Mikrohullámú távérzékelt adatok integrálása a felszínvizsgálatokba (3. rész)
(Rovat: Földmérési és Távérzékelési Int., Nyereség az országnak - 2009.05.10 08:00.)

Sorozatunk befejező részében a műholdradaros felszínmozgás-vizsgálatok egyik hazai alkalmazását mutatjuk be.

Magyarország esetében a jelenkori függőleges felszínmozgás már több alkalommal bemutatásra került (pl. a Geodézia és Kartográfia hasábjain), a vízszintes kéregmozgást pedig GPS mérések alapján határozzák meg.

Magyarországon a függőleges mozgásvizsgálatok ismételt szintezések alapján készültek, melyek közül az első (Bendefy-féle szintezés) 1949-67 között, míg a második (0-ad rendű szintezés) 1975-79 között zajlott. Így az átfogott időtartam 13-27 évnek adódik. Kézenfekvő a kérdés: az azóta eltelt idő alatt módosult-e a függőleges felszínmozgás? Ennek megválaszolásában siet segítségünkre az űrtechnika, jelen esetben lokális szinten. Helyszínnek Debrecent választottam: a helyi mozgásvizsgálati programhoz csatlakoztam, és a süllyedést vizsgáltam műholdas radar-interferometria használatával.

A módszer magyarországi alkalmazhatósági vizsgálatára 2003-ban kutatási munkacsoportot alakítottunk a Földmérési és Távérzékelési Intézeten (FÖMI) belül Dr. Grenerczy Gyula (Kozmikus Geodéziai Obszervatórium, KGO) vezetésével, így a KGO és a Távérzékelési központ (TK) tapasztalatait is egyesíteni tudtuk.

1. ábra: A debreceni süllyedés (20 000-szeres magasságtorzítással).

Az 1. ábrán az 1:500 000 méretarányú sebességtérképből Debrecen környékére készített süllyedésmodellre egy optikai űrfelvételt feszítettem, hogy segítsen a megfelelő felvételezési helyzetű űrfelvételek kiválasztásában.

A differenciális interferometria hazai megvalósítása

Alapos tájékozódás után a DEOS (Delft Institute for Earth-Oriented Space Research, Delft University of Technology) Doris (Delft Object-oriented Radar Interferometric Software) nevű, kutatási célra szabad felhasználású feldolgozó szoftverét választottam (Linux operációs rendszerben). Az előkészítésben és kiértékelésben a FÖMI TK-ban meglévő térinformatikai szoftvereket (ERDAS Imagine, ESRI ArcInfo / ArcView) használtam.

Az ERS-2 műhold giroszkópjainak egymás utáni meghibásodása miatt 2000 februárja után már nem minden felvétel alkalmas interferométeres kép készítésre. 2001 januárjában az utolsó giroszkóp is leállt (a műhold úgynevezett „Zero Gyro” módban működik), az azóta eltelt időben gyakorlatilag nem készült interferometriára használható ERS-2 felvétel. Ennek megfelelően 2001 januárjában kell meghúzni a vizsgált időszak végét.

A deformációk interferométeres feldolgozása az alábbi lépésekből áll:

• képpár előkészítése
• a radarképek fedésbe hozása
• interferogram és koherencia generálása
• a fáziskép szűrése
• topografikus korrekció
• geokódolás

A képek előkészítése során kiválasztjuk a vizsgált területet, meghatározzuk az űrfelvételhez tartozó pontos pályát, és a nyers adatokból kivágatokat készítünk a feldolgozó szoftver (Doris) formátumában. A fedésbe hozás első lépéseként a pontos pályaadatok alapján közelítő egyezésbe kell kerülniük a képeknek. Aztán autokorrelációs technikával meghatározzuk azt az eltolást, amely először 1 pixel pontossággal, majd pixel alatti (pl.: 1/8 pixel) pontossággal fedésbe hozza a képeket. A következő lépés a különböző műholdpályák esetén szükséges forgatás meghatározása. Végül a második képet a meghatározott eltolással és forgatással transzformáljuk, így a két kép pixel alatti pontossággal fedésbe kerül.

A következő lépés a komplex interferogram számítása, azonban ez csak a referenciafelszín hatásának eltávolítása után lesz használható. A koherencia kiszámítása után kapott térkép nem csak az interfermetrikus fázis pontosságát jelzi az adott helyen, hanem alkalmas a biomasszában bekövetkezett változás kimutatására is.

A fázisban lévő zaj csökkentésének egyik módszere a fáziskép szűrése. Számos algoritmus létezik ilyen szűrés végrehajtására mind tér-, mind térfrekvencia tartományban. A szűrő alkalmazás előnye, hogy a térbeli felbontást nem rontja, azonban megváltoztatja az interferogram szerkezetét. A vizsgálatban a Goldstein adaptív szűrőt használtam.

A domborzat hatásának eltávolítása után úgynevezett differenciális interferogramot (DI) kapunk. Ezt úgy érjük el, hogy a domborzatmodell és a pontos pálya ismeretében mesterséges fázist generálunk és azt levonjuk az interferogramból. Az így kapott fázis (radiánban) a deformációval arányos, ezért a hullámhossz (5,656 cm) ismeretében átszámítható elmozdulássá. Ez az eredmény a deformációt a műhold irányában adja meg, ezért korrigálni kell, hogy vertikális irányú elmozdulást kapjunk.

A kapott eredmény most már további elemzésre használható, ezért az eddig használt radarkoordinátákról (repülési és arra merőleges irányról) át kell térni geodéziai vonatkoztatási rendszerre. Az általam használt program WGS84 vetületbe számolja át a koordinátákat, amit aztán a FÖMI TK-ban meglévő térinformatikai programokkal számolunk át EOV rendszerbe.

Eredmények

Különböző idejű képpárokat használva egyensúlyt kell találni a használható időbeli távolság és a mérhető nagyságú süllyedés kialakulásához szükséges idő között (az interferogram koherenciája csökken, ha nő az időbázis). A mezőgazdasági vagy erdős területek és a felvételezések eltérő időjárási körülményei (légköri hatás) jelentősen növelik a fáziszajt és csökkentik a radar-interferometria használhatóságát a deformáció-vizsgálatokban.

Első lépésben meghatároztam egy mintegy 12 km×10 km méretű kivágatot, amely tartalmazza majdnem az egész várost és nyugat felé a vertikális sebességtérkép legnagyobb (–6,5 mm) izovonalát. Ezzel ugyan mezőgazdasági területek is kerültek a vizsgálatba, de az elemzésből később úgyis kimaradnak az alacsony koherenciájú pontok.

2. ábra: A 0,5 feletti koherenciájú pontok elhelyezkedése a különböző képpárok esetén.

Az interferogramok elemzése során azt tapasztaltam, hogy a beépített területen kívül alacsony a koherencia. Ez azért probléma, mert alacsony koherencia esetén a domborzathoz, vagy a deformációhoz köthető fázisváltozások elvesznek a zajban. A 0,5 feletti koherenciájú pontok szinte csak Debrecen területén találhatók, ezért szűkítettem a vizsgált területet (2. ábra). Az új vizsgálati terület mintegy 4 km×4 km méretű és majdnem teljesen beépített. Az elemzésből kizártam azokat a pontokat, amelyek koherencia értéke 0,2 alatt volt. A megmaradt pontok alapján a következőket állapíthatjuk meg:

• Látható mozgás – többnyire süllyedés –, ennek nagysága azonban bizonytalan.
• A süllyedés mértéke néhol meghaladja az 1 cm/évet. A vizsgált terület beépített, ezért ezekben az esetekben meg kell vizsgálni, hogy az adott pontban a felszín mozgásához nem adódik-e hozzá az épület saját mozgása.
• A beépített területen több helyen emelkedést is mutatott az interferogram, az okok kiderítése további vizsgálatokat igényel.
• Az emelkedést ill. a nagy süllyedést okozhatja, ha a felvételi időpontokban különböző a légkör állapota. Ekkor – az eltérő törésmutató miatt – futásidő-különbség keletkezik, ami +/- magasságváltozás formájában jelenik meg.

3. ábra. Az interferogramok feldolgozásából kapott idősor (függőleges mozgás mm-ben).

További teendők a fenti vizsgálatokon túl:

• Folytatni kell az elemzést a meglévő adatokon a teljes időablakban is.
• További képek bevonásával a légköri hatást csökkentése lehetséges.
• A vizsgálandó területet ki kell terjeszteni a környező beépített területekre (Derecske, Hajdúszoboszló, Balmazújváros, Hajdúböszörmény) is.
• Meg kell próbálni olyan képpár (azaz felvételi időpont) kombinációt találni, amellyel a vizsgálatot a nagy dinamikájú területekre (növényzetborítás) is ki lehet terjeszteni.
• Multiszenzoros interferometria vizsgálat: a 2001 utáni időszakra az ERS-2 műhold adatai nem használhatók, így másik adatforrás bevonását kell megvizsgálni. A leginkább szóba jöhető eszköz az ESA Envisat műholdjának radarszenzora. Meg kell vizsgálni az Envisat adatok integrálását a meglévő ERS adatbázisba.
• Létezik egy költséges eljárás, az úgynevezett állandó szórópontok interferometriája (Permanent/Persistent Scatterres Interferometry, PSI), amely képes a légköri hatások kiküszöbölésére. Meg kell teremteni ennek a vizsgálatnak a lehetőségét.

A vizsgálat igazolta, hogy ez az új űrtechnikai eljárás Magyarország esetén is hasznos és használandó, különösképpen a környezeti állapot változásásainak és a katasztrófák (pl. árvíz, földcsuszamlás) előrejelzésének kutatása területén.

Köszönetnyilvánítás: Az interferometria vizsgálat hátterét a MŰI (2003, TP 145-146), az ESA CAT-1 (C1P.2380) és az ESA PECS (No. 98026) pályázatok biztosították. Köszönöm Dr. Grenerczy Gyula (FÖMI KGO) közreműködését.

Petrik Ottó, PhD
Földmérési és Távérzékelési Intézet, Távérzékelési Központ