Przetwarzanie danych radarowych SAR na potrzeby serwisu o deformacjach powierzchni terenu jest prowadzone metodą satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR). Interferometria SAR (InSAR) to technika służąca do uzyskiwania informacji dotyczących względnych danych wysokościowych. Wykorzystuje ona różnice fazy sygnałów radarowych pochodzących z dwóch obserwacji mikrofalowych typu SAR (Synthetic Aperture Radar) tego samego obszaru. Tradycyjna technika InSAR opiera się na wykorzystaniu interferogramów tj. rastrowych zbiorów przedstawiających różnice fazy pomiędzy dwoma rejestracjami SAR. Pomiar deformacji dokonywany jest w technice Differential InSAR (DInSAR), w której od interferogramu odejmuje się topografię terenu od składowych fazy. Podsumowując, DInSAR wykorzystuje rejestracje SAR wykonywane sekwencyjnie za pomocą jednej anteny SAR w czasie kolejnych przelotów satelity nad tym samym obszarem.
Największe ograniczenia metody InSAR wiążą się z dekorelacją czasową między zdjęciami SAR (stopniową utratą koherencji w czasie), która związana jest ze zmianami właściwości elektromagnetycznych lub pozycją rozpraszacza wewnątrz komórki rozdzielczości (Cattabeni, 1994; Villasenor and Zebker, 1992). Kolejnym ograniczeniem metody InSAR jest występowanie tzw. artefaktów atmosferycznych. Zróżnicowana zawartość pary wodnej w troposferze, a także jej turbulentny charakter są źródłem dodatkowej składowej fazowej sygnału nazywanej atmosferycznym obrazem fazy (Atmospheric Phase Screen APS). W przypadku pojedynczego lub jedynie kilku interferogramów dla danego obszaru efekty atmosferyczne są bardzo trudne lub wręcz niemożliwe do usunięcia, stąd uzyskiwane dokładności pomiarowe są często dużo niższe od oczekiwanych. Z powodu wymienionych ograniczeń praktyczne użycie metody InSAR jest w większości przypadków zredukowane do danych o małym czasie między kolejnymi akwizycjami satelity nad tym samym obszarem (mała baza czasowa), przypadków badania zjawisk o dużych przyrostach deformacji zachodzących w czasie pomiędzy kolejnymi rejestracjami, badania obszarów pozbawionych roślinności, a także gdy oba obrazy użyte do konstrukcji interferogramu zostały zarejestrowane w tych samych bądź bardzo zbliżonych warunkach atmosferycznych.
Ominięcie podstawowych ograniczeń metody InSAR i jej rozwinięcie w kierunku analiz szeregów czasowych (MTI – Multi Temporal InSAR) okazało się możliwe dzięki zastosowaniu metod punktowych, opartych na selekcji pikseli zachowujących koherencję w czasie. Charakteryzują je różne strategie przetwarzania i selekcji koherentnych pikseli. Pierwsza opracowana i wdrożonona w praktyce metoda analiz wieloczasowych SAR to metoda PSI (Persistent Scattetres SAR interferometry) została opracowana w końcu lat ’90 XX wieku przez zespół POLIMI z Politechniki w Mediolanie (Ferretti, 1999), wykorzystująca właściwości rozpraszaczy stabilnych (PS). Główną ideą metody PSI jest dekompozycja serii interferometrycznych obserwacji fazowych na trzy podstawowe składowe: deformacji, wysokości względnej i APS dla pikseli spełniających warunek PS. Podstawowym warunkiem prawidłowego przeprowadzenia dekompozycji sygnału jest odpowiednia liczba obserwacji, stąd wymaganie co najmniej 20 interferogramów (Rys. 2).
Kolejne rozwinięcia metody wykorzystują koherencję; metoda StaMPS (Hooper, 2004) oraz wykorzystanie interferogramów o krótkich bazach, metoda SBAS (Berardino, 2002). Metoda SBAS (Small Baseline Subsets) wykorzystuje wszystkie najkorzystniejsze kombinacje interferometryczne w obrębie serii (Rys. 3). Ma to na celu obliczenie serii interferogramów w taki sposób by miały one jak najwyższą koherencję.
Rys. 2. Wykresy odległości bazowych w stosunku do baz czasowych dla par interferometrycznych tego samego zestawu danych. Niebieskie linie pokazują w jaki sposób tworzy się pary interferometryczne w metodzie a) PSI i b) SBAS (Hooper, 2012)
Ze specyfiki obrazowania mikrofalowego SAR wynika, że wartość zarejestrowanego sygnału jest koherentną sumą odbić od obiektów elementarnych znajdujących się wewnątrz komórki rozdzielczości (resolution cell). Moc odebranego sygnału zależy od nachylenia powierzchni odbijającej w stosunku do kąta padania fali radarowej, właściwości dielektrycznych powierzchni oraz jej szorstkości. W zależności od rodzaju pokrycia terenu tylko część sygnału ulegającego rozproszeniu zostaje odbita w stronę anteny SAR. Ten typ rozproszenia nazywamy rozproszeniem wstecznym (backscattering). Jeśli w obrębie komórki rozdzielczości występuje element charakteryzujący się bardzo wysokim rozpraszaniem wstecznym to właśnie jego amplituda będzie sygnałem dominującym dla wartości piksela. Dla obiektów tego typu obie składowe sygnału: faza i amplituda wykazują bardzo wysoką stabilność w czasie (dla kolejnych obserwacji). Obiekty takie, dzięki swoim właściwościom, nazywane są obiektami koherentnymi (coherent targets), rozpraszaczami koherentnymi (coherent scatterers) albo rozpraszaczami stabilnymi (PS: persistent scatterers, permanent scatterers). Rozpraszacze stabilne wykorzystuje się w satelitarnej interferometrii radarowej (InSAR) w metodzie interferometrii rozpraszaczy stabilnych (PSI). Rozpraszacze stabilne to obiekty charakteryzujące się silnym rozpraszaniem wstecznym, które jest dominującym sygnałem dla danej komórki rozdzielczości. Obiekty takie można scharakteryzować za pomocą wysokich wartości tzw. radarowego przekroju skutecznego RCS (Radar Cross Section). Najogólniej mówiąc RCS danego obiektu jest to ekwiwalent płaskiej powierzchni izotropowo odbijającej fale elektromagnetyczne, jaka byłaby potrzebna do odbicia tej samej mocy sygnału (Henderson and Lewis, 1998). Na obszarach zurbanizowanych mamy do czynienia z grupami obiektów zbudowanych z płaskich, gładkich powierzchni o różnym nachyleniu takimi jak ściany czy dachy budynków o niejednokrotnie wysokiej stałej dielektrycznej (powierzchnie metalowe). Oprócz obiektów, które działają jak rozpraszacze stabilne, istnieje możliwość celowego instalowania urządzeń zapewniających odbicie sygnału radarowego w żądany sposób. Obiekty takie nazywamy reflektorami radarowymi. Stosuje się je w dwóch podstawowych przypadkach:
-
Dla uzupełnienia sieci naturalnych stabilnych rozpraszaczy. Reflektory instaluje się wówczas w miejscach pozbawionych infrastruktury bądź wychodni skalnych – na obszarach upraw rolnych bądź nieużytków.
-
Dla walidacji wyników. Reflektor radarowy jest jedynym obiektem, gdzie interferometryczny pomiar deformacji można bezpośrednio odnieść do wyników pomiarów geodezyjnych. Reflektor radarowy ma ściśle zdefiniowane fizyczne centrum fazowe, które można zmierzyć metodami geodezyjnymi (za pomocą niwelacji precyzyjnej czy GNSS). Pomiar taki zapewnia absolutną integrację pomiarów interferometrycznych z pomiarami geodezyjnymi i geodezyjnym układem odniesienia.
- Rozpraszacz powierzchniowy (surface scatterer),
- Rozpraszacz dwuścienny (dihedral scatterer),
- Rozpraszacz trójścienny (trihedral scatterer).
Rys. 3. Z lewej – reflektor dla pomiarów sygnałów z satelity TerraSAR-X (poligon Berejów). Fot. Perski Z., z prawej – reflektor dla pomiarów sygnałów z satelity Sentinel-1 (poligon Berejów). Fot. Perski Z.
Rys. 4. Z lewej – wygląd ogólny reflektora na osuwisku w Szymbarku. Fot. Perski Z., z prawej – reflektor radarowy poligonu Wapno i jego podstawowe elementy
W latach 2017-2019 zainstalowano 30 reflektorów na terenie 6 osuwisk w Karpatach w ramach projektu SOPO. Są to również reflektory o zdwojonej konstrukcji skonstruowane z myślą o pomiarach z użyciem danych Sentinel-1 (Rys. 8 i 9). W roku 2020 zdemontowano reflektory na poligonach Berejów, Babiak i Lewino.
