InSAR en SRTM

Interferometric SAR (InSAR)

Interferometric SAR is een methode waarbij twee SAR beelden, genomen met een tijdsverschil en/of vanuit een andere kijkhoek, worden gebruikt om hoogte of bewegingsinformatie van het aardoppervlak af te leiden. Twee SAR-beelden kunnen extra informatie verstrekken door ze met elkaar te vergelijken. Zo kunnen bijvoorbeeld deformaties ten gevolge van aardbevingen of bodemdaling duidelijk in kaart worden gebracht. Toepassingen zijn te vinden in onderzoek bij bijvoorbeeld aardbevingen, bodemdaling en dijkmonitoring, zeestromingen, en gletsjers.

Bij radar (SAR) is de amplitude van het signaal van belang, maar bij InSAR is de fase van het signaal van belang en worden de faseverschillen van de radarsignalen gemeten. Omdat radar met golflengtes werkt van enkele centimeters, is het mogelijk om faseverschillen weer te geven. Om de totale verplaatsing (bijvoorbeeld bij een aardbeving) vast te stellen zal vanaf een stabiel gebied het aantal golflengten moeten worden geteld + het faseverschil.

(Along-track en Differential) InSAR werkt als volgt: twee radarsatellieten sturen op verschillende tijdstippen golven naar hetzelfde punt op de grond. Als de bodem zich in de tussentijd heeft bewogen, zal het radarsignaal met een faseverschil terugkomen. Als de lengte van de golf van het radarsignaal bekend is, is het mogelijk om de precieze hoeveelheid bodembeweging te berekenen.

Of de twee SAR-beelden worden genomen vanuit een andere positie of met een tijdsverschil bepaalt de soort interferometer dat wordt verkregen. Bij geen tijdsverschil maar wel een andere kijkhoek wordt alleen de hoogte gemeten. Als de kijkhoek nagenoeg hetzelfde is, maar de twee beelden worden met een bepaald tijdsverschil genomen, dan wordt alleen de beweging gemeten.

Enkele van de meest voorkomende vormen van InSAR zijn:

Across-track Interferometrie

Bij de across-track methode worden met twee satellietsensoren tegelijkertijd maar vanuit een andere kijkhoek twee SAR-beelden genomen, waarbij de twee satellietensensoren zich evenwijdig aan elkaar verplaatsen. Hun onderlinge posities verschillen in een lijn haaks op de richting waarin de satelliet zich beweegt, ofwel de ‘across-track’ richting. De beelden kunnen worden gebruikt om de hoogte van het aardoppervlak te berekenen, doordat ze als het ware diepte ‘zien’ doordat de twee sensoren (in stereo) vanuit verschillende kijkhoeken naar het aardoppervlak te kijken. Deze methode wordt daarom ook voornamelijk gebruikt voor topografische informatie.

Shuttle Radar Topography Mission (SRTM)

Een voorbeeld van een across-track missie is de Shuttle Radar Topography Mission (SRTM). Dit is een shuttle-missie van 11 dagen, uitgevoerd in 2000. Een zeer nauwkeurige Digital Elevation Model (DEM) van de aarde is gemaakt met behulp van de SRTM op basis van SAR-beelden. Aan een normale Shuttle (Endeavour) werd een 60 meter lange mast gemaakt met een extra radar aan boord (zie plaatje). Door middel van fotogrammetrische technieken werden beide radarbeelden verwerkt tot een DEM.

De Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) [NASA].

Along-track Interferometrie

Bij Along-track Synthetic Aperture Radar interferometrie worden twee SAR-beelden, net als bij across-track InSAR vanuit een andere kijkhoek genomen, maar hier wordt gebruik gemaakt van twee afzonderlijke radarantennes opgesteld in de lengterichting van de satellietbaan, ofwel de ‘along-track’ richting. Dit kan worden bereikt als de twee satellieten achtereenvolgens met een korte interval, in de orde van microseconden tot seconden, afbeeldingen van hetzelfde gebied nemen. Dit biedt geheel nieuwe mogelijkheden: het meten van de snelheid van de bewegende objecten. Als het doel blijft stilstaan tussen de opnamen, zijn de twee datasets idealiter identiek en is de interferometrische fase nul. Echter, enig relatieve verschuiving van de ligging van de doelen tussen de twee beelden zal resulteren in een interferometrische fase die niet nul is. De along-track interferometrische methode wordt meestal gebruikt bij het opsporen van relatief snelle beweging, zoals zeestromingen, drift van zeeijs, bewegende doelen (voertuigen, schepen). Het levert een directe meting van de snelheid (naar de radar toe of er van af) en wordt met name gebruikt in de oceanografie, glaciologie en monitoring van het verkeer.

Een voorbeeld van een missie die along-track InSAR kan gebruiken is de TanDEM-X-missie, zie afbeelding hieronder.

Along-track interferometry modes op de TanDEM-X satelliet [DLR]

Differental Interferometry (D-InSAR) of ‘Repeat-pass’

Differential interferometry is de methode waarbij SAR-beelden worden gebruikt met een tijdsverschil in de orde van dagen tot jaren. Het tweede SAR-beeld wordt hierbij met dezelfde satellietsensor opgenomen tijdens een latere omwenteling om de aarde, een ‘repeat-pass’. Als twee acquisities op verschillende tijdstippen zijn gedaan vanuit hetzelfde standpunt, dan hangt de fase van de interferogram alleen af van de verandering in topografie tussen de tijdstippen van acquisitie. Dit kan worden gebruikt voor lange termijn monitoring van geodynamische fenomenen, waarbij het doelwit op een relatief traag tempo van positie verandert. Bij een tijdsverschil van enkele dagen kan het worden gebruikt om bewegingen van gletsjers, ijsrivieren, ijsschotsen en lavastromen te observeren en in kaart te brengen. Als het tijdsverschil in dagen tot jaren wordt gemeten, kan het een zeer nuttige zijn voor het observeren van verzakkingen (bijvoorbeeld door olie- en gaswinning), seismische gebeurtenissen zoals aardbevingen, vulkanische activiteit, of verplaatsing van de aardkorst. Een eerste interferogram wordt aangemaakt die de topografie bepaald voordat de bodembeweging zich voordoet, en een tweede interferogram wordt gemaakt die topografie na de gebeurtenis vastlegt. Door het ene interferogram af te trekken van de andere, heffen topografische elementen die op beide interferogrammen zichtbaar zijn elkaar op, zodat de overgebleven verschillen in topografie een verplaatsing van het aardoppervlak moeten voorstellen.

Principe van repeat-pass InSAR [Stanford University].

ESA heeft heeft een booklet uitgegeven over dit onderwerp.

Envisat ASAR interferogram-beeld van de Keniaanse sectie van de Great Rift Valley [ESA]

Deze Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar interferogram van de Keniaanse sectie van de Great Rift Valley laat kleine oppervlakteverplaatsingen van de Longonot vulkaan (rechts, voor) zien die niet met het blote oog waarneembaar zijn. Op de achtergrond is de Suswa vulkaan, die in deze periode niet is gedeformeerd. Een groep wetenschappers ontdekte, door SAR Interferometrie (InSAR) te gebruiken, dat tussen 1997 en 2000 de vulkanen Suswa en Menengai (niet zichtbaar) 2 – 5 cm zijn ingezakt, en dat tussen 2004 en 2006 de Longonot vulkaan ongeveer 9 cm omhoog is gestuwd (afbeelding).

Interferogram beelden verschijnen als interferentiepatronen in de kleuren van de regenboog. Een complete set van gekleurde banden stelt de bodembeweging ten opzichte van de satelliet voor van een halve golflengte, 2.8 cm in het geval van de Envisat's ASAR.