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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?
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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/
¿Para qué se usa InSAR?
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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.
¿Para qué se usa InSAR?
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
¿Para qué se usa InSAR?
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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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)
¿Para qué se usa InSAR?
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Fase (ϕ)
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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)
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
ϕ 0 180 360
0o
90o 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)
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
ϕ 0 180 360
0 180 0 180 0 180 360ϕ
0o
90o 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
SAR = Radar de Apertura Sintética (por sus siglas en inglés)
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Satélite emite radiación en forma de microondas
SAR = Radar de Apertura Sintética (por sus siglas en inglés)
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
…y mide la cantidad de microondas que regresan (“rebotan”) al satélite.
Satélite emite radiación en forma de microondas
Imágenes SAR
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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)
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
InSAR
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Toma la primera imagen
El terreno se mueve
Toma la segunda imagen
InSAR
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Imagen 1 amplitud Imagen 1 fase
Imagen 2 amplitud Imagen 2 fase
Imagen 2 fase - Imagen 1 fase
Un problema- ambigüedad
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
-180o
0
+180o
La solución para la ambigüedad es desenrrollar:
Dife
renc
ia e
ntre
fase
Ainscoe et al. 2017 https://doi.org/10.1002/2017JB014268
Solución - desenrrollar
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
-180o
0
+180o
+10 0 -10 cm
Dife
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La solución para la ambigüedad es desenrrollar:
Ainscoe et al. 2017 https://doi.org/10.1002/2017JB014268
Resumen hasta ahora
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
La línea de visión
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
InSAR en zonas con vegetación
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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?
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
© Google © Google
Zona residencial
bosques
Zona industrial
Terreno limpio
© Google Agua
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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?
Fuentes adicionales de error
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
© 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
genera señales sin haber habido ningún movimiento
Modelos de elevación incorrectos causan señales en la ubicación donde el modelo está errado
Desenrollando errores Ocasiona discontinuidades
Adicionales fuentes de error
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
genera señales sin haber habido ningún movimiento
Modelos de elevación incorrectos causan señales en la ubicación donde el modelo está errado
Desenrollando errores Ocasiona discontinuidades
Series temporales
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
InSAR diferencial utiliza dos imágenes para crear un interferograma. Si se combinan varios interferogramas se puede medir desplazamientos temporales
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Elliott et al. 2016 https://doi.org/10.1038/ncomms13844
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Elliott et al. 2016 https://doi.org/10.1038/ncomms13844
Comparación de satélites con capacidad InSAR
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
Comparación de satélites con capacidad InSAR
Los datos de COSMO-SkyMed poseen una mayor resolución que los datos de Sentinel-1
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Sentinel-1
Comparación de satélites con capacidad InSAR
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
Comparación de satélites con capacidad InSAR
El procesamiento de algoritmos utilizado también puede afectar la apariencia de los resultados. Por ejemplo, algunos aplican “suavizado”:
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima
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
26/08/2019 Curso DAMSAT - Lima