▲
SLO ENG
Pozdravljeni, prijavite se. eINŽENIR
IZS > INŽ.BLOG > Uporaba radarske interferometrije pri spremljanju premikov tal

INŽ.BLOG

Uporaba radarske interferometrije pri spremljanju premikov tal

Uvod
Zemeljsko površje je v stalnem gibanju, ki ga povzročajo tako naravni pojavi (tektonika, vulkanizem in zemeljski plazovi) kot tudi človeške dejavnosti (črpanje podtalnice, rudarjenje in infrastrukturni posegi). Premiki zemeljskega površja lahko negativno vplivajo na okolje, infrastrukturo in gospodarstvo. Ena izmed najbolj zahtevnih in kompleksnih nalog v geodetski stroki je identifikacija in analiza teh premikov in deformacij naravnih ter antropogenih objektov. Ključno je redno izvajanje meritev oziroma učinkovito spremljanje nenadzorovanih premikov tal, da bi preprečili ali zmanjšali njihove posledice. Te se pogosto pokažejo šele po več letih, kar še posebej izpostavlja pomen pravočasnega in natančnega spremljanja premikov.

Od satelitskih posnetkov do uporabnih podatkov
V zadnjih nekaj letih je vse večja ozaveščenost o možnih tveganjih, povezanih z gibanjem tal, povzročila povpraševanje po celovitih in zanesljivih informacijah o pomikih (EGMS, 2024a). Posledično so se pojavile potrebe po sodobnejših in naprednejših tehnologijah, s katerimi bi lahko pridobili natančnejše in obsežnejše podatke o premikih tal. Visokoločljive podatke o zemeljskem površju zagotavljajo tehnike, ki obdelujejo radarske satelitske posnetke. V prvi vrsti je to radarska interferometrija (angl. Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR), učinkovito spremljanje premikov zemeljskega površja pa omogoča diferencialna interferometrija (angl. Differential Interferometry, DInSAR), s katero lahko dosežemo tudi milimetrsko natančnost izmerjenih premikov (Oštir, 2006). Ena od nadgradenj tehnike DInSAR je radarska interferometrija s stalnimi sipalci (angl. Persistent Scatterer Interferometry, PSInSAR), ki je postala še posebej uporabna v okviru programa Copernicus oziroma Evropske storitve za premike tal (angl. European Ground Motion Service, EGMS). EGMS je storitev za podajanje zanesljivih informacij o premikih tal na evropski ravni. Omogoča redno in natančno spremljanje tako naravnih kot antropogenih pojavov gibanja površja, kar je ključno za dolgoročno prostorsko načrtovanje in zaščito infrastrukture ter okolja (EGMS, 2024a).

Kaj so InSAR, DInSAR, PSInSAR?
InSAR je tehnika, ki kombinira dve ali več radarskih podob, iz katerih ustvari interferogram. Ta prikazuje fazno razliko v radarskem signalu med obema radarskima posnetkoma. Iz parov satelitskih posnetkov istega območja tako pridobimo kakovostne podatke o zemeljskem površju. Tehnologija InSAR je sposobna izredno natančno izmeriti deformacije tal z uporabo podatkov satelitov, ki krožijo na stotine kilometrov visoko v vesolju. Zaznavanje premikov na ravni nekaj milimetrov iz vesolja se zdi kot znanstvena fantastika, vendar je to v praksi izvedljivo in delujoče (ESA, 2024a; Fernandez-Landa, 2024).

Slika 1: Interferogram potresa Landers v Kaliforniji leta 1992 – vir: Guerrieri in sod., 2013.

Interferometrična obdelava InSAR meri spremembo faze radarskega signala med dvema posnetkoma, pridobljenima na istem območju ob različnih časih. Ko/če se točka na tleh premakne, se spremeni razdalja med senzorjem in to točko, posledično pa se spremeni tudi fazna vrednost, ki jo senzor zabeleži (TRE ALTMIRA, 2024).

InSAR je splošen izraz za kombiniranje radarskih posnetkov in uporablja podobe dveh datumov, medtem ko se DInSAR nanaša na tehnike, ki uporabljajo dolge časovne serije posnetkov (Fernandez-Landa, 2024). DInSAR temelji na uporabi najmanj treh radarskih posnetkov, iz katerih generira dva interferograma, iz njiju pa diferencialni interferogram. Sposobnost DInSAR je natančno določanje majhnih relativnih premikov (Oštir, 2006).

Še naprednejši pristop PSInSAR uporablja veliko število interferogramov, razporejenih v določenem časovnem obdobju, za identifikacijo stalnih sipalcev (angl. Persistent Scatterers, sipalci). To so točke, ki kažejo zanesljiv in stabilen mehanizem povratnega sipanja mikorvalov v danem časovnem obdobju oziroma ne spreminjajo svojih lastnosti. V njih se opazujejo premiki v več zaporednih letih. Sipalci so tudi tiste točke, ki jih najdemo na več radarskih posnetkih. Tehnika PSInSAR torej temelji na prepoznavanju velikega števila odbojev s teh točk in ta opazovanja uporabi za oceno premikov tal čez čas (Oštir, 2006; Sancho, 2024).


Slika 2: Princip InSAR – vir: TRE ALTMIRA, 2024; prirejeno.Slika 3: Princip PSInSAR – vir: TRE ALTMIRA, 2024.

Spletni portal EGMS
EGMS je storitev programa Evropske unije (EU) za opazovanje Zemlje – Copernicus, ki jo izvaja Evropska agencija za okolje (angl. European Environment Agency, EEA). Namenjena je zagotavljanju rednih, standardiziranih in zanesljivih informacij o naravnih in antropogenih pojavih gibanja tal z milimetrsko natančnostjo. Podatke dobimo za 10 milijard lokacij v 30 evropskih državah, ki so vključene v program (to je 27 držav članic EU, Združeno kraljestvo, Norveška in Islandija) (Copernicus, 2020). EGMS zajema premike tal v celinskem merilu. Podatki so brezplačni in dostopni vsem uporabnikom preko portala EGMS (angl. EGMS Explorer). To je spletni, popolnoma trirazsežni kartografski strežnik, na katerem so prikazane vse merilne lokacije z njihovimi vrednostmi. Uporabnik ima možnost uporabe orodij za vizualizacijo in interaktivno raziskovanje podatkov, dodajanje lastnih slojev (v obliki WMS), lahko primerja zgodovino gibanja, dodana pa je tudi možnost prenosa podatkov (EEA, 2022).

Slika 4: Vstopna stran portala EGMS – vir: EGMS, 2024b.

EGMS temelji na uporabi radarskih podatkov satelitov konstelacije Sentinel-1. Za vzpostavitev je bilo uporabljenih 150.000 posnetkov ločljivosti 5 × 20 m. Informacije o gibanju tal so izpeljane iz analiz časovnih vrst podatkov Sentinel-1 z uporabo tehnike PSInSAR, kot dopolnitev drugih opazovanj. EGMS distribuira tri ravni produktov glede na potrebe uporabnikov: osnovni, kalibrirani in orto produkti. Podatki se posodabljajo vsako leto, kar omogoča sprotno spremljanje sprememb na terenu in infrastrukturi (EEA, 2022). Osnovni produkti (angl. Basic Products) prikazujejo relativne premike tal med referenčno točko in zadevno točko vzdolž smeri gledanja satelita (LOS). Kalibrirani produkti (angl. Calibrated Products) so osnovni produkti združeni z modelom hitrosti premikov, ki je bil ustvarjen na podlagi GNSS-omrežja v Evropi in postavljen v geodetski referenčni okvir. Premiki so absolutni in poenostavljajo vsako integracijo z drugimi geoprostorskimi podatki ter so lažje razumljivi uporabniku. Osnovni in kalibrirani produkti so na voljo ločeno po posameznih tirnicah (spuščajočih in dvigajočih). Orto-produkti (angl. Ortho Products) so prvi vidni produkti na EGMS-portalu. Ustvarjeni so na podlagi celotne časovne vrste podatkov Sentinel-1 za vse razpoložljive orbite. Prikazani so na dveh slojih – navpični premiki (Ortho Vertical) in premiki v smeri vzhod-zahod (Ortho East/West). Oba sloja sta prevzorčena na mrežo 100 m, tako da je končna ločljivost produkta 100 × 100 m. Sloja sta vizualizirana kot vektorski prikaz merskih točk, barvno kodiranih s povprečno hitrostjo gibanja. Vsaka točka je povezana s časovno vrsto premikov oziroma z grafom z vrednosti premikov (EGMS, 2024a).

Slika 5: Prostorska razporeditev in gostota sipalcev na portalu EGMS za osnovne in kalibrirane produkte (levo) in orto-produkte (desno) na območju Velenjske kotline – vir: EGMS, 2024b.
Slika 6: Primer prikaza rezultatov za izbrano točko – vir: EGMS, 2024b.

Področja uporabe
Podatki InSAR in EGMS so uporabni za nekatera naslednja ključna področja (EGMS, 2024a):

  • gradbeništvo (spremljanje stabilnosti gradenj),
  • energetika (kartiranje posedanja na mestih pridobivanja in okoli njih, spremljanje stabilnosti proizvodnih obratov),
  • naravne nesreče (zemeljski plazovi in posedanje tal),
  • seizmika in tektonika (tektonski premiki in vulkanska aktivnost),
  • rudarstvo (odprti in zapuščeni rudniki, odlagališča),
  • prostorsko načrtovanje (sprejemanje odločitev o umeščanju nove infrastrukture v prostor).

V okviru magistrske naloge smo EGMS podatke primerjali z lastno interferometrično obdelavo na dveh območjih v Sloveniji – v Velenjski kotlini in na Ljubljanskem barju. Pokazalo se je, da so ti podatki uporabni za spremljanja posedanja tal zaradi rudarjenja in črpanja podtalnice (Šopar, 2025).

Zaključek
Podatki EGMS lahko v praksi uspešno dopolnjujejo klasične geodetske metode in so primerni za spremljanje dolgoročnih trendov premikov. Samostojna interferometrična obdelava radarskih podatkov je zahtevna – obdelava velikega števila satelitskih posnetkov je lahko časovno potratna, zahteva drago programsko in zmogljivo računalniško opremo. V nasprotju EGMS ponuja že vnaprej obdelane in standardizirane podatke o gibanju tal, ki so hitro dostopni in primerni za osnovne prikaze ter analize. Posebna prednost portala je, da lahko že pred začetkom podrobnega monitoringa ali načrtovanja preverimo splošno stabilnost območja. Ko identificiramo stabilna in nestabilna območja, lahko na podlagi tega premišljeno izberemo lokacije za merske stebre in kontrolne točke na terenu ali objektu. Podatki EGMS služijo tudi za povečanje gostote merskih točk, saj dopolnijo terenske meritve tam, kjer jih je težko ali predrago izvesti. Tako je mogoče doseči boljše prostorsko načrtovanje, učinkovitejšo zaščito infrastrukture in pravočasno prepoznavanje tveganj.

Uporabne povezave:

Pripravila: Sara Šopar, mag. inž. geod. geoinf.



VIRI:

Nazaj