Tecnologia e métodos InSAR

Medimos a deformação do terreno com toda a gama de técnicas de interferometria radar por satélite (InSAR). Cada método adequa-se a um padrão de movimento diferente, desde o assentamento lento em escala milimétrica até o deslocamento rápido em escala métrica, e escolhemos a abordagem, ou a combinação de abordagens, que melhor se ajusta ao local e à questão colocada.

Os métodos a seguir abrangem a interferometria diferencial convencional, o rastreamento de deslocamentos (de pixels) por speckle para grandes movimentos, as séries temporais de deformação construídas com PSI, SBAS e o MSBAS multidimensional, e os dados radar de satélite que alimentam todos eles, desde o arquivo histórico do início da década de 1990 até os atuais Sentinel-1 e os sensores comerciais de alta resolução. Esses métodos sustentam nossos serviços de monitoramento de deformação do terreno - da deformação por reservatório e injeção ao mapeamento de taludes e subsidência - foram aplicados em escala nacional para produzir amplos mosaicos de deformação a partir de grandes arquivos Sentinel-1, e informam um erro padrão para cada taxa medida.

O InSAR diferencial (DInSAR) compara a fase de duas imagens radar adquiridas em datas diferentes para mapear o movimento do terreno ocorrido entre elas. Um único interferograma pode revelar um padrão de deformação em uma cena inteira com sensibilidade centimétrica a milimétrica. É a base de todos os outros métodos aqui apresentados e adequa-se bem ao mapeamento de eventos isolados, como um terremoto, uma subsidência súbita ou um soerguimento vulcânico.

O DInSAR mede o movimento ao longo da linha de visada do satélite e depende do desenrolamento de fase, que só é confiável para deformações pequenas a moderadas. Onde a superfície permanece coerente entre passagens, oferece a maior precisão de todas essas técnicas.

Quando o movimento é grande ou rápido demais para que a fase seja desenrolada de forma confiável, rastreamos em vez disso o deslocamento das feições da imagem entre aquisições. O rastreamento de deslocamentos de pixels mede o movimento tanto em distância quanto em azimute e consegue acompanhar deslocamentos de metros, por exemplo deslizamentos de terra rápidos, geleiras ou o terreno acima de uma mina ativa, onde a interferometria convencional perde coerência.

Como o rastreamento de deslocamentos por speckle não requer desenrolamento de fase, capta movimentos que o DInSAR não consegue medir, inclusive o movimento ao longo da direção de voo (azimute) do satélite. Sua precisão é menor que a do DInSAR e depende da resolução espacial dos dados radar, de modo que os dois são frequentemente usados em conjunto.

Uma série temporal de deformação transforma uma pilha de medições radar individuais em um histórico contínuo de como cada ponto do terreno se moveu. Em vez de um único par antes-depois, dezenas a centenas de aquisições são invertidas em conjunto para estimar a taxa de deformação entre datas sucessivas, que é então acumulada em um registro de deslocamento cumulativo para cada pixel. O resultado não é apenas quanto o terreno se moveu, mas como o movimento evoluiu, onde acelera, desacelera ou se inverte.

Como os dados radar reais são apenas parcialmente coerentes, a inversão é regularizada e uma verificação de qualidade por pixel (posto) remove os pontos onde há poucas medições confiáveis, de modo que a série temporal só reporta movimento onde ele é confiável. A amostragem temporal pode ser ajustada, por exemplo a taxas anuais ou sazonais, para ampliar a cobertura espacial, encurtar o processamento ou tornar os sinais sazonais mais claros. PSI, SBAS e MSBAS são todos métodos de séries temporais baseados nesse princípio.

A PSI acompanha uma rede de pontos estáveis e fortemente refletores, como edifícios, afloramentos rochosos e infraestrutura, ao longo de uma longa pilha de imagens radar. Ao isolar esses dispersores persistentes, atinge precisão muito elevada em alvos individuais e é ideal para monitorar estruturas, subsidência urbana e infraestrutura ao longo de muitos anos.

A SBAS constrói uma série temporal de deformação a partir de muitos interferogramas formados entre pares de imagens com pequena separação no tempo e na posição. Isso preserva a coerência sobre terrenos naturais, não urbanos, e produz mapas de movimento espacialmente contínuos, tornando-a adequada à subsidência de grande extensão, aos deslizamentos de terra e à deformação regional lenta.

O MSBAS combina medições de deformação de duas ou mais trajetórias de satélite, normalmente órbitas ascendentes e descendentes, e pode usar em conjunto interferogramas DInSAR e dados de deslocamento por speckle (em distância e azimute). Como cada trajetória e cada direção de medição enxerga o terreno de forma diferente, invertê-las conjuntamente recupera a direção real do movimento, e não apenas o movimento ao longo de uma única linha de visada. Dependendo de quantas geometrias de observação e de que tipo de dados de entrada estão disponíveis, o MSBAS produz séries temporais de deformação de uma, duas, três ou quatro dimensões, opcionalmente restringidas pela topografia da superfície.

Combina conjuntos de dados sobrepostos que compartilham uma geometria de observação semelhante em uma única série temporal unidimensional densamente amostrada ao longo da linha de visada radar. Isso aumenta a frequência com que o terreno é medido e estende o registro mais para trás no tempo.

Combina dados ascendentes e descendentes para separar o movimento em componentes vertical e horizontal leste-oeste. Assume movimento norte-sul desprezável, uma boa aproximação para muitos casos de subsidência e soerguimento, e é a forma mais utilizada para a deformação por águas subterrâneas, mineração e vulcanismo.

Quando se adicionam medições de deslocamento em azimute aos dados ascendentes e descendentes, o MSBAS resolve o campo de deslocamento tridimensional completo, norte, leste e vertical, sem assumir que qualquer direção seja zero. Isso dá uma imagem completa e não restringida de como a superfície realmente se move.

Uma solução tridimensional restringida pela topografia, que assume que a superfície se move paralela ao terreno, usando um modelo digital de elevação para relacionar as componentes. Recupera o movimento 3D completo a partir de menos geometrias de observação e é adequada a deslizamentos de terra lentos e profundos e ao fluxo de geleiras, onde o material se desloca ao longo da superfície do terreno.

Uma solução restringida relacionada, na qual se assume que o movimento horizontal segue a direção de orientação da encosta, obtida do modelo de elevação. Assim como a forma paralela à superfície, resolve o deslocamento tridimensional de deslizamentos de terra profundos a partir de dados limitados, restringindo a direção do fluxo com o declive local.

Resolve norte, leste e duas subcomponentes verticais distintas, separando dois processos verticais sobrepostos, por exemplo uma tendência de longo prazo e um sinal sazonal ou transitório, e estende o resultado ao longo do tempo. Esse registro quadridimensional mostra como cada parte do campo de deslocamento completo evolui ao longo do período de monitoramento.

Cada resultado depende dos dados radar que o sustentam. Trabalhamos com todo o arquivo de satélites civis de radar de abertura sintética (SAR), combinando um amplo registro histórico com os sensores mais recentes de alta frequência e alta resolução.

O SAR espacial adequado à interferometria remonta ao início da década de 1990, com ERS-1 e ERS-2, Envisat, JERS-1 e ALOS PALSAR. Esse arquivo nos permite reconstruir o movimento do terreno ocorrido anos ou décadas antes de um projeto começar e estabelecer uma linha de base histórica para locais que nunca foram instrumentados, o que é muitas vezes a única forma de compreender como uma encosta, um aquífero ou uma mina se comportou ao longo do tempo.

A maior parte do monitoramento atual usa o Sentinel-1, a missão europeia Copernicus em banda C, que capta imagens de amplas áreas a cada poucos dias e é de acesso aberto e gratuito - a ferramenta de referência para o monitoramento de grande área. Para os detalhes finos, usamos a banda X do TerraSAR-X, da Alemanha, e do COSMO-SkyMed, da Itália, que resolvem estruturas individuais até cerca de um metro, e recorremos à banda L do ALOS-2, do Japão, escolhendo banda C, banda X ou banda L e as geometrias ascendentes e descendentes de que cada local precisa. A banda L, de maior comprimento de onda, como a do ALOS-2, mantém a coerência sobre a vegetação onde comprimentos de onda mais curtos se descorrelacionam, o que é decisivo sobre terrenos florestados e setentrionais.

Existe um compromisso entre cobertura, resolução e custo. O Sentinel-1 é gratuito, de ampla cobertura e resolução média; sensores comerciais de alta resolução como o TerraSAR-X resolvem detalhes finos em estruturas individuais, mas são caros e cobrem áreas menores. Nossa estratégia padrão é começar com os dados gratuitos do Sentinel-1 para examinar todo o local, construir a linha de base histórica e localizar onde o terreno se move, e só então encomendar dados comerciais de maior resolução onde um detalhe ou uma precisão maiores se justifiquem.

O processamento dessas grandes pilhas de imagens radar é intensivo em computação: centenas de imagens são invertidas pixel a pixel, de modo que nosso software é paralelizado para rodar em clusters de computação de múltiplos nós. É isso que torna prático o monitoramento plurianual e de grande extensão de um local inteiro.

Na prática, combinamos muitas vezes várias dessas técnicas: uma série temporal PSI ou SBAS para a tendência de longo prazo, o rastreamento de deslocamentos onde o movimento é grande, e o MSBAS para resolver a direção fundindo vários satélites. A combinação certa depende da velocidade e da escala do movimento, da cobertura do solo e do uso que será dado aos resultados. Nossos métodos de processamento se baseiam em pesquisa revisada por pares publicada em revistas internacionais de sensoriamento remoto.

O que é InSAR?

O InSAR (radar interferométrico de abertura sintética) mede o movimento do terreno a partir do espaço comparando a fase de imagens radar de satélite repetidas, mapeando a deformação em amplas áreas com precisão milimétrica a centimétrica sem nenhum instrumento no solo.

Qual é a diferença entre o DInSAR e o rastreamento de deslocamentos?

O DInSAR mede movimentos pequenos a moderados com grande precisão comparando a fase radar, mas requer desenrolamento de fase. O rastreamento de deslocamentos de pixels (speckle) mede movimentos muito maiores e mais rápidos, de metros de deslocamento, seguindo as feições da imagem sem desenrolamento, com precisão menor. O MSBAS pode combinar os dois.

Qual é a diferença entre PSI e SBAS?

A PSI acompanha uma rede de pontos estáveis e fortemente refletores com precisão muito elevada e funciona melhor em áreas edificadas, enquanto a SBAS produz mapas espacialmente contínuos e preserva a coerência sobre terrenos naturais. Muitos projetos usam ambas.

O que o MSBAS acrescenta em relação ao InSAR padrão?

Uma única imagem radar mede o movimento apenas ao longo da linha de visada do satélite. O MSBAS combina várias geometrias de observação para recuperar o movimento vertical, leste-oeste e norte-sul, e pode estendê-lo ao longo do tempo como um registro quadridimensional.

Que satélites vocês utilizam?

Usamos principalmente o Sentinel-1, que é gratuito e cobre amplas áreas a cada poucos dias, juntamente com sensores comerciais de alta resolução como o TerraSAR-X quando é necessário detalhe fino. Também recorremos ao arquivo SAR histórico que remonta à década de 1990 (ERS, Envisat, JERS, ALOS) para reconstruir o movimento passado.

Vocês conseguem medir a deformação ocorrida no passado?

Sim. O arquivo radar de satélite remonta ao início da década de 1990, de modo que podemos muitas vezes reconstruir anos ou décadas de movimento passado do terreno em um local, mesmo onde nunca foram instalados instrumentos.