تقنية InSAR وطرقها

نقيس تشوّه الأرض باستخدام المجموعة الكاملة من تقنيات قياس التداخل الراداري عبر الأقمار الصناعية (InSAR). تناسب كل طريقة نمطاً مختلفاً من الحركة، من الهبوط البطيء بمقياس المليمتر إلى الإزاحة السريعة بمقياس المتر، ونختار النهج أو مزيج الأنهج الذي يلائم الموقع والسؤال المطروح.

تشمل الطرق التالية قياس التداخل التفاضلي التقليدي، وتتبّع إزاحة البكسل بالنمش (speckle) للإزاحات الكبيرة، والسلاسل الزمنية للتشوّه المبنية باستخدام PSI وSBAS وMSBAS متعدد الأبعاد، وبيانات الرادار الفضائية التي تغذّيها جميعاً، من الأرشيف التاريخي لأوائل التسعينيات إلى Sentinel-1 الحالي وأجهزة الاستشعار التجارية عالية الدقة. وتشكّل هذه الطرق أساس خدمات مراقبة تشوه الأرض التي نقدّمها - من تشوّه المكامن والحقن إلى رسم خرائط المنحدرات والهبوط - وقد طُبّقت على المستوى الوطني لبناء فسيفساء تشوّه واسعة النطاق من أرشيفات Sentinel-1 الكبيرة، وتُبلغ عن خطأ معياري لكل معدل مقيس.

يقارن الـ InSAR التفاضلي (DInSAR) طور صورتين راداريتين التُقطتا في وقتين مختلفين لرسم حركة الأرض التي حدثت بينهما. يمكن لمخطّط تداخل واحد أن يكشف نمط التشوّه عبر مشهد كامل بحساسية من السنتيمتر إلى المليمتر. وهو أساس كل الطرق الأخرى هنا ويناسب رسم الأحداث المنفردة مثل زلزال أو هبوط مفاجئ أو ارتفاع بركاني.

يقيس DInSAR الحركة على امتداد خط بصر القمر ويعتمد على فك الطور، وهو موثوق فقط للتشوّهات الصغيرة إلى المتوسطة. وحيث يبقى السطح مترابطاً بين المرورين، يقدّم أعلى دقة من بين كل هذه التقنيات.

عندما تكون الحركة كبيرة أو سريعة لدرجة يتعذّر معها فك الطور بموثوقية، نتتبّع بدلاً من ذلك إزاحة معالم الصورة بين عمليتي التصوير. يقيس تتبّع إزاحة البكسل الحركة في اتجاهي المدى والسمت، ويمكنه متابعة إزاحات بمقدار أمتار، مثل الانزلاقات الأرضية السريعة أو الأنهار الجليدية أو الأرض فوق منجم نشط، حيث يفقد قياس التداخل التقليدي ترابطه.

بما أن تتبّع الإزاحة بالنمش لا يتطلّب فك الطور، فإنه يلتقط حركة لا يستطيع DInSAR قياسها، بما في ذلك الحركة على امتداد اتجاه طيران القمر (السمت). دقته أقل من DInSAR وتعتمد على الدقة المكانية لبيانات الرادار، لذا كثيراً ما يُستخدم الاثنان معاً.

تحوّل السلسلة الزمنية للتشوّه كومة من القياسات الرادارية الفردية إلى تاريخ متصل لكيفية تحرّك كل نقطة على الأرض. وبدلاً من زوج واحد قبل-وبعد، تُعكس عشرات إلى مئات من عمليات التصوير معاً لتقدير معدّل التشوّه بين تواريخ متتالية، ثم يُراكَم في سجل إزاحة تراكمية لكل بكسل. والنتيجة ليست فقط مقدار تحرّك الأرض، بل كيف تطوّرت الحركة، وأين تتسارع أو تتباطأ أو تنعكس.

بما أن بيانات الرادار الحقيقية مترابطة جزئياً فقط، تُنظَّم عملية العكس ويزيل فحص الجودة لكل بكسل (الرتبة) النقاط التي تقلّ فيها القياسات الموثوقة، بحيث لا تُبلّغ السلسلة الزمنية عن الحركة إلا حيث يمكن الوثوق بها. ويمكن ضبط أخذ العيّنات الزمني، مثلاً إلى معدّلات سنوية أو موسمية، لتوسيع التغطية المكانية أو تقصير المعالجة أو إبراز الإشارات الموسمية. وPSI وSBAS وMSBAS كلها طرق سلاسل زمنية مبنية على هذا المبدأ.

تتبع PSI شبكة من النقاط المستقرة وعالية الانعكاس، مثل المباني والنتوءات الصخرية والبنية التحتية، عبر كومة طويلة من الصور الرادارية. وبعزل هذه المبعثرات الدائمة تبلغ دقة عالية جداً على الأهداف الفردية، وهي مثالية لمراقبة المنشآت والهبوط الحضري والبنية التحتية على مدى سنوات عديدة.

تبني SBAS سلسلة زمنية للتشوّه من عدد كبير من مخطّطات التداخل المتكوّنة بين أزواج صور ذات فاصل صغير في الزمن والموضع. وهذا يحافظ على الترابط فوق التضاريس الطبيعية غير الحضرية وينتج خرائط حركة متصلة مكانياً، مما يجعلها مناسبة للهبوط الواسع النطاق والانزلاقات الأرضية والتشوّه الإقليمي البطيء.

يجمع MSBAS قياسات التشوّه من مسارين قمريين أو أكثر، عادةً المدارات الصاعدة والهابطة، ويمكنه استخدام مخطّطات تداخل DInSAR وبيانات إزاحة النمش (في المدى والسمت) معاً. ولأن كل مسار وكل اتجاه قياس يرى الأرض بشكل مختلف، فإن عكسها المشترك يستعيد الاتجاه الحقيقي للحركة بدلاً من الحركة على خط بصر واحد فقط. وبحسب عدد هندسات الرصد ونوع البيانات المدخلة المتاحة، ينتج MSBAS سلاسل زمنية للتشوّه أحادية أو ثنائية أو ثلاثية أو رباعية الأبعاد، مع إمكانية تقييدها بطبوغرافيا السطح.

يدمج مجموعات البيانات المتداخلة التي تشترك في هندسة رصد متشابهة في سلسلة زمنية أحادية البعد كثيفة العيّنات على امتداد خط بصر الرادار. وهذا يزيد من تواتر قياس الأرض ويمدّ السجل إلى زمن أبعد في الماضي.

يدمج البيانات الصاعدة والهابطة لفصل الحركة إلى مركّبة رأسية ومركّبة أفقية شرق-غرب. ويفترض حركة شمال-جنوب مهملة، وهو تقريب جيّد للعديد من حالات الهبوط والارتفاع، وهو الشكل الأكثر استخداماً لتشوّه المياه الجوفية والتعدين والنشاط البركاني.

عند إضافة قياسات إزاحة السمت إلى البيانات الصاعدة والهابطة، يحلّ MSBAS حقل الإزاحة ثلاثي الأبعاد كاملاً، شمال وشرق ورأسي، دون افتراض أن أي اتجاه يساوي صفراً. وهذا يقدّم صورة كاملة وغير مقيّدة عن كيفية حركة السطح فعلياً.

حل ثلاثي الأبعاد مقيّد طبوغرافياً يفترض أن السطح يتحرّك موازياً للتضاريس، مستخدماً نموذج ارتفاع رقمي لربط المركّبات. وهو يستعيد الحركة ثلاثية الأبعاد الكاملة من عدد أقل من هندسات الرصد، ويناسب الانزلاقات الأرضية البطيئة العميقة وتدفّق الأنهار الجليدية، حيث تتحرّك المادة على امتداد سطح الأرض.

حل مقيّد ذو صلة يُفترض فيه أن الحركة الأفقية تتبع اتجاه انحدار المنحدر المأخوذ من نموذج الارتفاع. وكالشكل الموازي للسطح، يحلّ الإزاحة ثلاثية الأبعاد للانزلاقات العميقة من بيانات محدودة عبر تقييد اتجاه التدفّق بالميل المحلي.

يحلّ الشمال والشرق ومركّبتين رأسيتين فرعيتين منفصلتين، فيفصل عمليتين رأسيتين متراكبتين، مثلاً اتجاه طويل الأمد وإشارة موسمية أو عابرة، ويمدّ النتيجة عبر الزمن. ويُظهر هذا السجل رباعي الأبعاد كيف يتطوّر كل جزء من حقل الإزاحة الكامل خلال فترة المراقبة.

كل نتيجة تعتمد على بيانات الرادار وراءها. نعمل عبر الأرشيف الكامل لأقمار الرادار ذي الفتحة الاصطناعية (SAR) المدنية، جامعين بين سجل تاريخي عميق وأحدث أجهزة الاستشعار عالية التردد وعالية الدقة.

يعود الـ SAR الفضائي الملائم لقياس التداخل إلى أوائل التسعينيات، عبر ERS-1 وERS-2 وEnvisat وJERS-1 وALOS PALSAR. ويتيح لنا هذا الأرشيف إعادة بناء حركة الأرض التي حدثت قبل سنوات أو عقود من بدء المشروع، وإنشاء خط أساس تاريخي لمواقع لم تُجهَّز قط بأجهزة، وهو غالباً السبيل الوحيد لفهم سلوك منحدر أو طبقة مياه جوفية أو منجم على المدى الطويل.

تستخدم معظم عمليات المراقبة الحالية Sentinel-1، مهمة كوبرنيكوس الأوروبية بالنطاق C، التي تصوّر مساحات واسعة كل بضعة أيام وهي متاحة بحرية ومجاناً - العمود الفقري للمراقبة الواسعة النطاق. وللتفاصيل الدقيقة نستخدم النطاق X من TerraSAR-X الألماني وCOSMO-SkyMed الإيطالي، اللذين يحلّان المنشآت الفردية حتى نحو متر واحد، ونعتمد على النطاق L من ALOS-2 الياباني، مختارين النطاق C أو X أو L والهندسات الصاعدة والهابطة التي يحتاجها كل موقع. ويحافظ النطاق L الأطول موجةً مثل ALOS-2 على الترابط فوق الغطاء النباتي حيث تفقد الأطوال الموجية الأقصر ترابطها، وهو أمر مهم فوق الغابات والتضاريس الشمالية.

هناك مفاضلة بين التغطية والدقة والتكلفة. Sentinel-1 مجاني وواسع النطاق ومتوسط الدقة؛ أما أجهزة الاستشعار التجارية عالية الدقة مثل TerraSAR-X فتكشف تفاصيل دقيقة على المنشآت الفردية لكنها مكلفة وتغطي مساحات أصغر. واستراتيجيتنا المعتادة هي البدء ببيانات Sentinel-1 المجانية لمسح الموقع بأكمله وبناء خط الأساس التاريخي وتحديد مواضع حركة الأرض، ثم طلب بيانات تجارية أعلى دقة فقط حيث يبرّر ذلك تفصيل أو دقة أكبر.

معالجة هذه الأكوام الكبيرة من الصور الرادارية كثيفة حسابياً: تُعكس مئات الصور بكسلاً بكسل، لذا فإن برمجياتنا متوازية للتشغيل على عناقيد حوسبة متعددة العُقد. وهذا ما يجعل المراقبة الواسعة النطاق والممتدة لسنوات لموقع بأكمله أمراً عملياً.

في الممارسة العملية كثيراً ما ندمج عدة تقنيات من هذه: سلسلة زمنية PSI أو SBAS للاتجاه طويل الأمد، وتتبّع الإزاحة حيث تكون الحركة كبيرة، وMSBAS لتحديد الاتجاه عبر دمج عدة أقمار صناعية. ويعتمد المزيج المناسب على سرعة الحركة ومقياسها، والغطاء الأرضي، وكيفية استخدام النتائج. وتستند طرق المعالجة لدينا إلى أبحاث محكّمة منشورة في مجلات دولية للاستشعار عن بُعد.

ما هو InSAR؟

يقيس الـ InSAR (الرادار التداخلي ذو الفتحة الاصطناعية) حركة الأرض من الفضاء عبر مقارنة طور صور رادارية متكررة من الأقمار الصناعية، فيرسم التشوّه عبر مساحات واسعة بدقة من المليمتر إلى السنتيمتر دون أي جهاز على الأرض.

ما الفرق بين DInSAR وتتبّع الإزاحة؟

يقيس DInSAR الحركات الصغيرة إلى المتوسطة بدقة عالية عبر مقارنة طور الرادار، لكنه يتطلّب فك الطور. أما تتبّع إزاحة البكسل (النمش) فيقيس حركات أكبر وأسرع بكثير، بمقدار أمتار، عبر متابعة معالم الصورة دون فك الطور، وبدقة أقل. ويمكن لـ MSBAS الجمع بين الاثنين.

ما الفرق بين PSI وSBAS؟

تتتبّع PSI شبكة من النقاط المستقرة وعالية الانعكاس بدقة عالية جداً وتعمل على نحو أفضل في المناطق المبنية، في حين تنتج SBAS خرائط متصلة مكانياً وتحافظ على الترابط فوق التضاريس الطبيعية. وتستخدم مشاريع كثيرة كلتيهما.

ماذا تضيف MSBAS مقارنةً بالـ InSAR القياسي؟

تقيس الصورة الرادارية الواحدة الحركة على امتداد خط بصر القمر فقط. وتجمع MSBAS بين عدة هندسات رصد لاستعادة الحركة الرأسية وشرق-غرب وشمال-جنوب، ويمكنها تمديد ذلك عبر الزمن كسجل رباعي الأبعاد.

ما الأقمار الصناعية التي تستخدمونها؟

نستخدم بشكل أساسي Sentinel-1، وهو مجاني ويغطي مساحات واسعة كل بضعة أيام، إلى جانب أجهزة استشعار تجارية عالية الدقة مثل TerraSAR-X عند الحاجة إلى تفاصيل دقيقة. كما نعتمد على الأرشيف الراداري التاريخي الممتد إلى التسعينيات (ERS وEnvisat وJERS وALOS) لإعادة بناء الحركة الماضية.

هل يمكنكم قياس تشوّه حدث في الماضي؟

نعم. يمتدّ الأرشيف الراداري الفضائي إلى أوائل التسعينيات، لذا يمكننا غالباً إعادة بناء سنوات أو عقود من حركة الأرض الماضية في موقع ما، حتى حيث لم تُركَّب أي أجهزة قط.