Teknologi dan Metode InSAR

Kami mengukur deformasi tanah dengan seluruh rentang teknik interferometri radar satelit (InSAR). Setiap metode cocok untuk pola pergerakan yang berbeda, dari penurunan lambat berskala milimeter hingga perpindahan cepat berskala meter, dan kami memilih pendekatan, atau kombinasi pendekatan, yang sesuai dengan lokasi dan pertanyaan yang diajukan.

Metode-metode berikut mencakup interferometri diferensial konvensional, pelacakan pergeseran (piksel) berbasis speckle untuk perpindahan besar, deret waktu deformasi yang dibangun dengan PSI, SBAS, dan MSBAS multidimensi, serta data radar satelit yang menyuplai semuanya, dari arsip historis awal 1990-an hingga Sentinel-1 masa kini dan sensor komersial beresolusi tinggi. Metode-metode ini menjadi landasan layanan pemantauan deformasi tanah kami - dari deformasi reservoir dan injeksi hingga pemetaan lereng dan penurunan tanah - telah diterapkan pada skala nasional untuk membangun mosaik deformasi skala luas dari arsip Sentinel-1 yang besar, dan melaporkan galat baku untuk setiap laju yang diukur.

InSAR diferensial (DInSAR) membandingkan fase dua citra radar yang diambil pada waktu berbeda untuk memetakan pergerakan tanah yang terjadi di antaranya. Satu interferogram dapat menampakkan pola deformasi pada seluruh citra dengan sensitivitas sentimeter hingga milimeter. Metode ini adalah dasar dari semua metode lain di sini dan sangat sesuai untuk memetakan peristiwa tunggal seperti gempa bumi, penurunan tanah mendadak, atau pengangkatan vulkanik.

DInSAR mengukur gerakan sepanjang garis pandang satelit dan bergantung pada pelepasan fase (phase unwrapping), yang hanya andal untuk deformasi kecil hingga sedang. Di tempat permukaan tetap koheren antar-lintasan, metode ini memberikan presisi tertinggi di antara semua teknik ini.

Ketika pergerakan terlalu besar atau terlalu cepat sehingga fase tidak dapat diurai secara andal, kami justru melacak perpindahan fitur citra antar-akuisisi. Pelacakan pergeseran piksel mengukur gerakan dalam arah jarak (range) maupun azimut dan dapat mengikuti perpindahan hingga skala meter, misalnya tanah longsor yang bergerak cepat, gletser, atau tanah di atas tambang aktif, di mana interferometri konvensional kehilangan koherensi.

Karena pelacakan pergeseran berbasis speckle tidak memerlukan pelepasan fase, ia menangkap gerakan yang tidak dapat diukur DInSAR, termasuk gerakan sepanjang arah terbang (azimut) satelit. Presisinya lebih rendah daripada DInSAR dan bergantung pada resolusi spasial data radar, sehingga keduanya sering digunakan bersama.

Deret waktu deformasi mengubah tumpukan pengukuran radar individual menjadi riwayat berkesinambungan tentang bagaimana setiap titik di tanah bergerak. Alih-alih satu pasangan sebelum-sesudah, puluhan hingga ratusan akuisisi diinversi bersama untuk memperkirakan laju deformasi antar-tanggal berurutan, yang kemudian diakumulasi menjadi catatan perpindahan kumulatif untuk setiap piksel. Hasilnya bukan sekadar seberapa jauh tanah bergerak, tetapi bagaimana gerakan itu berkembang, di mana ia mempercepat, melambat, atau berbalik.

Karena data radar nyata hanya koheren sebagian, inversi diregularisasi dan pemeriksaan kualitas per piksel (rank) menghapus titik-titik yang terlalu sedikit pengukuran andalnya, sehingga deret waktu hanya melaporkan gerakan di tempat yang dapat dipercaya. Pencuplikan temporal dapat disesuaikan, misalnya ke laju tahunan atau musiman, untuk memperluas cakupan spasial, mempersingkat pemrosesan, atau memperjelas sinyal musiman. PSI, SBAS, dan MSBAS semuanya adalah metode deret waktu yang dibangun atas prinsip ini.

PSI mengikuti jaringan titik-titik yang stabil dan memantul kuat, seperti bangunan, singkapan batuan, dan infrastruktur, melalui tumpukan panjang citra radar. Dengan mengisolasi penghambur persisten ini, metode ini mencapai presisi sangat tinggi pada target individual dan ideal untuk memantau struktur, penurunan tanah perkotaan, dan infrastruktur selama bertahun-tahun.

SBAS membangun deret waktu deformasi dari banyak interferogram yang dibentuk antara pasangan citra dengan pemisahan kecil dalam waktu dan posisi. Hal ini menjaga koherensi pada medan alami non-perkotaan dan menghasilkan peta pergerakan yang kontinu secara spasial, sehingga sangat cocok untuk penurunan tanah berskala luas, tanah longsor, dan deformasi regional yang lambat.

MSBAS menggabungkan pengukuran deformasi dari dua jalur satelit atau lebih, biasanya orbit menanjak dan menurun, dan dapat memakai interferogram DInSAR maupun data pergeseran speckle (range dan azimut) secara bersama. Karena setiap jalur dan setiap arah pengukuran memandang tanah secara berbeda, inversi gabungannya memulihkan arah gerakan yang sebenarnya alih-alih sekadar gerakan sepanjang satu garis pandang. Bergantung pada berapa banyak geometri pengamatan dan jenis data masukan yang tersedia, MSBAS menghasilkan deret waktu deformasi satu, dua, tiga, atau empat dimensi, yang secara opsional dibatasi oleh topografi permukaan.

Menggabungkan kumpulan data yang tumpang tindih dengan geometri pengamatan serupa menjadi satu deret waktu satu dimensi bersampel rapat sepanjang garis pandang radar. Hal ini meningkatkan seberapa sering tanah diukur dan memperpanjang catatan lebih jauh ke belakang.

Menggabungkan data menanjak dan menurun untuk memisahkan gerakan menjadi komponen vertikal dan horizontal timur-barat. Bentuk ini mengasumsikan gerakan utara-selatan yang dapat diabaikan, sebuah pendekatan yang baik untuk banyak kasus penurunan dan pengangkatan tanah, dan merupakan bentuk yang paling banyak digunakan untuk deformasi air tanah, pertambangan, dan vulkanik.

Ketika pengukuran pergeseran azimut ditambahkan ke data menanjak dan menurun, MSBAS menyelesaikan medan perpindahan tiga dimensi penuh, utara, timur, dan vertikal, tanpa mengasumsikan ada arah yang nol. Ini memberikan gambaran lengkap dan tanpa kendala tentang bagaimana permukaan benar-benar bergerak.

Solusi tiga dimensi yang dibatasi topografi, yang mengasumsikan permukaan bergerak sejajar dengan medan, menggunakan model elevasi digital untuk menghubungkan komponen-komponennya. Ini memulihkan gerakan 3D penuh dari lebih sedikit geometri pengamatan dan sangat cocok untuk tanah longsor lambat berkedudukan dalam dan aliran gletser, di mana material bergerak sepanjang permukaan tanah.

Solusi terkendala terkait yang mengasumsikan gerakan horizontal mengikuti arah aspek lereng menurun yang diambil dari model elevasi. Seperti bentuk sejajar permukaan, ia menyelesaikan perpindahan tiga dimensi untuk tanah longsor berkedudukan dalam dari data terbatas dengan membatasi arah aliran menggunakan kemiringan lokal.

Menyelesaikan utara, timur, dan dua subkomponen vertikal terpisah, memisahkan dua proses vertikal yang bertumpuk, misalnya tren jangka panjang dan sinyal musiman atau sesaat, serta memperluas hasilnya sepanjang waktu. Catatan empat dimensi ini menunjukkan bagaimana setiap bagian dari medan perpindahan penuh berkembang selama periode pemantauan.

Setiap hasil bergantung pada data radar di baliknya. Kami bekerja dengan seluruh arsip satelit radar apertur sintetis (SAR) sipil, memadukan rekam historis yang dalam dengan sensor terbaru berfrekuensi tinggi dan beresolusi tinggi.

SAR antariksa yang sesuai untuk interferometri menjangkau hingga awal 1990-an, melalui ERS-1 dan ERS-2, Envisat, JERS-1, dan ALOS PALSAR. Arsip ini memungkinkan kami merekonstruksi pergerakan tanah yang terjadi bertahun-tahun atau berdekade sebelum proyek dimulai dan menetapkan garis dasar historis untuk lokasi yang tidak pernah dipasangi instrumen, yang sering kali menjadi satu-satunya cara memahami perilaku jangka panjang suatu lereng, akuifer, atau tambang.

Sebagian besar pemantauan saat ini menggunakan Sentinel-1, misi Copernicus Eropa berpita C, yang mencitrakan area luas setiap beberapa hari dan tersedia secara terbuka dan gratis - tulang punggung pemantauan skala luas. Untuk detail halus, kami menggunakan pita X dari TerraSAR-X Jerman dan COSMO-SkyMed Italia, yang mengurai struktur individual hingga sekitar satu meter, dan kami memanfaatkan pita L dari ALOS-2 Jepang, memilih pita C, pita X, atau pita L serta geometri menanjak dan menurun yang dibutuhkan setiap lokasi. Pita L berpanjang gelombang lebih besar seperti ALOS-2 mempertahankan koherensi di atas vegetasi di tempat panjang gelombang lebih pendek mengalami dekorelasi, yang penting di atas medan berhutan dan medan utara.

Ada kompromi antara cakupan, resolusi, dan biaya. Sentinel-1 gratis, berarea luas, dan beresolusi sedang; sensor komersial beresolusi tinggi seperti TerraSAR-X menampilkan detail halus pada struktur individual tetapi mahal dan mencakup area lebih kecil. Strategi standar kami adalah memulai dengan data Sentinel-1 gratis untuk menyaring seluruh lokasi, membangun garis dasar historis, dan menemukan di mana tanah bergerak, lalu memesan data komersial beresolusi lebih tinggi hanya di tempat yang membutuhkan detail atau presisi lebih.

Pemrosesan tumpukan citra radar besar ini intensif secara komputasi: ratusan citra diinversi piksel demi piksel, sehingga perangkat lunak kami diparalelkan untuk berjalan pada klaster komputasi multi-node. Inilah yang membuat pemantauan berskala luas dan bertahun-tahun atas seluruh lokasi menjadi praktis.

Dalam praktiknya, kami sering menggabungkan beberapa teknik ini: deret waktu PSI atau SBAS untuk tren jangka panjang, pelacakan pergeseran di tempat gerakannya besar, dan MSBAS untuk menentukan arah dengan memadukan beberapa satelit. Kombinasi yang tepat bergantung pada kecepatan dan skala pergerakan, tutupan lahan, serta bagaimana hasilnya akan digunakan. Metode pemrosesan kami berlandaskan penelitian yang ditelaah sejawat dan diterbitkan dalam jurnal penginderaan jauh internasional.

Apa itu InSAR?

InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) mengukur pergerakan tanah dari luar angkasa dengan membandingkan fase citra radar satelit berulang, memetakan deformasi pada area luas dengan presisi milimeter hingga sentimeter tanpa instrumen apa pun di lapangan.

Apa perbedaan antara DInSAR dan pelacakan pergeseran?

DInSAR mengukur gerakan kecil hingga sedang dengan presisi sangat tinggi dengan membandingkan fase radar, tetapi memerlukan pelepasan fase. Pelacakan pergeseran piksel (speckle) mengukur gerakan yang jauh lebih besar dan cepat, hingga skala meter, dengan mengikuti fitur citra tanpa pelepasan fase, pada presisi lebih rendah. MSBAS dapat menggabungkan keduanya.

Apa perbedaan antara PSI dan SBAS?

PSI melacak jaringan titik-titik stabil dan memantul kuat dengan presisi sangat tinggi dan paling baik di kawasan terbangun, sementara SBAS menghasilkan peta yang kontinu secara spasial dan menjaga koherensi pada medan alami. Banyak proyek menggunakan keduanya.

Apa kelebihan MSBAS dibandingkan InSAR standar?

Satu citra radar hanya mengukur gerakan sepanjang garis pandang satelit. MSBAS memadukan beberapa geometri pengamatan untuk memulihkan gerakan vertikal, timur-barat, dan utara-selatan, serta dapat memperluasnya sepanjang waktu sebagai catatan empat dimensi.

Satelit apa yang Anda gunakan?

Kami terutama menggunakan Sentinel-1, yang gratis dan mencakup area luas setiap beberapa hari, bersama sensor komersial beresolusi tinggi seperti TerraSAR-X bila diperlukan detail halus. Kami juga memanfaatkan arsip SAR historis sejak 1990-an (ERS, Envisat, JERS, ALOS) untuk merekonstruksi pergerakan masa lalu.

Bisakah Anda mengukur deformasi yang terjadi di masa lalu?

Ya. Arsip radar satelit menjangkau hingga awal 1990-an, sehingga kami sering dapat merekonstruksi pergerakan tanah masa lalu selama bertahun-tahun atau berdekade di suatu lokasi, bahkan di tempat yang tidak pernah dipasangi instrumen.