Usuario:Rosarinagazo/Radar interferométrico de apertura sintética

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El radar interferométrico de apertura sintética, a veces abreviado InSAR o IfSAR, es un instrumento radiometrico usado en geodesia y en teledetección. Este método geodésico usa imágenes de dos o más radar de apertura sintética (SAR) para generar cartas de deformación de superficie, y de elevaciones digitales, usando diferencias en la fase de las ondas retornantes al satélite activo,[1] [2] [3] o desde aeronaves. La técnica potencialmente puede medir cambios en escalas de centímetros, de deformación en intervalos de tiempo, de días a años. Tiene aplicaciones para el monitoreo geofísico de peligros naturales, por ejemplo: terremotos, erupciones volcánicas y deslizamientos de tierra, y también en ingeniería estructural, en particular la vigilancia de la subsidencia y la estabilidad estructural.

Interferograma producido usando datos del ERS-2, del 13 de agosto al 17 de septiembre de 1999, que abarcó el terremoto del 17 de agosto, en İzmit (Turquía). NASA/JPL-Caltech

Técnica[editar]

Radar de apertura sintética[editar]

Imagen de amplitud del SAR, de Kilauea (NASA/JPL-Caltech)

El radar de apertura sintética (SAR) es una forma de radar en donde se utilizan complejos procesamientos de datos para producir un haz muy estrecho y efectivo. Sólo puede ser utilizado con instrumentos en movimiento, sobre objetivos relativamente inmóviles. Es una forma de teledetección activa - la antena transmite radiación "iluminante" que luego es reflejada desde el blanco, a diferencia de la detección pasiva, donde se detecta el reflejo de la radiación lumínica ambiente. Por lo tanto, la adquisición de la imagen es independiente de la iluminación natural y las imágenes pueden ser tomadas por la noche. El radar usa radiación electromagnética a través de frecuencias de microondas; la absorción de la atmósfera en longitudes de onda de radar típica es muy baja, donde las observaciones no se ven afectadas por la cubierta de nubes.

Fase[editar]

Diferencias de fase

Muchas aplicaciones SAR hacen uso de la amplitud de la señal de retorno, e ignorando los datos de fase. Sin embargo, la interferometría utiliza la fase de la radiación reflejada. Ya que la onda de salida es producida y emitida por el satélite, la fase se conoce, y puede ser comparado con la fase de la señal de retorno. La fase de retorno de la onda depende de la distancia al suelo, ya que la longitud del camino al suelo y su retornoa se compondrá de un número de conjunto de las longitudes de onda más alguna fracción de la longitud de onda. Esto es observable como diferencias de fase o deriva de fase en la onda retornante. La distancia total al satélite (i.e. el número de longitudes de onda completa) no se conoce, pero la fracción extra de una longitud de onda se puede medir con extrema precisión.

En la práctica, la fase se ve afectada por otros varios factores, que juntos de manera efectiva hacen el retorno en bruto de la fase de la imagen SAR, esencialmente arbitraria, sin una correlación entre pixel a pixel. Para obtener toda la información útil de la fase, algunos de esos efectos deben ser aislados y eliminados. La interferometría utiliza dos imágenes del campo de exploración tomadas desde el mismo lugar de examen (o para aplicaciones topográficas posiciones ligeramente diferentes) y encontrando la diferencia de fase entre ellas, produciendo una imagen conocida como interferograma. Las diferencias de fase se mide en radianes y, debido a la naturaleza cíclica de la fase, que se registra como franjas repetitivas que representan un ciclo completo de 2π.

Factores afectando la fase[editar]

El factor más importante que afecta la fase es la interacción con la superficie del suelo. La fase de onda puede cambiar por reflexión, dependiendo en las propiedades del material. La señal reflejada retornante de algún pixel es la contribución sumada a la fase de muchos pequeños "objetivos" en aquella zona de tierra, cada uno con diferentes propiedades dieléctricas y las distancias al satélite, es decir, que la señal de retorno es arbitraria y totalmente no correlacionada con la de los píxeles adyacentes. Importante, sin embargo, es coherente - siempre y no cambia nada en los cambios en tierra, y deben sumarse de forma idéntica cada vez, y así poder ser removido del interferograma.

Once the ground effects have been removed, the major signal present in the interferogram is a contribution from orbital effects. For interferometry to work, the satellites must be as close as possible to the same spatial position when the images are acquired. This means that images from two different satellite platforms with different orbits cannot be compared, and for a given satellite data from the same orbital track must be used. In practice the perpendicular distance between them, known as the baseline, is often known to within a few centimetres but can only be controlled on a scale of tens to hundreds of metres. This slight difference causes a regular difference in phase that changes smoothly across the interferogram and can be modelled and removed.

Interferograma correspondiente a Kilauea, mostrando las franjas topográficas (NASA/JPL-Caltech)

The slight difference in satellite position also alters the distortion caused by topografía, meaning an extra phase difference is introduced by a stereoscopic effect. The longer the baseline, the smaller the topographic height needed to produce a fringe of phase change - known as the altitude of ambiguity. This effect can be exploited to calculate the topographic height, and used to produce a digital elevation model (DEM).

Si la altura topográfica ya se conoce, la contribución de la fase topográfica puede ser calculada y eliminada. Y se hace tradicionalmente hecho de dos maneras. En el método dos-pasos, la data de la elevación data from an externally-derived DEM is used in conjunction with the orbital information to calculate the phase contribution. In the three-pass method two images acquired a short time apart are used to create an interferogram, which is assumed to have no deformation signal and therefore represent the topographic contribution. This interferogram is then subtracted from a third image with a longer time separation to give the residual phase due to deformation.

Once the ground, orbital and topographic contributions have been removed the interferogram contains the deformation signal, along with any remaining noise (see Difficulties with InSAR). The signal measured in the interferogram represents the change in phase caused by an increase or decrease in distance from the ground pixel to the satellite, therefore only the component of the ground motion parallel to the satellite line of sight vector will cause a phase difference to be observed. For sensors like ERS with a small incidence angle this measures vertical motion well, but is insensitive to horizontal motion perpendicular to the line of sight (approximately north-south). It also means that vertical motion and components of horizontal motion parallel to the plane of the line of sight (approximately east-west) cannot be separately resolved.

One fringe of phase difference is generated by a ground motion of half the radar wavelength, since this corresponds to a whole wavelength increase in the two-way travel distance. Phase shifts are only resolvable relative to other points in the interferogram. Absolute deformation can be inferred by assuming one area in the interferogram (for example a point away from expected deformation sources) experienced no deformation, or by using a ground control (GPS or similar) to establish the absolute movement of a point.

Dificultades con el InSAR[editar]

A variety of factors govern the choice of images which can be used for interferometry. The simplest is data availability - radar instruments used for interferometry commonly don't operate continuously, acquiring data only when programmed to do so. For future requirements it may be possible to request acquisition of data, but for many areas of the world archived data may be sparse. Data availability is further constrained by baseline criteria. Availability of a suitable DEM may also be a factor for two-pass InSAR; commonly 90m SRTM data may be available for many areas, but at high latitudes or in areas of poor coverage alternative datasets must be found.

A fundamental requirement of the removal of the ground signal is that the sum of phase contributions from the individual targets within the pixel remains constant between the two images and is completely removed. However there are several factors that can cause this criterion to fail. Firstly the two images must be accurately co-registered to a sub-pixel level to ensure that the same ground targets are contributing to that pixel. There is also a geometric constraint on the maximum length of the baseline - the difference in viewing angles must not cause phase to change over the width of one pixel by more than a wavelength. The effects of topography also influence the condition, and baselines need to be shorter if terrain gradients are high. Where co-registration is poor or the maximum baseline is exceeded the pixel phase will become incoherent - the phase becomes essentially random from pixel to pixel rather than varying smoothly, and the area appears noisy. This is also true for anything else that changes the contributions to the phase within each pixel, for example changes to the ground targets in each pixel caused by vegetation growth, landslides, agriculture or snow cover.

Another source of error present in most interferograms is caused by the propagation of the waves through the atmosphere. If the wave travelled through a vacuum it should theoretically be possible (subject to sufficient accuracy of timing) to use the two-way travel-time of the wave in combination with the phase to calculate the exact distance to the ground. However the velocity of the wave through the atmosphere is lower than the speed of light in a vacuum, and depends on air temperature, pressure and the partial pressure of water vapour.[4] It is this unknown phase delay that prevents the integer number of wavelengths being calculated. If the atmosphere was horizontally homogeneous over the length scale of an interferogram and vertically over that of the topography then the effect would simply be a constant phase difference between the two images which, since phase difference is measured relative to other points in the interferogram, would not contribute to the signal. However the atmosphere is laterally heterogeneous on length scales both larger and smaller than typical deformation signals. This spurious signal can appear completely unrelated to the surface features of the image, however in other cases the atmospheric phase delay is caused by vertical inhomogeneity at low altitudes and this may result in fringes appearing to correspond with the topography.

Producción de interferogramas[editar]

La cadena de procesamiento para producir interferogramas, varía según el software utilizado y la aplicación específica, e incluye una combinación de lo general, los siguientes pasos.

Two SAR images are required to produce an interferogram; these may be obtained pre-processed, or produced from raw data by the user prior to InSAR processing. The two images must first be co-registered, using a correlation procedure to find the offset and difference in geometry between the two amplitude images. One SAR image is then re-sampled to match the geometry of the other, meaning each pixel represents the same ground area in both images. The interferogram is then formed by cross-multiplication of each pixel in the two images, and the interferometric phase due to the curvature of the Earth is removed, a process referred to as flattening. For deformation applications a DEM can be used in conjunction with the baseline data to simulate the contribution of the topography to the interferometric phase, this can then be removed from the interferogram.

Once the basic interferogram has been produced, it is commonly filtered using an adaptive power-spectrum filter to amplify the phase signal. For most quantitative applications the consecutive fringes present in the interferogram will then have to be unwrapped, which involves interpolating over the 0 to 2π phase jumps to produce a continuous deformation field. At some point, before or after unwrapping, incoherent areas of the image may be masked out. The final processing stage involves geocoding the image, which resamples the interferogram from the acquisition geometry (related to direction of satellite path) into the desired geographic projection.

SAR interferométrico terrestre (TInSAR)[editar]

Archivo:Interferometro SAR Terrestre.JPG
SAR interferométrico terrestre (TInSAR)
Archivo:Mappe SAR Terrestri.jpg
a) Carta de desplazamiento interferométrico en 2D; b) desplazamiento de series de tiempo de píxeles

Terrestrial SAR Interferometry (TInSAR) is a remote sensing technique for the displacement monitoring of slopes, rock scarps, volcanoes, landslides, buildings, infrastructures etc. The TInSAR technique is based on the same operational principles of the Satellite SAR Interferometry, but the Synthetic Aperture of the Radar (SAR) is obtained by an antenna moving on a rail instead of satellite moving around an orbit. SAR technique allow 2D radar image of the investigated scenario to be achieved, with a high range resolution (along the instrumental line of sight) and cross-range resolution (along the scan direction). The antenna emits and receive microwave impulses, and by the measurement of the phase difference between two images it is possible to compute the displacement of all the pixel of the SAR image. The accuracy in the displacement measurement is millimetric or submillimetric depending on the specific local and atmospheric conditions.

Software[editar]

Una variedad de paquetes, de uso común, de procesamiento InSAR, varios están disponibles gratis y para uso académico.

  • GMTSAR: sistema de proceso InSAR, en base en Generic Mapping Tools - fuente abierta GNU General Public License - http://topex.ucsd.edu/gmtsar
  • Interferómetro IMAGINE SAR - con paquete de procesoamiento comercial embebido en el suite de software de teledetección ERDAS IMAGINE, en lenguaje C++ [1]
  • ROI PAC - producido por el Jet Propulsion Laboratory, de la NASA, y Caltech. En UNIX, puede bajarse libremente de Fundación The Open Channel
  • DORIS - suite de procesamiento de la Universidad Técnica de Delft, en código C++ , siendo una multiplataforma portable. Es fuente abierta en DORIS, con condiciones
  • Gamma Software - Commercial software suite consisting of different modules covering SAR data processing, SAR Interferometry, differential SAR Interferometry, and Interferometric Point Target Analysis, runs on Solaris, Linux, Mac OS X, Windows, large discount for Research Institutes [2].
  • SARscape - Commercial software suite consisting of different modules covering SAR data processing, SAR and ScanSAR focusing and Interferometry, differential SAR Interferometry, Persistent Scatterers and SBAS, Polarimetry and Polarimetric Interferometry, running as an extension of ENVI under Windows and Linux [3].
  • Pulsar - Commercial software suite, UNIX based [4].
  • DIAPASON - Originally developed by the French Space Agency CNES,[5] [6] and maintained by Altamira Information, Commercial software suite - UNIX & Windows based [5].
  • RAT (Radar Tools) - SAR polarimetry (PolSAR), interferometry (InSAR), polarimetric interferometry (PolInSAR) and more, free software suite [6]
  • Orfeo ToolBox (OTB) - UNIX & Windows based, free software suite [7]

Fuentes de datos[editar]

Seasat (NASA/JPL-Caltech)

Early exploitation of satellite-based InSAR included use of Seasat data in the 1980s, but the potential of the technique was expanded in the 1990s, with the launch of ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 and ERS-2 (1995). These platforms provided the stable, well-defined orbits and short baselines necessary for InSAR. More recently, the 11-day NASA STS-99 mission in February 2000 used a SAR antenna mounted on the space shuttle to gather data for the Shuttle Radar Topography Mission. In 2002 ESA launched the ASAR instrument, designed as a successor to ERS, aboard Envisat. While the majority of InSAR to date has utilised the C-band sensors, recent missions such as the ALOS PALSAR, TerraSAR-X and COSMO SKYMED are expanding the available data in the L- and X-band.

Aplicaciones[editar]

Tectónica[editar]

El InSAR puede usarse para medir deformaciones tectónicas, por ejemplo movimientos de tierra, debidos a terremotos. Fue usado por primera vez en el terremoto de Landers de 1992, de 7,3,[5] y desde entonces ha sido utilizado ampliamente para una gran variedad de terremotos en todo el mundo. En particular, con el Izmit de 1999 y el de Bam de 2003 se usaron extensamente[7] [8] El InSAR se puede utilizar para controlar también la fluencia y tensiones acumuladas en fallas.

Volcanes[editar]

InSAR can be used in a variety of volcanic settings, including deformation associated with eruptions, inter-eruption strain caused by changes in magma distribution at depth, gravitational spreading of volcanic edifices, and volcano-tectonic deformation signals.[9] Early work on volcanic InSAR included studies on Mount Etna,[6] y Kilauea,[10] with many more volcanoes being studied as the field developed. The technique is now widely used for academic research into volcanic deformation, although its use as an operational monitoring technique for volcano observatories has been limited by issues such as orbital repeat times, lack of archived data, coherence and atmospheric errors.[11] Recently InSAR has also been used to study rifting processes in Ethiopia.[12]

Subsidencia[editar]

Rápida subsidencia del suelo sobre el campo petrolero Lost Hills, California (NASA/JPL-Caltech)

La subsidencia terrenal, a partir de una variedad de causas-ha sido utilizada con éxito midiéndola con el InSAR, en particular la subsidencia causada por la extracción de petroleo o agua de reservorios subterráneos, mineras subsuperficiales y el colapso de antiguas minas. También puede ser utilizado para monitorear la estabilidad de estructuras construidas, y características del paisaje, como corrimiento de tierra[13]

Flujo glaciar[editar]

El movimiento y deformación de glaciares, se han medido con éxito utilizando satélites interferométricos. The technique allows remote, high-resolution measurement of changes in glacial structure, ice flow, and shifts in ice dynamics, all of which agree closely with ground observations.[14]

Generación DEM[editar]

Península Kamchatka, datos Landsat, cubierta con el modelo elevacional SRTM (NASA/JPL-Caltech)

Los interferogramas se pueden utilizar para producir digital elevation maps (DEMs) usando efectos estereoscópicos causados por sutiles diferencias entre posiciones observadas entre las dos imágenes. When using two images produced by the same sensor with a separation in time, it must be assumed other phase contributions (for example from deformation or atmospheric effects) are minimal. In 1995 the two ERS satellites flew in tandem with a one-day separation for this purpose. A second approach is to use two antennas mounted some distance apart on the same platform, and acquire the images at the same time, which ensures no atmospheric or deformation signals are present. This approach was followed by NASA's SRTM mission aboard the space shuttle in 2000. InSAR-derived DEMs can be used for later two-pass deformation studies, or for use in other geophysical applications.

Dispersión persistente InSAR[editar]

Se han desarrollado relativamente recientes, técnicas de dispersión persistente o permanente, del convencional InSAR, y se basan en el estudio de píxeles que siguen siendo coherentes sobre una secuencia de interferogramas. En 1999, investigadores del Politécnico de Milán, Italia, desarrollaron un nuevo enfoque de multi-imágenes, en donde se busca en la batería de imágenes de objetos en la superficie, proporcionando reflexiones consistentes y estables de nuevo hacia el satélite. Esos objetos podrían ser del tamaño de un pixel o, más comunmente, de tamaños de subpixeles, y están presentes en cada imagen de la pila.

En 2000, el Politécnico de Milán patentó la tecnología, en 1999, y creó la empresa spin-off Tele-Rilevamento Europa - TRE, para comercializar esa tecnología, y realizar investigaciones en curso. Algunos centros de investigación y otras empresas, desarrollan sus propios algoritmos para poder superar las limitaciones del InSAR. En la literatura científica, estas técnicas se denominan colectivamente como Interferometría de dispersión persistente o técnicas de PSI (por el acrónimo en inglés) de Persistent Scatterer Interferometry) fue creado por la ESA, para definir la segunda generación de las técnicas del radar interferométrico.

Comúnmente estas técnicas son más útiles en zonas urbanas con una gran cantidad de estructuras permanentes, por ejemplo, los estudios de la ISP de las ciudades europeas realizado por el proyecto Terrafirma.[15] El proyecto Terrafirma (liderado por Fugro NPA) proporciona servicios sobre riesgos de movimientos de suelo, distribuidos por toda Europa a través de encuestas geológicas nacionales y las instituciones. El objetivo de este servicio es ayudar a salvar vidas, mejorar la seguridad y reducir las pérdidas económicas por el uso de la información PSI. En los últimos cinco años, este servicio se ha suministrado información relativa a la subsidencia y levantamiento urbano, estabilidad de taludes y deslizamientos de tierra, la deformación sísmica y volcánica, costas y llanuras de inundación.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. Massonnet, D.; Feigl, K. L. (1998). «Radar interferometry and its application to changes in the earth’s surface». Rev. Geophys. 4 36. pp. 441–500. Bibcode:1998RvGeo..36..441M. doi:10.1029/97RG03139. 
  2. Burgmann, R.; Rosen, P.A.; Fielding, E.J. (2000). «Synthetic aperture radar interferometry to measure Earth's surface topography and its deformation». Annual Review of Earth and Planetary Sciences 28. pp. 169–209. doi:10.1146/annurev.earth.28.1.169. 
  3. Hanssen, Ramon F. (2001). Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis. Kluwer Academic. ISBN 978-0-7923-6945-5. 
  4. Zebker, H.A.; Rosen, P.A.; Hensley, S. (1997). «Atmospheric effects in inteferometric synthetic aperture radar surface deformation and topographic maps». Journal of Geophysical Research 102. pp. 7547–7563. Bibcode:1997JGR...102.7547Z. doi:10.1029/96JB03804. 
  5. a b Massonnet, D.; Rossi, M.; Carmona, C.; Adragna, F. (1993). «The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry». Nature. 6433 364. pp. 138–142. doi:10.1038/364138a0.  Parámetro desconocido |apellidot5= ignorado (ayuda)
  6. a b Massonnet, D.; Briole, P.; Arnaud, A. (1995). «Deflation of Mount Etna monitored by spaceborne radar interferometry». Nature. 6532 375. pp. 567–570. doi:10.1038/375567a0. 
  7. «Envisat's rainbow vision detects ground moving at pace fingernails grow». European Space Agency (6 de agosto de 2004). Consultado el 22 de marzo de 2007.
  8. «The Izmit Earthquake of 17 August 1999 in Turkey». European Space Agency. Consultado el 22 de marzo de 2007.
  9. Wadge, G. (2003). «A strategy for the observation of volcanism on Earth from space». Phil. Trans. Royal Soc.Lond. 361. pp. 145–156. 
  10. Rosen, P. A.; Hensley, S.; Zebker, H. A.; Webb, F. H.; Fielding, E. J. (1996). «Surface deformation and coherence measurements of Kilauea Volcano, Hawaii, from SIR C radar interferometry». J. Geophys. Res. E10 101. pp. 23,109–23,126. Bibcode:1996JGR...10123109R. doi:10.1029/96JE01459. 
  11. Stevens, N.F.; Wadge, G. (2004). «Towards operational repeat-pass SAR interferometry at active volcanoes». Natural Hazards 33. pp. 47–76. doi:10.1023/B:NHAZ.0000035005.45346.2b. 
  12. Wright, T.J.; Ebinger, C.; Biggs, J.; Ayele, A.; Yirgu, G.; Keir, D.; Stork, A. (2006). «Magma-maintained rift segmentation at continental rupture in the 2005 Afar dyking episode». Nature 442 (7100). pp. 291–294. doi:10.1038/nature04978. PMID 16855588. 
  13. «Ground motion». European Space Agency. Consultado el 21 de marzo de 2007.
  14. Goldstein, R.M.; Engelhardt, H.; Kamb, B.; Frolich, R. M. (1993). «Satellite radar interferometry for monitoring ice sheet motion: application to an Antarctic ice streamy». Science. 5139 262. pp. 1525–1530. doi:10.1126/science.262.5139.1525. 
  15. «Ground movement risks identified by Terrafirma». European Space Agency (8 de septiembre de 2006). Consultado el 21-03-2007.

Enlaces externos[editar]

http://revistas.ucm.es/index.php/FITE/article/view/FITE0202110055A "Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR): Application to ground deformation studies for volcano and seismic monitoring".