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Proyecto financiado por

Medición de desplazamientos a través tecnología InSAR

Curso DAMSAT - Lima

26/08/2019

Módulos Información del sitio

Movimiento: • Radar interferométrico de apertura sintética (InSAR)

• Alta resolución: CosmoSky-Med • Baja resolución: Sentinel-1

• Sensores GNSS in-situ

Previsión de precipitación y rebase

Polución/Filtración: • Óxido de hierro • Salud de la vegetación (NDVI)

Consecuencias

Visualización de imágenes satélite

InSAR datos claves

26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima

Medición de desplazamientos con tecnología InSAR

¿Nombre? Radar Interferométrico de Apertura Sintética (Por sus siglas en Inglés)

¿Qué? Medición del desplazamiento del terreno ocurrido en el período entre dos observaciones.

¿Dónde? Mundialmente

¿Frecuencia? Cada ~1–2 semanas

¿Aplicación? Volcanes, terremotos/sismos, glaciología, infraestructura, deslaves, extracción de agua…

¿Limitaciones? Varias. Hoy serán discutidas.

¿Para qué se usa InSAR?


Mouginot et al. 2019

Glaciología – mapeo de velocidad del hielo Creación de mapas de velocidad del

hielo En Julio del 2019, un grupo de

científicos publicaron un mapa de las velocidades del hielo de la Antártica haciendo uso de InSAR

Este mapa es 10 veces más preciso que los mapas anteriores

Estas mediciones ayudan a científicos climáticos a entender el movimiento del hielo y mejorar los modelos climáticos regionales

https://news.uci.edu/2019/07/29/uci-jpl-glaciologists-unveil-most-precise-map-ever-of-antarctic-ice-velocity/



Sismología y respuesta a desastres Para mapear la constante

deformación del terreno causada por terremotos

Ayudar a localizar terremotos, entender su origen y mapear fallas geológicas

La imagen de la izquierda muestra los resultados de InSAR después del terremoto en Palu, Indonesia en Septiembre de 2018.



European Space Agency/NASA-JPL/Caltech/Google Earth

Medición de subsidencia debida a extracciones de agua subterránea Extraer agua subterránea para usos

agrícolas o urbanos puede causar hundimiento del terreno.

Desde 1920, El Valle de San Joaquin en California, se ha hundido hasta 8.5 m

El Departamiento de Recusos Hídricos de California ha utilizado InSAR para identificar las áreas donde un hundimiento acelerado del terreno puede causar daños a infraestructura.

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-data-show-californias-san-joaquin-valley-still-sinking



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Blas

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2019

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3390

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1020

129

Medición de desplazamientos de infraestructura El mapa a la izquierda muestra la

velocidad vertical promedio de un área cercana a Roma, Italia durante Marzo 2015-Abril 2018

El asentamiento puede ser causado por el peso de las estructuras construidas recientemente sobre material aluvial no consolidado (Delgado Blasco et al. 2019)



Monitoreo de presas de relaves y de almacenamiento de agua InSAR es utilizado en el módulo de

estabilidad física de DAMSAT

Planificación de esta sesión

• Durante esta sesión cubriremos: 1. Repaso de ondas

2. ¿Qué es InSAR? ¿Cómo funciona?

3. Uso e interpretación de resultados InSAR

– Entender la información proporcionada por DAMSAT

4. Temas avanzados de InSAR

– Serie de tiempo

– Correcciones y limitaciones de InSAR

– Análisis automatizado con InSAR


Amplitud


Incremento de amplitud

a

Longitud de Onda (λ)


Incremento de Longitud de Onda

Longitud de Onda (λ)


λ

Incremento de Longitud de Onda

Fase (ϕ)


ϕ 0 180 360

La “fase” describe la posición instantánea del ciclo de una onda

La fase es medida entre 0o y 360o

Una onda con muchas longitudes de onda, posee tambien muchos puntos con la misma fase

Fase (ϕ)


ϕ 0 180 360

0o

90o La “fase” describe la posición instantánea del

ciclo de una onda



Fase (ϕ)


ϕ 0 180 360

0 180 0 180 0 180 360ϕ

0o

90o La “fase” describe la posición instantánea del

ciclo de una onda



Respuestas


Longitud de Onda = ? Amplitud = ?

Respuestas


Longitud de Onda = 2 Amplitud = ?

Respuestas


Longitud de Onda = 2 Amplitud = 1

¿Qué es InSAR?¿Cómo funciona?


Fuente de imagen: ESA

SAR = Radar de Apertura Sintética (por sus siglas en inglés)


Satélite emite radiación en forma de microondas

SAR = Radar de Apertura Sintética (por sus siglas en inglés)


…y mide la cantidad de microondas que regresan (“rebotan”) al satélite.

Satélite emite radiación en forma de microondas

Imágenes SAR


Trabaja día y noche.

Puede “mirar” através de las nubes Longitud de onda = 2 – 30 cm

Típica resolución 3 – 20 m.

Tiempo de revisita ~1 – 2 weeks

Solo un tipo de longitud de onda (una

banda), por lo tanto es usualmente menos útil para realizar mapas que las imágenes ópticas.

InSAR = Radar Interferométrico de Apertura Sintética (por sus

siglas en inglés)


InSAR


Toma la primera imagen

El terreno se mueve

Toma la segunda imagen

InSAR


En la segunda imagen la onda ha viajado mayor distancia Por tanto, cuando la onda regresa al satélite la fase de la onda de la imagen 1 es distinta a la de la imagen 2

Toma la primera imagen

El terreno se mueve

Toma la segunda imagen

InSAR


Imagen 1

Imagen 2

ϕ 0 180 360

1

2

Calcular la diferencia entre la fase de onda de las imágenes 1 y 2 Si conocemos la longitud de onda λ, se puede realizar la conversión de unidades de grados a milímetros. Luego se divide entre dos para obtener el desplazamiento del terreno, debido a que la onda viaja de ida y vuelta.

Interferograma


Imagen 1 amplitud Imagen 1 fase

Imagen 2 amplitud Imagen 2 fase

Imagen 2 fase - Imagen 1 fase

Un problema- ambigüedad


Imagen 1

Imagen 2

Problema - se puede medir el cambio de fase de una onda, pero es ambigüo. No se sabe la cantidad de longitudes de onda que la distancia ha cambiado

¿O esto?

¿O esto?

Solución- desenrrollado


La solución para la ambigüedad es desenrrollar:

-180o

0

+180o

Ainscoe et al. 2017 https://doi.org/10.1002/2017JB014268

Dife

renc

ia e

ntre

fase

Solución- desenrrollado


-180o

0

+180o


Dife

renc

ia e

ntre

fase


Solución - desenrrollar


-180o

0

+180o

+10 0 -10 cm

Dife

renc

ia e

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fase

Desp

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mie

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en la

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recc

ión

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líne

a-de

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sión



Resumen hasta ahora


Resumen de InSAR

+10 0 -10 cm

• Capturar dos observaciones en días distintos

• Medir la diferencia entre fases de dos imágenes

• Interpretar la diferencia entre fases es ambigüo – no existe una solución única.

• Haciendo suposiciones sensatas se puede convertir el mapa de diferencias de fase en un mapa de desplazamientos del terreno

imagen 1 fase imagen 2 fase

Uso e interpretación de resultados InSAR


La línea de visión


InSAR realiza mediciones del desplazamiento en la misma dirección o en contra del satélite. Esta dirección es denominada la linea de visión (LOS por sus sigas en inglés) InSAR no puede realizar mediciones del desplazamiento perpendicular a la línea de visión

La línea de visión


Ambos conjuntos de datos de InSAR en DAMSAT poseen una línea de visión que va hacia abajo y hacia el noroeste.

Por lo tanto, los datos son sensible a los movimientos Arriba-Abajo o Noroeste-Sureste

Los datos no son sensibles a movimientos en dirección Noreste-Suroeste

¿Por qué DAMSAT no realiza mediciones en todas partes?


InSAR en zonas con vegetación


Árboles y plantas se mueven con patrones aleatorios Mediciones de los cambios de fase poseen un componente aleatorio. Por lo tanto, InSAR usualmente produce resultados con “ruido” sobre zonas con vegetación. Resulta imposible medir el desplazamiento del terreno en estas zonas.

¿Qué tipo de superficie arroja una señal clara?


© Google

© Google © Google

© Google

Zona residencial

bosques

Zona industrial

Terreno limpio

© Google Agua


El algoritmo utilizado en DAMSAT está diseñado para eliminar automáticamente píxeles no fidedignos Por esta razón DAMSAT no arroja resultados en todas las zonas y los resultados muestran puntos separados Por este mismo motivo existen algunas áreas que poseen muchos puntos y otras áreas con pocos

¿Por qué DAMSAT no realiza mediciones en todas partes?

Temas avanzados de InSAR


Fuentes adicionales de error


El procesamiento de InSAR ha de ser diseñado para minimizar las siguientes fuentes de error: Cambios en la órbita satelital causa señales con frencuencia de ondas muy largas Cambios en la atmósfera

genera señales sin haber habido ningún movimiento

Modelos de elevación incorrectos causa señales en la ubicación donde el modelo está errado

Desenrollando errores Ocasiona discontinuidades

Adicionales fuentes de error


© N

ASA/

JPL-

Calte

ch/A

RIA

El procesamiento de InSAR ha de ser diseñado para minimizar estas fuentes de error: Cambios en órbita satelital causa señales con frencuencia de ondas muy largas Cambios en la atmósfera


Modelos de elevación incorrectos causan señales en la ubicación donde el modelo está errado


Adicionales fuentes de error


El procesamiento de InSAR ha de ser diseñado para minimizar estas fuentes de error: Cambios en órbita satelital causa señales que poseen frencuencia de ondas muy largas Cambios en la atmósfera


Modelos de elevación incorrectos causan señales en la ubicación donde el modelo está errado


Series temporales


InSAR diferencial utiliza dos imágenes para crear un interferograma. Si se combinan varios interferogramas se puede medir desplazamientos temporales


Procesar varios interferogramas simultáneamente permite hacer uso de métodos avanzados de procesamiento para medir el desplazamiento de manera más precisa.

InSAR diferencial utiliza dos imágenes para crear un interferograma. Si se combinan varios interferogramas se puede medir desplazamientos temporales

Series temporales

Series temporales


30 o más imágenes son necesarias para procesar series temporales

Los datos han de ser recolectados para la zona en estudio con meses de anticipación

Para Sentinel-1 se requiere por lo menos 1 año

Para COSMO-SkyMed se requieren por lo menos 10 meses

Procesamiento de InSAR


El procesamiento de datos InSAR requiere software especializado.

Muchos algoritmos diferentes han sido desarrollado para el procesamiento de series temporales.

Algunas organizaciones tienen su propio software y algoritmos. Por ejemplo la alta resolución InSAR en DAMSAT es procesado a través del algoritmo PSP-IFSAR desarrollados por eGEOS

La baja resolución InSAR en DAMSAT utiliza código de acceso gratuito llamado StaMPS.

Los parámetros y algoritmos son usualmente ajustados por los científicos de InSAR para obtener los mejores resultados para cada situación.

Ejemplo de procesamiento InSAR


Aplicar datos de órbita

Unir y dividir

Reformatear datos de elevación

Corregistrar

Crear interferograma

Eliminar fase topográfica

Selección de puntos preliminares

Estimación de ruido

Mejorar selección de puntos

Desenrollar

Eliminar errores – topográficos, orbitales,

(atmosféricos)

Datos SAR

metadata

Datos de la órbita

Datos de elevación

metadata

interferogramas

mostrar

Generación Interferograma

Procesamiento de series temporales

Desafíos para automatizar InSAR


Volúmenes de datos grandes

Tradicionalmente un analista ajusta el procesamiento de datos al caso particular

Tradicionalmente un analista revisaría los resultados para identificar errores

Difícil de cuantiticar incertidumbres

Interpretación de los resultados de InSAR require conocimientos sobre la técnica

Disponibilidad de datos InSAR

• Durante la última década ha habido un incremento en el número de satélites que pueden ser utilizados para InSAR

• Los satélites poseen distinta: • Resolución espacial • Cobertura espacial • Tiempo de revisita • Longitud de onda • Política de acceso de datos • Precio


Elliott et al. 2016 https://doi.org/10.1038/ncomms13844

Comparación de satélites con capacidad InSAR


Sentinel-1 COSMO-SkyMed

Operador Agencia Espacial Europea Agencia Espacial Italiana

Resolución espacial*

Típico: 5 x 20 m Mejor: 4 x 5 m

Típico: 5 m Mejor: 1 m

Tiempo de revisita 12 días en Perú 6 días en Europa

Poco consistente Puede ser < 1 día

Longitud de Onda 5.5 cm 3.1 cm

Acceso de datos Disponible en línea para todo el mundo. Libre de costo

Debe ser adquirido a través de e-GEOs, excepto en casos donde

se apruebe una solicitud para investigación académica

* Los satélites pueden operar de modos diferentes los cuales tienen distintas resoluciones y cobertura de área


Los datos de COSMO-SkyMed poseen una mayor resolución que los datos de Sentinel-1


Sentinel-1


La alta resolución de los resultados del COSMO-SkyMed muestra detalles importantes acerca de los patrones de desplazamiento del terreno que los resultados del Sentinel-1 no son capaces de mostrar



El procesamiento de algoritmos utilizado también puede afectar la apariencia de los resultados. Por ejemplo, algunos aplican “suavizado”:


Resumen

• La técnica satélital InSAR puede ser utilizada para medir el desplazamiento del terreno

• Funciona mediante la comparación de imágenes tomadas en diferentes tiempos para estimar el cambio de distancia entre el satélite y el terreno

• Existen varias pasos involucrados en el procesamiento de InSAR. El proceso ha de ser diseñado para minimizar los errores causados por los cambios en la órbita satelital, cambios atmosféricos, etc

• InSAR posee una gran cantidad de aplicaciones, incluyendo infraestructura, desastres naturales, extracción de agua, entre otros.

• Más y mejores datos InSAR están siendo disponibles


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