Технология и методы InSAR

Мы измеряем деформацию земной поверхности с помощью полного набора методов спутниковой радарной интерферометрии (InSAR). Каждый метод подходит для своего характера движения, от медленной осадки миллиметрового масштаба до быстрого смещения метрового масштаба, и мы выбираем подход или сочетание подходов, соответствующее объекту и поставленной задаче.

Описанные ниже методы охватывают классическую дифференциальную интерферометрию, спекл-отслеживание смещений (пикселей) для больших перемещений, временные ряды деформации, построенные с помощью PSI, SBAS и многомерного MSBAS, а также спутниковые радарные данные, на которых все они основаны, от исторического архива начала 1990-х годов до современного Sentinel-1 и коммерческих сенсоров высокого разрешения. Эти методы лежат в основе наших услуг мониторинга деформации грунта - от деформации коллекторов и закачки до картирования склонов и оседания, - применялись в национальном масштабе для построения мозаик деформаций большого масштаба из крупных архивов Sentinel-1 и сообщают стандартную ошибку для каждой измеренной скорости.

Дифференциальный InSAR (DInSAR) сравнивает фазу двух радарных снимков, сделанных в разное время, чтобы картировать движение поверхности, произошедшее между ними. Одна интерферограмма способна выявить картину деформации на всей сцене с чувствительностью от сантиметра до миллиметра. Это основа всех остальных методов, описанных здесь, и она хорошо подходит для картирования отдельных событий, таких как землетрясение, внезапное оседание или вулканическое поднятие.

DInSAR измеряет движение вдоль линии визирования спутника и опирается на развертывание фазы, надежное только для малых и умеренных деформаций. Там, где поверхность сохраняет когерентность между пролетами, он обеспечивает наивысшую точность среди всех этих методов.

Когда движение слишком велико или слишком быстрое, чтобы надежно развернуть фазу, мы вместо этого отслеживаем смещение деталей изображения между съемками. Отслеживание смещений пикселей измеряет движение как по дальности, так и по азимуту и способно фиксировать смещения метрового масштаба, например быстрые оползни, ледники или поверхность над действующей шахтой, где классическая интерферометрия теряет когерентность.

Поскольку спекл-отслеживание смещений не требует развертывания фазы, оно фиксирует движение, недоступное DInSAR, в том числе вдоль направления полета (азимута) спутника. Его точность ниже, чем у DInSAR, и зависит от пространственного разрешения радарных данных, поэтому их часто используют вместе.

Временной ряд деформации превращает набор отдельных радарных измерений в непрерывную историю движения каждой точки на поверхности. Вместо единственной пары до-и-после десятки и сотни съемок инвертируются совместно, чтобы оценить скорость деформации между последовательными датами, которая затем накапливается в кумулятивную запись смещений для каждого пикселя. Результат показывает не только то, насколько сместилась поверхность, но и как развивалось движение, где оно ускоряется, замедляется или меняет направление.

Поскольку реальные радарные данные лишь частично когерентны, инверсию регуляризуют, а попиксельная проверка качества (ранг) удаляет точки, где надежных измерений слишком мало, поэтому временной ряд сообщает о движении только там, где ему можно доверять. Временную дискретизацию можно настроить, например на годовые или сезонные скорости, чтобы расширить пространственный охват, сократить обработку или сделать сезонные сигналы яснее. PSI, SBAS и MSBAS - все это методы временных рядов, основанные на этом принципе.

PSI отслеживает сеть стабильных, сильно отражающих точек, таких как здания, скальные обнажения и инфраструктура, по длинной серии радарных снимков. Выделяя эти постоянные рассеиватели, метод достигает очень высокой точности по отдельным целям и идеально подходит для мониторинга сооружений, городского оседания и инфраструктуры на протяжении многих лет.

SBAS строит временной ряд деформации из множества интерферограмм, образованных между парами снимков с малым разносом во времени и пространстве. Это сохраняет когерентность над естественной, негородской местностью и дает пространственно непрерывные карты движения, что хорошо подходит для оседания на больших площадях, оползней и медленной региональной деформации.

MSBAS объединяет измерения деформации с двух или более спутниковых трасс, обычно восходящих и нисходящих орбит, и может совместно использовать интерферограммы DInSAR и данные спекл-смещений (по дальности и азимуту). Поскольку каждая трасса и каждое направление измерения видит поверхность по-своему, их совместная инверсия восстанавливает реальное направление движения, а не только движение вдоль одной линии визирования. В зависимости от числа геометрий наблюдения и типа доступных входных данных MSBAS строит одно-, двух-, трех- или четырехмерные временные ряды деформации, при необходимости ограниченные топографией поверхности.

Объединяет перекрывающиеся наборы данных со схожей геометрией наблюдения в один плотно дискретизированный одномерный временной ряд вдоль линии визирования радара. Это повышает частоту измерения поверхности и продлевает запись дальше в прошлое.

Объединяет восходящие и нисходящие данные, чтобы разделить движение на вертикальную составляющую и горизонтальную составляющую восток-запад. Предполагается пренебрежимо малое движение север-юг - хорошее приближение для многих случаев оседания и поднятия, - и это самая распространенная форма для деформации, связанной с подземными водами, горными работами и вулканизмом.

Когда к восходящим и нисходящим данным добавляются измерения азимутальных смещений, MSBAS восстанавливает полное трехмерное поле смещений - север, восток и вертикаль - не предполагая, что какое-либо направление равно нулю. Это дает полную, ничем не ограниченную картину того, как на самом деле движется поверхность.

Топографически ограниченное трехмерное решение, которое предполагает, что поверхность движется параллельно рельефу, используя цифровую модель рельефа для связи компонент. Оно восстанавливает полное 3D-движение по меньшему числу геометрий наблюдения и хорошо подходит для медленных глубоких оползней и течения ледников, где материал перемещается вдоль земной поверхности.

Родственное ограниченное решение, в котором предполагается, что горизонтальное движение следует направлению экспозиции склона, взятому из модели рельефа. Как и форма, параллельная поверхности, оно восстанавливает трехмерное смещение глубоких оползней по ограниченным данным, ограничивая направление течения местным уклоном.

Восстанавливает север, восток и две отдельные вертикальные субкомпоненты, разделяя два наложенных вертикальных процесса, например долгосрочный тренд и сезонный или переходный сигнал, и продлевает результат во времени. Эта четырехмерная запись показывает, как каждая часть полного поля смещений развивается в течение периода мониторинга.

Каждый результат зависит от стоящих за ним радарных данных. Мы работаем со всем архивом гражданских спутников с радаром с синтезированной апертурой (SAR), сочетая глубокую историческую запись с новейшими высокочастотными сенсорами высокого разрешения.

Космический SAR, пригодный для интерферометрии, восходит к началу 1990-х годов - ERS-1 и ERS-2, Envisat, JERS-1 и ALOS PALSAR. Этот архив позволяет нам реконструировать движение поверхности, происходившее за годы или десятилетия до начала проекта, и устанавливать историческую опорную линию для объектов, которые никогда не были оснащены приборами, что часто является единственным способом понять долгосрочное поведение склона, водоносного горизонта или шахты.

Большая часть современного мониторинга использует Sentinel-1, европейскую миссию Copernicus в C-диапазоне, которая снимает обширные территории каждые несколько дней и доступна открыто и бесплатно, - рабочую лошадку мониторинга большого масштаба. Для тонких деталей мы применяем X-диапазон германского TerraSAR-X и итальянского COSMO-SkyMed, которые разрешают отдельные сооружения вплоть до примерно метра, и привлекаем L-диапазон японского ALOS-2, выбирая C-, X- или L-диапазон и восходящие и нисходящие геометрии, которые нужны каждому объекту. Более длинноволновый L-диапазон, такой как ALOS-2, сохраняет когерентность над растительностью там, где сигнал более коротких длин волн теряет когерентность, что важно над лесистой и северной местностью.

Существует компромисс между охватом, разрешением и стоимостью. Sentinel-1 бесплатен, охватывает большие площади и имеет среднее разрешение; коммерческие сенсоры высокого разрешения, такие как TerraSAR-X, различают мелкие детали на отдельных сооружениях, но дороги и покрывают меньшие площади. Наша стандартная стратегия - начать с бесплатных данных Sentinel-1, чтобы охватить весь объект, построить историческую опорную линию и определить, где движется поверхность, а затем заказывать коммерческие данные более высокого разрешения только там, где оправданы большая детализация или точность.

Обработка этих больших стеков радарных снимков вычислительно интенсивна: сотни изображений инвертируются пиксель за пикселем, поэтому наше программное обеспечение распараллелено для работы на многоузловых вычислительных кластерах. Именно это делает практичным многолетний мониторинг всего объекта на больших площадях.

На практике мы часто сочетаем несколько из этих методов: временной ряд PSI или SBAS для долгосрочного тренда, отслеживание смещений там, где движение велико, и MSBAS для определения направления путем объединения нескольких спутников. Правильное сочетание зависит от скорости и масштаба движения, характера земного покрова и того, как будут использоваться результаты. Наши методы обработки опираются на рецензируемые исследования, опубликованные в международных журналах по дистанционному зондированию.

Что такое InSAR?

InSAR (интерферометрический радар с синтезированной апертурой) измеряет движение поверхности из космоса, сравнивая фазу повторных спутниковых радарных снимков, и картирует деформацию на больших площадях с точностью от миллиметра до сантиметра без каких-либо приборов на земле.

В чем разница между DInSAR и отслеживанием смещений?

DInSAR измеряет малые и умеренные движения очень точно, сравнивая фазу радара, но требует развертывания фазы. Отслеживание смещений пикселей (спекл) измеряет гораздо большие и быстрые движения - в метрах, - следуя за деталями изображения без развертывания, с меньшей точностью. MSBAS может объединять оба метода.

В чем разница между PSI и SBAS?

PSI отслеживает сеть стабильных, сильно отражающих точек с очень высокой точностью и лучше всего работает в застроенных районах, тогда как SBAS дает пространственно непрерывные карты и сохраняет когерентность над естественной местностью. Во многих проектах используют оба метода.

Что дает MSBAS по сравнению со стандартным InSAR?

Один радарный снимок измеряет движение только вдоль линии визирования спутника. MSBAS объединяет несколько геометрий наблюдения, чтобы восстановить движение по вертикали и в направлениях восток-запад и север-юг, и может продлить это во времени в виде четырехмерной записи.

Какие спутники вы используете?

Мы в основном используем Sentinel-1, который бесплатен и покрывает обширные территории каждые несколько дней, вместе с коммерческими сенсорами высокого разрешения, такими как TerraSAR-X, когда нужны мелкие детали. Мы также используем исторический архив SAR, восходящий к 1990-м годам (ERS, Envisat, JERS, ALOS), чтобы реконструировать прошлое движение.

Можете ли вы измерить деформацию, произошедшую в прошлом?

Да. Архив спутникового радара восходит к началу 1990-х годов, поэтому мы часто можем реконструировать годы или десятилетия прошлого движения поверхности на объекте, даже там, где приборы никогда не устанавливались.