Dlhé roky vedci snívali o „geodetickej kamere“, ktorá by bola schopná zachytiť detailný obraz zemského povrchu zaznamenávajúci jej pohyb. Sen sa stal skutočnosťou. Mapy deformácií zemského povrchu sú produkované v dych vyrážajúcich farbách prostredníctvom dát získaných družicami.Až donedávna boli všetky metódy (napríklad GNSS) používané na určovanie deformácií založené na detekcii zmien v špecifických bodoch terénu. Nikdy sme si preto nemohli byť istý, že deformačný obraz ktorý vidíme je kompletný a zachytáva aj veľmi malé lokálne deformácie v rámci monitorovaného územia.
Technológia InSAR (z angl. Interferometric Synthetic Aperture Radar) ako efektívny nástroj monitorovania deformácií nastúpila na scénu približne pred dvadsiatimi rokmi. Vedci z celého sveta boli unesený detailmi viditeľnými na snímkach. Jednou z najpodstatnejších výhod radarovej interferometrie je totiž využitie aktívnych snímacích systémov schopných poskytovať obraz zemského povrchu vo vysokom rozlíšení nezávisle od dennej doby (deň/noc) a počasia. Princíp aktívneho radaru na rozdiel od jeho pasívnej varianty spočíva v tom, že zemský povrch je ožarovaný elektromagnetickým žiarením, ktoré produkuje umelý zdroj umiestnený na družici.
Radarová interferometria predstavuje v súčasnosti jednu z najdynamickejšie rozvíjajúcich sa oblastí diaľkového prieskumu Zeme (DPZ). Progresívne metódy tejto technológie sa stali dôležitým nástrojom topografického mapovania a presného určovania deformácií. Techniky radarovej interferometrie nachádzajú uplatnenie napríklad pri geofyzikálnom monitorovaní prírodných nebezpečenstiev (zemetrasenia, vulkanická činnosť, zosuvy a poklesy pôdy), pozorovaní dynamiky zložiek zemského povrchu, tvorbe digitálneho modelu reliéfu, klasifikácii druhov krajinnej pokrývky a prieskumoch životného prostredia.
Ako funguje radarová interferometria?
Technológia InSAR využíva radarové snímky získané družicami. Tieto družice permanentne vysielajú pulzy radarových vĺn smerom k Zemi a zaznamenávajú ich odraz od zemského povrchu. Odrazené žiarenie prijaté družicou obsahuje dvojicu dôležitých zložiek, ktoré komponujú výsledný obraz. Prvá, intenzita signálu, hovorí o tom aké množstvo radarových vĺn sa odrazilo späť smerom k satelitu. To závisí hlavne od toho koľko elektromagnetického žiarenia bolo absorbovaného počas jeho cesty a koľko ho bolo odrazeného späť. Druhá informácia je fáza radarovej vlny. Fáza je nosnou sprostredkujúcou veličinou spracovania údajov v radarovej interferometrii a má významné postavenie aj v iných geodetických metódach merania (pozemné meranie vzdialeností fázovým diaľkomerom, určovanie polohy pomocou globálnych družicových navigačných systémov, atď.). Abstrakciu fázy by mohla predstavovať hodinová ručička uvedená do chodu z pozície 12.00 hod. v momente vyslania elektromagnetickej vlny z družice a zastavená po dopade vlny na zemský povrch, indikujúc tak „čas“ resp. „fázu“. Navrátená elektromagnetická vlna následne predá družici informáciu o hodnote, na ktorej sa hodinová ručička zastavila. Každý obrazový prvok (pixel) radarovej snímky obsahuje teda dve informácie: intenzitu a fázu. Intenzita môže byť použitá napríklad na stanovenie materiálu, z ktorého je odrážajúci povrch zložený. Týmto spôsobom môžu byť rozpoznané olejové škvrny na mori, keďže sú hladšie ako voda ktorá ich obklopuje a teda intenzita odrazeného žiarenia je iná ako intenzita okolitej vody. Fáza sa používa iným spôsobom. Keď radar na obiehajúcej družici opakovane sníma presne rovnaké miesto zemského povrchu, fáza v radarovom obraze by mala byť rovnaká ako pri jej prvom prelete. Kombináciou týchto dvoch obrazov tak vieme merať ako veľmi a kde sa Zem pohla.
Obr.1: Princíp radarovej interferometrie. ©trussty jasmine.blogspot.com
Interferometrická aplikácia dát teda vyžaduje spracovanie minimálne dvoch scén rovnakého územia (Obr.1). Získavanie údajov preto predpokladá dvojnásobnú registráciu tej istej časti zemského povrchu. To môže prebiehať súčasne, pomocou dvojice SAR systémov inštalovaných na jednej platforme (Obr.2), čo je napríklad prípad misie SRTM (z angl. Shuttle Radar Topography Mission), alebo na dvoch platformách s definovanou vzdialenosťou medzi nimi ako je tomu napríklad pri misii TanDEM-X (z angl. TerraSAR-X add-on for Digital Elevation Measurements). Snímanie zemského povrchu je tiež možné v rôznych časových úsekoch využívajúc opakované polohy družice na obežnej dráhe. Zo všetkých doposiaľ uvedených informácií môžeme načrtnúť podstatu technológie InSAR: porovnaním fázových zložiek radarových obrazov identického územia je možné určiť jeho relatívne výškové členenie a v prípade, že radarový obraz je zachytený s väčším časovým odstupom, môžeme vypočítať priestorové deformácie, ktoré nastali počas tohto obdobia. Primárnym produktom technológie InSAR sú teda digitálne modely reliéfu a mapy deformácií zemského povrchu, no medzi vedľajšie nepatria ani výsledky monitorovania atmosféry, tématického mapovania (lesy, povodne, zosuvy, vegetácia, atď) a iné.
Obr.2: Ilustrácia misií SRTM (vľavo) a TanDEM-X (vpravo). ©Ball Aerospace & Technologies Corp., Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt
Prvou metódou použitou na monitorovanie deformácií bola technológia DInSAR (angl. Differential InSAR), ktorá v princípe využíva dvojicu radarových snímok získaných v rôznych časoch a z rôznych polôh družice, ich stotožnenie a hodnotenie zmien, ktoré v tomto časovom intervale nastali. Zmeny resp. deformácie povrchu sa tu prejavia plošne (Obr.3).
Obr.3: Diferenčný interferogram zo zemetrasenia v iránskom meste Bam. ©Remote Sensing Laboratories, University of Zürich, Switzerland
Stotožnenie dvoch radarových snímok rovnakého územia vedie k zvýrazneniu rozdielov medzi týmito snímkami. Je to dôsledok rozdielov vo fáze radarovej vlny, ktorá je zaznamenaná v každom pixeli radarovej snímky. Tieto rozdiely sa dajú zobraziť ako farebné prúžky pripomínajúce vrstevnice, ktoré podobným spôsobom reprezentujú veľkosť deformácie s maximálnou presnosťou niekoľkých milimetrov. Interferogram na obrázku znázorňuje postseizmické deformácie spôsobené zemetrasením, ktoré sa udialo 26. Decembra v roku 2006. Sled farieb na stupnici v ľavom dolnom rohu predstavuje pohyb 2,8 centimetra. Z toho môžeme vidieť, že Zem sa pohla smerom k družici v juhovýchodnej časti (zmenšenie fázy, zmena farieb od +π do – π) a smerom od družice v severovýchodnej časti (nárast fázy, zmena farieb od -π do +π).
Problémom však môže byť odraz radarovej vlny od prvku, ktorý sa síce mení, ale nemôže byť interpretovaný ako deformácia zemského povrchu (napr. zmena vegetácie, presun vlhkosti v atmosfére). Na tento účel bol vyvinutý algoritmus PSInSAR (angl. Persistent Scatterer InSAR), ktorý zohľadňuje len spoľahlivé a stabilné prvky povrchu, čo znamená, že deformácie sa prejavia len v určitej množine významných bodov, kde teoretická presnosť určenia deformácie môže byť nižšia ako 1 milimeter (!). Prvé výsledky použitia tejto technológie na území Slovenska môžete vidieť na stránke www.insar.sk v sekcii „Projekty“.
Autori:
Matúš Bakoň, Juraj Papčo
Katedra geodetických základov, STU Bratislava