Mgr. Ján Kianička
Katedra kartografie a mapování
ČVUT - Stavební fakulta Praha
Thákurova 7
166 29 Praha 6 - Dejvice
E - mail: kianicka@email.cz
SAR Interferometry - new trend in remote sensing
This article is about possibilities and always more wide using of active remote sensing. First of all is this problem connected with SAR radar (Synthetic Aperture Radar). This is kind of radar that scans earth surface by receiving and measuring not only time difference and amplitude of reflected signal, but also frequency and phase. By this is resolved problem of resolution in fly direction and data is possible to receive in resolution three orders higher. This radar is named: coherent radar and it is base condition for using our method, SAR intereferometry. In principal radar interferometry in digital processing is comparison of corresponding pixels in two pictures of the same area acquired in a very little different looking angles. This is generation of interferogram. Phase difference is closely connected with difference in distance between earth surface and satellite. And goal of this method is possibility of very high precision measurement of this phase difference.
The field of use is in topographic mapping with relative precision 10 - 15m, deformation mapping with precision less then 1 cm, next case is thematic mapping based on detection of changes, and last one is measuring of influences of atmosphere on satellite moving.
We can see wild use of this method, but practically obtaining data with such high precision is difficult, because it's very sensitive on many events. For instance wet surface, snow or vegetation makes big changes in surface features in longer time periods, and method is impossible to use. Another problem is in mathematical solutions and algorithms. There are still incompletely resolved steps in data processing (phase unwrapping).
Project where we wont to test this method is focused on monitoring of landslides and ground displacements caused by mining activities.
SAR Interferometria - nový trend v diaľkovom prieskume Zeme
Tento príspevok pojednáva o možnostiach a stále rozsiahlejšom využívaní aktívneho snímania v diaľkovom prieskume Zeme. Ide predovšetkým o využívanie tvz. SAR radarov (Synthetic Aperture Radar), čo je typ radaru, ktorý sníma dáta z povrchu zeme pomocou merania nie len času a amplitúdy signálu, ale aj frekvencie a fázy žiarenia. Je to ďalšia generácia radarov, ktorá rieši problém rozlíšenia v smere letu. Tým je možné snímať informácie o povrchu v až o tri rády vyššom rozlíšení ako pri jeho predchodcovi, SLARe (Side Looking Radar). Takýto radar sa nazýva koherentný a je to základný predpoklad aj pre našu metódu, SAR interferometriu. Základom interferometrie je porovnanie fáz zodpovedajúcich si pixelov dvoch SAR snímkou daného územia - vznik interferogramu, získaných pod mierne sa líšiacim depresným uhlom. Rozdiel fáz vyplýva z rozdielnej vzdialenosti medzi daným bodom na zemskom povrchu a jednotlivými anténami. A vlastne tým čo je na tejto metóde prínosom je práve vzťah medzi fázovým rozdielom, ktorý sme schopní pri vhodných podmienkach veľmi presne merať, a rozdielom vzdialeností.
Táto metóda nám umožňuje napr. topografické mapovanie s relatívnou presnosťou 10 -15m (to je závislé na presnosti merania dráhy satelitu), deformačné mapovanie s presnosťou pod 1 cm (to je závislé na veľkom množstve faktorov vyplývajúcich z vlastností povrchu zeme, atmosféry a snímaných dát), ďalšou možnosťou využitia je tematické mapovanie založené na detekcii zmien, a štvrtým okruhom je meranie vplyvu atmosféry na družice, čo už ale priamo nesúvisí s diaľkovým prieskumom Zeme.
Vidíme, že teoretické možnosti sú rozsiahle (zo satelitu namerať dáta s presnosťou na cm) ale v praxi dosiahnuť takéto výsledky je veľmi ťažké. V prvom rade ešte stále nie sú vyriešené všetky matematické problémy a algoritmy pri spracovaní. (Stále veľa výskumov a projektov skončí napr. pre nesprávne prevedenie fázového rozdielu do rozdielu vzdialeností) a druhým hlavným vplyvom je vysoká citlivosť tohoto spracovania na vhodné vlastnosti povrchu. (Napr. rozdielna vlhkosť, vegetačný pokryv, nehovoriac už o snehovej pokrývke, nám prakticky úplne znemožnia použiť túto metódu)
Projekt, na ktorom by sme my chceli vyskúšať túto metódu, je zameraný na monitoring zmien zemského povrchu vplyvom zosunov a poklesov v poddolovanom území na severe Čiech v okolí mesta Teplice. Budú použité dáta z európskych satelitov ERS 1 a ERS 2 (Earth Resource Satellite) a keďže ERS 1 už skončil svoju činnosť, do budúcna budeme musieť používať dáta zo satelitu ENVISAT. Ďalšou úlohou projektu je v celom spracovaní nepoužívať algoritmy zabudované do komerčných softvérov, ktoré sú pre náš typ úlohy príliš drahé, ale používať iba vedecké softvéry vyvíjané pod GPU licenciou (prevažne bežiace pod operačným systémom Linux). To samozrejme vyžaduje hlbšie preniknutie do matematických princípov celého spracovania.
V čase písania tohoto abstraktu, sa rieši ale iba softvérová a algoritmická časť projektu. Ešte nie sú k dispozícii vhodné dáta a samozrejme ani výsledky merania. Teda prvým krokom je hlavne testovanie riešenia, vyrobenie spúšťajúcich skriptov, zoznámenie sa a poprípade otestovanie riešení vyvíjaných na iných inštitúciách ako na pôde Delftskej univerzity. A tiež, pokiaľ sa podarí zapožičanie alebo dohoda spolupráce na projekte, chceli by sme porovnať riešenie s niektorým komerčným softvérom. Posúdenie vhodnosti tejto metódy na meranie už spomínaných zmien reliéfu nebude ešte k dispozícii. A tiež na začiatku neočakávame pozitívne výsledky, pretože dáta ktoré máme nespĺňajú všetky kritéria a je ich tiež veľmi málo (Za posledné štyri roky iba 2 vhodné dvojice a jedna dvojica snímaná v tandem móde). Ale aj keby sme nedokázali nahradiť práve v tomto prípade pozemné merania, aj tak bude mať projekt prínos, pretože bude možné postupy a zistené skutočnosti použiť, či už na iné územie a na dátach vyššej kvality, alebo na úlohu iného typu.
Na Stavebnej fakulte sa už dlhší čas pracuje na grante zaoberajúcim sa monitorovaním posunov zemského povrchu vplyvom banskej činnosti v oblasti Severočeskej hnedouhoľnej panvy. Testujú sa rôzne metódy, geotechnické, geodetické a jedna z nich je aj možnosť použitia diaľkového prieskumu zeme a to tvz. metóda radarovej interferometrie. Táto časť projektu je momentálne v stave testovania softvérového vybavenia, čakania na dáta objednaných z ESA (European Space Agency) a sledovania vývoja týchto metód vo svete.
Interferometria je metóda pri ktorej sa pomocou interferencie elektromagnetického žiarenia dajú merať veľmi malé rozdiely vzdialeností. Ako vstup slúžia dáta z SAR - (Synthetic Aperture Radar) doslovne: Radar so syntetizujúcim priezorom (aperturou). Ide o špeciálny typ radaru, ktorý pomocou presného merania prijatej aj vyslanej fázy signálu umožňuje interferometrické spracovanie obrazu. Rozdiel medzi reálnym radarom (Real Aperture Radar) a touto novou technológiou je v tom, že pomocou presného merania posunov vo frekvenciách vplyvom doplerovského efektu je možne zvýšiť rozlíšenie v smere letu až o tri rády, a to umožnilo umiestnenie radarov na vesmírne nosiče. Princíp interferometrie je taký, že nosič snímacieho zariadenia preletí po totožnej alebo veľmi blízkej dráhe a pri použití SARu s rovnakou frekvenciou je možné merať veľmi malý rozdiel vo vzdialenosti nosič - zemský povrch. Meranie je prevádzané prostredníctvom fázového rozdielu dvoch zodpovedajúcich si pixelov. Tento rozdiel sa ale vypočítava až pri spracovaní dát na zemi. Ide teda len o špeciálnu metódu vyhodnotenia snímkou. Na obrázku jedna a dva máme schému ktorá ilustruje snímanie SAR radaru a konfiguráciu pre interferometrické spracovanie.
Obr.č.1: Schéma snímania pomocou SARu. Vidíme kruhový lúč prislúchajúci ku jednému časovému momentu (impulzu pre radar) a tiež tvz. izodopsu, čiže čiaru rovnakej doplerovskej frekvencie pomocou ktorej sa dosahuje príslušné rozlíšenie.
Obr.č.2: Schéma konfigurácie dráh satelitov pre interferometrické spracovanie. Pohľad na satelity je spredu.
V dnešnej dobe sa aktívne snímanie používa na mnohých satelitoch a tiež na leteckých nosičoch. Veľa metód a možností spracovania je vo fáze vývoja a musíme podotknúť, že je to veľmi dynamicky sa rozvíjajúci odbor. Hlavne pre svoje širšie možnosti v porovnaní s pasívnymi senzorami. Náš projekt je založený na možnostiach ktoré poskytuje ESA (Europian Space Agency), kde v rámci výskumných účelov poskytuje zdarma dáta satelitov ERS 1 a ERS 2 (Earth Resource Satellite). Pre tieto satelity veľmi zjednodušene funguje interferometria nasledovne: Koherentný radar sníma to isté územie z málo odlišnej pozície. Pre ERS satelity je to maximálne 1km, optimum 100m. Dva SLC (Single Look Complex) obrazy predstavujú dáta, kde pre každý pixel sú dve hodnoty: I a Q. Ide o hodnotu fázy nosnej frekvencie a o 90° posunutej. Pomocou komplexného vyjadrenia sa dá oddeliť amplitúda a fáza signálu.
Následne sa tvorí tvz. komplexný interferogram, kedy sa zodpovedajúce pixle navzájom vynásobia (násobná interferometria):
Potom sa complexná interferometrická fáza "rozbalí" a prevedie na rozdiel R1 - R2. Ku všetkému tomuto ale potrebujeme softvérové vybavenie, ktoré dokáže načítať všetky potrebné informácie (napr. presnú dráhu satelitu, informácie o posunoch vo frekvenciách, a samotné obrazové dáta uložené v komplexnej prezentácii). Takýmto softvérom je napríklad DORIS.
Ide o sofvér vyvíjaný na univerzitnej a vedeckej pôde pod GPU licenciou (General Pulic Licence). Pôvodný zámer bolo vytvoriť sofvér na vyhodnotenie limít v oblasti merania deformácii, merania vplyvu atmosféry a prenášania chýb. Centrum výskumu je DEOS (Delft Institute for Earth-oriented Space research) v Holandskom Delfte. Platforma je ako pre väčšinu voľných softvérov, HP-Unix, ale je skompilovateľný na všetkých platformách. Má modulárnu štruktúru, programovaný v C++ jazyku, stavaný na celé interferometrické spracovanie (ale len pre SLC dáta), nenáročný na diskový priestor a pamäť. Pretože ide o otvorený systém, a je možné ho kombinovať s inými algoritmami získanými z iných zdrojov. Na obrázku číslo tri vadíme schému fungovania DORISu. Všimnime si hlavne, že DORIS nepokrýva také veci ako predspracovanie obrazových dát, alebo tvorbu výstupov. To necháva na užívateľovi, aby si mohol vybrať svoj spôsob napr. rozbalenia fázy alebo tvorby mapy deformácii.
Obr.č.3: Zjednodušená schéma interferometrického spracovania pomocou DORISu. Samotný DORIS ale pokrýva len kroky II a III.
Všetky potrebné softvérové balíky nájdeme na stránke:
http://www.geo.tudelft.nl/fmr/research/insar/sw/doris/index.html.cgi
Softvér je to pre bežného užívateľa Windows dosť ťažkopádny, ovláda sa pomocou dávkových skriptov, a má množstvo nedokonalostí s ktorými sa bohužiaľ stretáme pri každom kroku práce s ním. Výhodou je ale otvorenosť kódu a možnosť v prípade nefungovania niektorého modulu, editovať samotný softvér, prípadne nahradiť nevhodné algoritmy inými. Teraz uvediem na príklade dávkových skriptov ako prebieha celé spracovanie:
Skript č. 1. Príklad časti dávkového skriptu: Čítanie SLC dát z CD média:
Ďalším krokom po načítaní obrazových a efemerných dát, je koregistrácia a prevzorkovanie obidvoch obrazových súborov. Tu máme príklad skriptu ktorý riadi tento krok.
Skript č.2: Príklad dávkového skriptu : Koregistrácia.
Týmto krokom sme získali funkciu zobrazenia jedného obrazu na druhý, a môžeme si vytvoriť obrazový výstup, mapu posunov a korelácie jednotlivých pixelov. Po prevzorkovaní jedného obrazu presne na druhý, nasleduje v DORISe už konečná tvorba výstupných produktov. Nimi niesu ako by sme očakávali digitálny model reliéfu, alebo deformačná mapa, ale dva základné produkty: interferogram a mapa koherencie.
Skript č.3: Príklad dávkového skriptu: Výstupné produkty
Je tu samozrejme iba časť tohoto skriptu, kde sa vypočítava koherencia. Ide vlastne o mapu dôveryhodnosti a použiteľnosti metódy interferometrie. Vypočítava sa pomocou zložitých algorytmov, kde vstupom do výpočtu sú fázy jedného a druhého obrazu, plus referenčná fáza odvodená z efemerných údajov. Tu sú príklady:
Obr.č.4: Mapa koherencie z testovacích dát.
Obr.č.5: Fázová časť komplexného interferogramu z testovacích dát
Na čo vlastne výsledky interferometrie slúžia, a čo sa s nimi dá merať alebo mapovať. Takže sú to štyri základné okruhy: 1. Tvorba presného digitálneho modelu reliéfu vo veľkých územiach, 2. Mapovanie a monitorovanie deformácii 3. Tematické mapovanie založené na detekcii zmien 4. Meranie vplyvu atmosféry na družice. V dnešnej dobe skoro každý širšie zameraný projekt v rámci diaľkového prieskumu zeme používa aj radarové dáta a väčšinou aj interferometrické vyhodnotenie. Napríklad v r. 2000 bol pomocou raketoplánu Endeavour zmapovaný celý povrch Zeme a bol vytvorený digitálny model reliéfu s presnosťou až 12m. A dokonca už v r. 1989 bola zmapovaná Venuša sondou Magellan s rozlíšením okolo 150km. Veľmi zaujímavé projekty sa urobili v rámci sledovania pohybov zemskej kôry (sledovanie pohybov Etny) alebo sledovania pohybov ľadovcov. Na obrázku máme príklad použitia sledovania pohybu veľkých plávajúcich ľadovcov. Pomocou interferencie jasne a ľahko môžeme detekovať pohyb, ale väčší problém by bolo tento pohyb presne zmerať.
Obr.č.6: Detekovanie a meranie pohybu plávajúcich ľadovcov (Univerzita Stuttgart)
Takže ide o projekt katedry geotechniky na stavebnej fakulte ČVUT v Prahe s názvom: Výskum a overenie metód na meranie pohybu zemského povrchu. Ide o rozsiahly projekt zameraný hlavne na používanie pozemných metód, ale jedna z okrajových úloh je vyskúšanie radarovej interferometrie na území Čiech. Metódy sú testované vo vzťahu ku:
Záujmové územie sa rozkladá v okolí obce Chabařovice v Severných Čechách, ide o oblasť povrchovej bane a jej okolia. Druhá časť územia sa nachádza hneď nad riekou Labe na ľavom brehu nad obcou Vaňov. Celý výskum by mal trvať približne do r. 2005 a očakávané sú nasledovné výsledky:
Radarová interferometria je iba okrajová úloha, pretože ide o metódu prakticky ešte v Českej republike nepoužívanú, finančne a hlavne realizačne veľmi náročnú. V predošlých kapitolách sú v skratke popísané možnosti metódy, ale praktické výsledky v rámci projektu sú bohužiaľ veľmi ďaleko. Momentálny stav je teda taký: máme k dispozícii softvér DORIS, inštalovaný a je momentálne v testovacej fáze v spolupráci s Mgr. Urbanom Petrom, ktorý pracuje na oveľa náročnejšej úlohe. Ide o medzinárodný projekt testovania radarovej interferometrie na sledovanie veľmi presného merania pohybov geotektonických jednotiek v oblasti severnej Moravy. Úloha interferometrie v rámci našeho projektu spočíva vo vyhľadávaní nových území v ktorých dochádza ku pohybom, a v prípade dobrých vlastností dát a diferenčného interferogramu by sme sa mohli dostať až ku vyhodnoteniu absolútnych hodnôt deformácii. Práca má ale aj oveľa širší zmysel, a tým je umožnenie preniknutia tejto metódy do praktického užitia, spracovanie algoritmov, popísanie metodiky, ktorá môže byť potom ľahšie použitá v ďalších úlohách.