro sledování doznívajících poklesů po ukončení hornické činnosti, nejlépe pomocí vícesnímkových technik InSAR, která umožňuje přesně vyhodnotit poklesy o rychlosti centimetrů za rok, a to v přesnosti až pod 1 milimetr za rok v zástavbě.

Literatura

Hooper, A. „A multi-temporal InSAR method incorporating both persistent scatterer and small baseline approaches." In: Geophysical Research Letters 35, 2008, issn: 0094-8276, doi: 10.1029/2008GL034654.

Kampes, B. M., Hanssen, R. F., Perski, Z. Radar interferometry with public domain tools. In Third International Workshop on ERS SAR Interferometry, 'FRINGE03'. Frascati, Italy: ESA ESRIN, 1–5 Dec 2003, pp. 6.

Lazecký, M. Monitoring of Terrain Relief Changes using Synthetic Aperture Radar Interferometry: Application of SAR Interferometry Techniques in a Specific Undermined Ostrava-Karviná District – disertační práce. VŠB-TUO, Ostrava, 2011.