Diversos fenómenos y procesos, como terremotos, fenómenos geológicos, movimiento del hielo, cambios en el flujo de agua subterránea por sobreexplotación del acuífero y extracción de hidrocarburos tienen como consecuencia la deformación de la superficie de la Tierra, que modifica sus parámetros físicos. Estos pueden ser topográficos (relacionados con la disposición de formas y características de la superficie de la Tierra), geológicos (que afectan la composición de las rocas) o hidrológicos (que afectan la distribución del agua en un área). Los grandes terremotos causan una deformación instantánea de la tierra y pueden modificar fuertemente el entorno físico, influyendo en la circulación hidrológica e hidrogeológica, desencadenando movimientos de masa y causando un gran daño en la infraestructura. Hundimiento de la tierra o subsidencia, el movimiento diferencial del suelo puede ser causado por inestabilidades geológicas a diferentes profundidades, y este fenómeno es un asentamiento gradual del suelo que causa, entre otras cosas, inundación de la tierra, expansión de las áreas de inundación, perturbación del sistema de drenaje, cambios en las pendientes y daños A los cimientos de la infraestructura en áreas urbanas. Para prevenir o reducir las consecuencias sociales, económicas, ambientales y de infraestructura de gran alcance, es necesario comprender las relaciones e interacciones entre los fenómenos humanos y naturales.
In order to support decision making related to land deformation and the temporal effects of the phenomenon, timely and accurate change detection of Earth's surface is essential. Multi-temporal datasets of both ground measurements and satellite data are often applied. Remote sensing data has been extensively used in the last decades for change detection because of the repetitive data acquisition and wide coverage. One powerful technique is Synthetic Aperture Radar (SAR) Interferometry (InSAR) that enables the measurement of small-scale surface deformation. This method uses two or more Synthetic Aperture Radar (SAR) images to generate differential interferograms that allow to measure the rate of ground deformation in cm/year and that can be successfully used for monitoring natural hazards, such as volcanoes, earthquakes, landslides and subsidence.
Contenido
1. SAR
1.1 Imagen SAR
1.2 Fase
1.3 Satelites con instrumentos SAR
2. Interferometría SAR
2.1 Fundamentos
2.2 Detalles
2.3 Condiciones
3. Interferometría Diferencial SAR (DInSAR)
3.1 Fundamentos
3.2 Interpretación de interferograma
3.3 Detalles
4. Ejemplos de monitoreo de deformación
4.1 Terremotos
4.2 Volcanes
4.3 Hundimiento de tierra
Fuentes de datos
Software y tutoriales
Bibliografía
1. SAR
La detección y el alcance de la radio (radar) se refieren a una técnica y un instrumento. El radar como instrumento de detección remota activa emite un pulso de radiación electromagnética a la superficie de la Tierra y mide la señal retrodispersada. Un objeto dispersa una onda incidente en todas las direcciones posibles con fuerza variable y con un patrón de dispersión diferente dependiendo de la dirección del incidente y la retrodispersión es la porción de la energía dispersada que se dirige al receptor del radar. La amplitud y fase de la señal retrodispersada que se mide depende de las propiedades físicas y eléctricas del objetivo. El rango (la distancia del objetivo y el radar) y la intensidad de retrodispersión de los objetos detectados pueden determinarse mediante la técnica de radar que utiliza el tiempo de viaje redondo (viaje al objeto y de regreso al receptor) del pulso emitido.
Un objetivo de radar se transmite de la antena al suelo (imagen izquierda) y se dispersa de nuevo a la antena por los objetivos terrestres (imagen derecha). Imagen: CRISP.
El radar de apertura sintética (SAR) es un sistema de imágenes de microondas con una geometría de imagen de aspecto lateral (los pulsos que emite golpean la superficie de la Tierra en un ángulo). También tiene capacidades de penetración en nubosidad y se mantiende en operación día y noche. El SAR utiliza el movimiento de avance de la nave espacial para sintetizar una antena más larga, que mejora la resolución espacial de las imágenes. En particular, cualquier objetivo está iluminado por varios cientos de pulsos de radar durante el tiempo en que el sensor SAR viaja sobre él y el resultado es una imagen de alta resolución que es equivalente a una que habría sido recolectada por un radar con una apertura mucho mayor (tamaño de la antena). Esta "apertura sintética" es igual a la distancia recorrida por la nave, mientras que el SAR recopila información sobre el objetivo.
La relación entre amplitud, fase y longitud de onda de una señal de radar. Imagen: ESA.
Geometría de imágenes SAR. Imagen: Moreira et al., 2013.
1.1 Imagen SAR
Se emiten sucesivos pulsos de ondas para crear una imagen SAR que se puede ver como un mosaico de pixeles. Cada pixel proporciona un número complejo que transporta la amplitud (intensidad de la señal reflejada y, específicamente, la altura de la onda electromagnética) y la información de fase (posición de un punto en el tiempo en un ciclo de forma de onda) de la señal recibida desde esa celda de resolución (pixel). La imagen SAR detectada se visualiza como un mapa de reflectividad 2-D del área de la imagen en escala de grises. Los blancos con una señal de alta retrodispersión, como las rocas expuestas y las áreas urbanas, parecen brillantes, en contraste con las superficies lisas y planas que son oscuras, ya que la radiación se refleja principalmente lejos del radar. Las dos dimensiones de la imagen son el rango y el acimut que corresponden en una geometría satelital a una trayectoria transversal ya lo largo de las direcciones de la pista.
Una imagen de SAR de ERS en la que las áreas urbanas aparecen brillantes, las áreas con vegetación tienen un tono intermedio y el agua aparece oscura. Imagen:CRISP.
1.2 Fase
La fase de cada pixel representa la diferencia de fase entre la señal emitida y la recibida. Como se conoce la fase de la onda saliente, puede compararse con la fase de la onda devuelta. La fase de la señal recibida está relacionada con la distancia del sensor y el objetivo, ya que la longitud de la ruta hacia el objetivo y la espalda se compone de longitudes de onda completas más una fracción de la longitud de onda. Esta fracción extra de longitud de onda se mide con gran precisión. La fase es la suma de las contribuciones de varios efectos, la trayectoria de desplazamiento bidireccional (sensor-objetivo-sensor), la interacción entre las ondas electromagnéticas, incidentes y los dispersores dentro de la celda de resolución del suelo, y el cambio de fase inducido por el sistema de procesamiento utilizado para enfocar la imagen. Por lo tanto, la fase de cambio de un pixel a otro dentro de una sola imagen SAR parece aleatoria y no tiene ningún uso práctico. Sin embargo, la diferencia de fase de dos imágenes SAR desde ángulos de visión ligeramente diferentes se puede aprovechar para generar la topografía y monitorear los cambios de terreno.
La amplitud (imagen izquierda) y la fase (imagen derecha) de la señal retrodispersada sobre el Etna. El patrón topográfico se identifica en la imagen de amplitud, mientras que la imagen de fase parece aleatoria. Imagen: http://epsilon.nought.de/tutorials/insar_tmr/img35.htm.
1.3 Satélites con instrumentos SAR
Los satélites SAR operan en frecuencias designadas con predominio de la banda L, banda C y banda X. Por las diferentes frecuencias se obtiene información diferente, ya que, por ejemplo, las frecuencias más bajas corresponden a longitudes de onda más largas, que pueden penetrar en la vegetación densa. El primer satélite con un sistema SAR de imágenes fue SEASAT, que se lanzó en 1978. Ese sensor fue el inicio de las siguientes misiones exitosas de ERS-1/2, Radarsat-1/2, Envisat, Risat-1 y Sentinel-1 que operan en Banda C, JERS, ALOS, ALOS-2 y SOACOM-1 que funcionan en la banda L y Cosmo-SkyMed, TerraSAR-X, PAZ y KOMPSAT-5 que funcionan en la banda X.
Caption: La gama de bandas de radiación electromagnética y frecuencia de radar. Imagen: ESA.
2. Interferometría SAR
2.1 Fundamentos
La comparación de la fase de dos o más imágenes de radar de una escena determinada adquiridas desde posiciones ligeramente diferentes o en momentos diferentes, es la idea básica de la interferometría SAR. La interferometría SAR permite la medición precisa de la topografía de la superficie, la deformación del suelo y el hundimiento, con una precisión centimétrica. Se basa en el procesamiento de un par de imágenes y el resultado es un mapa de las diferencias de las señales reflejadas en un área específica. Si no hay ninguna deformación del terreno entre las dos imágenes, la diferencia de fase de las imágenes (fase interferométrica) mostrada en el interferograma puede proporcionar información sobre la altitud relativa del terreno. El interferograma aplanado, como se le llama, es una imagen con franjas de colores que muestra el desplazamiento relativo entre la primera y la segunda adquisición y los diferentes colores representan los diferentes valores de fase de: π a π.
2.2 Detalles
La interferometría es una técnica que utiliza la información de fase recuperada de la interacción de dos ondas diferentes para recuperar información temporal o espacial sobre la propagación de las ondas. La radiación transmitida desde el radar llega al suelo y se dispersa hacia el receptor y el rango de inclinación (la distancia de la línea de visión entre el radar y el objetivo) se puede determinar en función del tiempo de viaje de la onda (ecuación). R=do*t/2). Los dispersores a diferentes distancias del instrumento introducen diferentes tiempos de viaje (t) y t equivalentes al cambio de fase (ϕ) entre las señales transmitidas y recibidas que es proporcional a la distancia de la radiación dividida por la longitud de onda transmitida (λ) (ϕ=2πrλ,r=2R,ϕ=4πRλ). Por lo tanto, como la fase de cada pixel contiene información sobre el rango hasta una pequeña fracción de la longitud de onda, las diferencias de longitud de la trayectoria se pueden detectar con precisión centimétrica. Sin embargo, las distancias de viaje que difieren en un múltiplo entero de la longitud de onda introducen el mismo cambio de fase, debido a la naturaleza periódica de la señal y, por lo tanto, la fase de la señal SAR es una medida de la última fracción de la distancia de viaje. Esto impone un desafío ya que la diferencia de rango medida es ambigua con la longitud de onda y se puede resolver mediante el proceso de desenvolvimiento de fase.
Sobre la base de la configuración interferométrica (imagen) y las relaciones geométricas entre las observaciones de dos fases se pueden derivar las estimaciones de la altura topográfica y la deformación de la superficie. En otras palabras, la fase interferométrica de cada pixel que supone que hay un dispersador dominante que no cambia con el tiempo depende solo de la diferencia en las rutas de viaje de cada uno de los dos SAR (δϕ = 4π ΔRλ)
Geometría de imágenes SAR (imagen izquierda), Determinación del rango de inclinación (distancia entre el radar y el objetivo) como R = c*t/2 (imagen central) y geometría InSAR en función de la cual se determina la altura del punto P (Hp: altura topográfica) B es la línea de base (distancia de la órbita), Bp es la línea de base perpendicular (proyección de la línea de base perpendicular al rango de inclinación), θ Es el ángulo de mirada del satélite.
El interferograma incluye una tendencia de fase causada por el hecho de que la superficie del terreno no es plana y, por lo tanto, la fase plana de la Tierra, como se llama, debe eliminarse. El resultado es el interferograma aplanado que es un mapa de fase que proporciona una medición ambigua de la altitud relativa del terreno. La altura de la ambigüedad, que es la diferencia de altitud que genera un cambio de fase interferométrico de 2π se puede derivar de la última ecuación de la imagen como (H2π = -λR1sinθ2Bp). El desenvolvimiento de fase es el proceso de agregar los múltiplos enteros correctos de 2π a las franjas interferométricas para obtener una medida de la variación de altitud real. Este es el primer paso para adquirir un DEM.
La resta de la imagen de la segunda fase de la primera da el interferograma a la derecha. Imágenes: http://epsilon.nought.de/tutorials/insar_tmr/img35.htm.
El primer interferograma (imagen izquierda) contiene la contribución de la fase terrestre plana (imagen central) y, después de su sustracción, obtenemos el interferograma aplanado (imagen derecha). Imágenes: http://epsilon.nought.de/tutorials/insar_tmr/img35.htm.
2.3 Condiciones
La interferometría se puede realizar bajo ciertas condiciones, y una de las más importantes es la coherencia. Un área que mantiene las mismas características de reflexión homogéneas, y la interacción con el pulso del radar es constante, se considera coherente (por ejemplo, áreas urbanas). La pérdida de coherencia puede ocurrir, por ejemplo, cuando el intervalo de tiempo entre las dos adquisiciones es largo. Otras limitaciones de la interferometría SAR son que las imágenes deben ser adquiridas por el mismo sensor y en el mismo modo de adquisición, a lo largo de la órbita nominal del satélite, y las adquisiciones deben estar por debajo de un valor crítico que depende del sensor.
3. Interferometría Diferencial SAR (DInSAR)
3.1 Fundamentos
En caso de que hubiera un movimiento en la superficie (deformación del terreno) entre las dos adquisiciones de radar, el interferograma aplanado contiene información sobre la topografía y la deformación. El diferencial InSAR es el proceso de eliminar la topografía del interferograma aplanado para obtener la señal de deformación del terreno.
El desplazamiento se deriva del cambio de fase de dos adquisiciones de SAR. Imagen: Schindler et al., 2016
Un interferograma creado mediante el uso de dos imágenes de SAR que se adquieren en dos momentos diferentes y mapea el cambio de fase causado por un movimiento de la superficie entre las dos adquisiciones. Imagen: Geoscience Australia.
3.2 Interpretación del interferograma
La cantidad y el patrón de deformación en un interferograma se muestran usando un ciclo de color de rojo a azul. Cada franja, o ciclo de color, representa un cambio en la distancia del satélite al suelo igual a la mitad de la longitud de onda del radar. Al multiplicar el número de franjas entre dos puntos por la mitad de la longitud de onda, se puede encontrar el desplazamiento relativo de los dos puntos a lo largo de la vista del radar. La secuencia de colores rojo-amarillo-azul de las franjas desde el centro del patrón indica que el objetivo se alejó del satélite y, en el orden inverso, azul-amarillo-rojo indica que el objetivo se movió hacia el satélite. Si el satélite viaja desde el Norte hacia el Sur (órbita descendente), el objetivo se aleja del satélite cuando hay un hundimiento o un movimiento hacia el oeste, y hacia el satélite si hay un levantamiento o un movimiento hacia el este. Por el contrario, si el satélite viaja desde el sur hacia el norte (órbita ascendente), entonces el objetivo se aleja del satélite cuando hay un hundimiento o un movimiento hacia el este, y hacia el satélite si hay un levantamiento o un movimiento hacia el oeste. Para poder distinguir y medir la verdadera deformación vertical y horizontal se requiere más información. Cuanto más cerca están las franjas, mayor es la tensión en el suelo. Las franjas de interferencia con el mismo color en el mismo ciclo de color representan la misma cantidad de deformación relativa.
Las geometrías del satélite ascendente (arriba) y descendente(sur) de un satélite de línea de visión (hacia el norte) y la deformación y movimiento del objetivo lejos del radar es un movimiento de subsidencia/hacia el este para órbita ascendente y movimiento de subsidencia/ oeste para órbita descendente
3.3 Detalles
El interferograma original se compone de varias partes que incluyen, entre otras, la fase topográfica, la fase plana de la Tierra y la posible fase de deformación, ya que al combinar imágenes de diferentes pasos elevados (interferometría de paso múltiple), una línea de base, una diferencia de trayectoria debida a una separación vía satélite está presente. En este caso, la fase interferométrica contiene una contribución de la topografía que se puede tener en cuenta mediante el uso de un modelo de elevación digital (DEM) y por lo tanto para medir la deformación del suelo, la fase topográfica debe eliminarse del interferograma aplanado. Por esa razón, un interferograma diferencial se construye utilizando (i), un método de dos pasos en el que se utiliza un modelo de elevación digital externo (digital elevation model, DEM) y se resta del interferograma, y (ii), un método de tres pasos en el que se utiliza otra adquisición de SAR para crear un par topográfico con una de las otras dos adquisiciones, y se supone que el par no tiene deformación y el interferograma del par topográfico se resta del interferograma del par de deformación. La precisión del DEM debe estar en el mismo orden de magnitud o mejor que la sensibilidad de fase de la línea de base interferométrica. Además, en el interferograma se encuentra el ruido de fase debido a la descorrelación temporal y las variaciones en el medio de propagación debido al retraso atmosférico.
Relación de fase y deformación en la línea de visión.
4. Ejemplos de monitoreo de deformación
4.1 Terremotos
El campo de deformación sísmica medido por InSAR es la proyección del desplazamiento del terreno asociado con la falla sismogénica en la línea de visión (line of sight, LOS) del satélite. La deformación causada por terremotos es mayormente horizontal y a lo largo de la falla en la que ocurre el terremoto. Por lo tanto, se necesitan otras fuentes de información para evaluar si hay movimientos horizontales y verticales, ya que InSAR puede detectar el movimiento hacia o desde el satélite.
Deformación del terreno después del terremoto de magnitud 7.6 Izmit (Turquía) en agosto de 1999. Las líneas rojas muestran las ubicaciones de las fallas de falla y las líneas negras la ruptura de la falla de los datos del SAR. El lado norte de la falla se alejó del satélite (rojo - amarillo - azul) y la parte sur se movió hacia el satélite (azul - amarillo - rojo), lo que significa que el terremoto rompió la falla. Imagen: JPL NASA.
4.2 Volcanes
InSAR puede ser útil para monitorear volcanes, ya que se puede producir un mapa que cubre un área espacial muy grande con una precisión de escala de centímetros, especialmente para volcanes que se encuentran en lugares de difícil acceso. La principal limitación es la dificultad para ver a través de la vegetación hasta el suelo debajo de los volcanes ubicados en los trópicos. Monitorizando la deformación de la superficie del volcán se puede rastrear el movimiento de la roca fundida (magma) bajo tierra y eso ha llevado al descubrimiento de que algunos volcanes inactivos se están deformando activamente y pueden estallar eventualmente, aunque actualmente exhiban poca actividad. Se considera que la deformación detectada por el inSAR en los volcanes es predominantemente vertical, ya que implica inflamación a medida que el magma invade o un sistema hidrotermal lo presuriza o, por otro lado, hundimiento causado por el retiro del magma durante una erupción, despresurización o decaimiento térmico de un sistema hidrotermal.
Deformación de la tierra centrada a 5 km al oeste del volcán Sister Sur en el centro de Oregon. Cada ciclo de color de azul a rojo representa un movimiento de 2,8 cm del suelo hacia el satélite. Imagen: USGS.
4.3 Hundimiento de la tierra
Los interferogramas son mapas del cambio relativo de la superficie terrestre, que se construyen a partir de los datos de InSAR para ayudar a los científicos a comprender cómo las actividades tectónicas o humanas, como el bombeo de aguas subterráneas y la producción de hidrocarburos, hacen que la superficie de la tierra suba o baje. Si el terreno se ha alejado de (hundimiento) o hacia (elevando) el satélite entre los momentos de las dos imágenes de SAR, una parte ligeramente diferente de la longitud de onda se refleja de nuevo en el satélite, lo que resulta en un cambio de fase medible que es proporcional al desplazamiento.
Subsidencia de la Ciudad de México en el año 2000. Cada ciclo de color de amarillo a rojo representa un movimiento de 2.8 cm del suelo lejos del satélite. Imagen: Cabral et al., 2008.
Fuentes de Datos
Los datos SAR de diferentes satélites están disponibles y se pueden descargar de diferentes fuentes. A continuación hay algunos ejemplos:
Software y Tutoriales
Existe una cantidad de softwares diferentes que se pueden utilizar para el procesamiento InSAR. Algunos ejemplos son
Cursos de Formación
Mapeo de subsidencia de terrenos con Sentinel-1
Bibliografía
Bamler, R., & Hartl, P. (1998). Synthetic aperture radar interferometry. Inverse problems, 14(4), R1.
Ferretti, A., Monti Guarnieri, A., Prati, C., Rocca, F., & Massonnet, D. February 2007. INSAR Principles: Guidelines for SAR Interferometry Processing and Interpretation.
Hanssen, R. F. (2001). Radar interferometry: data interpretation and error analysis (Vol. 2). Springer Science & Business Media.
Helz, R. L. (2005). Monitoring ground deformation from space. US Department of the Interior, US Geological Survey.
Moreira, A., Prats-Iraola, P., Younis, M., Krieger, G., Hajnsek, I., & Papathanassiou, K. P. (2013). A tutorial on synthetic aperture radar. IEEE Geoscience and remote sensing magazine, 1(1), 6-43.
