CORSO DI FORMAZIONE Principi base della Tecnica Interferometrica

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1 Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio e del Mare Direzione Generale per la Difesa del Suolo Fornitura di Dati, Sistemi e Servizi per la Realizzazione del Sistema Informativo del Piano Straordinario di Telerilevamento Ambientale (PST-A) Lotto 2 CORSO DI FORMAZIONE Principi base della Tecnica Interferometrica

2 Misurare spostamenti da satellite +5 [mm/yr] -5 Roma 2

3 Sommario Interferometria radar differenziale (DInSAR) Interferogramma e componenti di fase Limiti dell interferometria L approccio multi immagine della Tecnica PSInSAR Individuazione dei Permanent Scatterers Stima e rimozione dei rumori Che cosa è possibile misurare Il formato dei dati 3

4 Principi di base dell interferometria differenziale 4

5 L immagine SAR Ampiezza Fase Informazioni sulla riflettività del bersaglio Informazioni su distanza sensore-bersaglio Individuazione dei Permanent Scatterers Stima del moto dei Permanent Scatterers

6 Obiettivo: misurare distanze I sistemi SAR illuminano la superficie terrestre con un segnale coerente nel dominio delle microonde. Obiettivo: distanza sensore-bersaglio Satellite Radar R (distanza sensore-bersaglio) = T (tempo tx/rx). C (vel. luce) R Earth 6

7 Interferometria mappe di elevazione R 1 R 2 Precisione verticale ~10m stessa area 2 orbite parallele non coincidenti mappa di elevazione (DEM) differenza delle distanze tra le due posizioni del satellite e ogni punto a terra. 7

8 Interferometria mappe di deformazione R 1 R 2 Precisione vert. ~1mm, orizz.: ~1cm stessa area stessa orbita tempi successivi mappa degli spostamenti relativi come differenza delle distanze dal satellite. 8

9 Il principio di funzionamento 1 ma acquisizione 2 da acquisizione t = 35/24/11 giorni R1 R2 Area soggetta a fenomeni di deformazione superficiale Rilevamento di possibili variazioni di distanza in range R 9

10 Terremoto di BAM (Dec. 26, 2003) Mappa di Deformazione co-sismica (lungo la LOS) 1 frangia = 28 mm (LOS) 25 km 10

11 Piano Straordinario Telerilevamento Ambientale Lotto 2 Terremoto dell Aquila, 6 Apr Interferogramma cosismico Satellite: ENVISAT Date: Bn = 148m Bt = 70gg

12 Il baseline geometrico e temporale Slave (T2) Master (T1) Orbita 2 Orbita 1 Bn 90 Bn - Baseline geometrico (o normale), è il parametro che permette di caratterizzare una geometria di acquisizione (Slave) rispetto ad un altra assunta come riferimento (Master) Bt - Baseline temporale si definisce come la differenza tra i tempi di acquisizioni del satellite nelle due diverse immagini. 12

13 ϕ Componenti della fase interferometrica ϕ ϕ ϕ = piano elevazione movimento ϕ rumore 4π B n r λ Rtanθ q sinθ B R n 0 4π λ 4π + d λ ψ + α + noise Con baseline nullo (orbite coincidenti) i primi due termini scompaiono. Fase interferometrica differenziale φ = ϕ ϕ ϕ = ϕ + ϕ elevazione piano movimento rumore

14 La coerenza tra due immagini SAR È un indice γ della stabilita locale della fase interferometrica. γ = 0 in corrispondenza di rapida variabilita casuale (rumore) γ = 1 in corrispondenza di assoluta stabilita locale (segnale utile) La coerenza dipende dalla copertura del suolo. Lansat TM ERS Coherence

15 Tipicamente bassa coerenza bacini d acqua e zone densamente vegetate mostrano bassa coerenza anche a distanza di pochi secondi. media coerenza campi coltivati mostrano una coerenza media a distanza di pochi giorni e bassa coerenza a distanza di settimane o mesi alta coerenza rocce esposte, terreni aridi e citta mostrano alta coerenza anche a distanza di parecchi anni.

16 Coerenza e condizioni climatiche August 95 September 95 November 95 December 95 April 96 May 96

17 Limiti dell analisi DInSAR convenzionale Interferogramma Immagine ottica Interferometria convenzionale Misure Areali Qualitative Immagine radar 1 giorno Perdita di informazione (decorrelazione) nel tempo e nello spazio 15 mesi...

18 Limiti pratici della DInSAR (1) L interferometria SAR differenziale si basa sulla permanenza nel tempo delle caratteristiche di riflessione degli oggetti illuminati dal radar. A distanza di tempo superiore a pochi giorni buona parte degli oggetti a terra modifica le proprie caratteristiche di riflessione (ad es. la vegetazione) generando una fase interferometrica casuale. Oggetti con caratteristiche di riflessione stabili sono alternati ad oggetti con caratteristiche di riflessione variabili e non è possibile separare gli uni dagli altri dal singolo interferogramma. L interferometria SAR funziona solo su aree particolari.

19 Limiti pratici della DInSAR (2) Molti oggetti a terra, pur con caratteristiche di riflessione stabili nel tempo, modificano la propria risposta al SAR se osservati da direzioni troppo diverse. Solo coppie d immagini SAR con baseline minore di alcune centinaia di metri possono essere utilizzate. Gli interferogrammi SAR sono soggetti ad artefatti causati dalla variabilità spaziale e temporale della troposfera. Molto spesso gli artefatti atmosferici sono indistinguibili da possibili deformazioni superficiali. Soluzione ai limiti DInSAR: la tecnica PSInSAR

20 Variazione atmosfera nell interferogramma Variazioni delle condizioni atmosferiche e frange interferometriche Ampiezza del segnale Interferogramma Pianura Padana 20

21 Soluzione: approccio multi immagine tecnica PSInSAR 21

22 Misura interferometrica variazione orbita tempo T 0 tempo T 0 + t Interferometria λ = 5.66 cm R 1 R 2 = R 1 R 1 r LOS Line of Sight R 2 r Variazione riflettività 1 acquisizione 35 (o più) giorni 2 acquisizione 22

23 Analisi Statistica: indice di stabilità di ampiezza Media incoerente Indice di stabilità di ampiezza 23

24 PSInSAR : approccio multi immagine time t 1 t 2 R1 t n R2 Rn R12 displacement Misure Puntuali Quantitative R12 PS R n t1 t2 tn R n time 24

25 Informazione dalla fase differenziale k φ ( k) 4π ( k) ( = [ CB B ε + d ] + α λ k) + n 1 - Errore di Elevazione 4 - APS & errori orbitali 3 - Rumore 2 - Spostamento La presenza del contributo atmosferico impedisce l analisi di ogni singolo pixel 25

26 Comportamento dei principali contributi t 0 spazio t 1 tempo t 2 t t n Moto correlato temporalmente 26

27 Comportamento dei principali contributi t 0 spazio t 1 tempo t 2 t t n APS correlata spazialmente 27

28 Informazione dalla fase differenziale k ( k) 4π ( k) ( φ = [ CB B ε + d ] + α λ k) + n La presenza del contributo atmosferico impedisce l analisi di ogni singolo pixel Soluzione: si analizza la differenza di fase tra pixel vicini k ( k) 4π ( k) ( φ1,2 = [ CB B ε1,2 + d1,2 ] + α λ k) + n 3 - APS & orbitali errori 1 - Errore di Elevazione Relativo relativi sono trascurabili! 2 - Spostamento Relativo 4 - Rumore 28

29 Creazione del cluster di PSC L applicazione di una soglia sulle coerenze γ ottenute può dividere i PSC analizzati in cluster di punti connessi tra loro Per poter integrare i valori relativi di velocità ed errore sul DEM ottenuti, per ogni cluster è richiesto un punto di riferimento che viene assunto fermo e con errore di quota nullo (v=ε=0 del punto di riferimento vengono arbitrariamente fissati a 0) Il risultato dell integrazione è la stima di velocità ed errore sul DEM di ogni PSC, ed NI-1 interferogrammi swrappati. fase swrappata 29

30 Elaborazione PS Archivio Immagini SAR Tecnica PS 4. Analisi PS Pixel by pixel Selezione Immagine Master & Identificazione area di interesse DEM 3. Interpolazione & Filtraggio Focalizzazione & Registrazione su griglia comune Generazione Interferogrammi Differenziali 1. Selezione dei PSC 2. Stima della Componente atmosferica sui PSC Analisi Statistica 30

31 Integrazione e rimozione della componente atmosferica Il contributo atmosferico viene ottenuto sulla griglia dei PSC rimuovendo dalla fase interferometrica i contributi di velocità ed errore sul DEM precedentemente stimati: φ φ elevation_ err φ displacement L atmosfera viene poi interpolata su tutta l immagine per consentirne la rimozione dagli interferogrammi differenziali. = φ atmosphere + φ noise A. B. C. Interferogramma differenziale compensato Interferogramma differenziale: Bn=87.4 m APS stimata 31

32 Elaborazione PS Archivio Immagini SAR Tecnica PS 4. Analisi PS Pixel by pixel Selezione Immagine Master & Identificazione area di interesse DEM 3. Interpolazione & Filtraggio Focalizzazione & Registrazione su griglia comune Generazione Interferogrammi Differenziali 1. Selezione dei PSC 2. Stima della Componente atmosferica sui PSC Analisi Statistica 32

33 Analisi di ogni pixel Avendo rimosso il contributo dovuto all atmosfera è ora possibile procedere ad un analisi di tutti i pixel caratterizzati da un alto valore di ASI k φ = C B B ε + ( k) 4 π d λ ( k) + n I pixel per cui il valore di coerenza associato alla stima risulta sopra una data soglia sono i PS 33

34 Che cosa sono i Permanent Scatterers? Bersagli radar costanti nel tempo: edifici, monumenti, viadotti, condotte, detriti, rocce esposte... 34

35 Dove NON vi sono Permanent Scatterers 35

36 Che cosa è possibile misurare PS H Ground Range d PS d reale LOS Spostamenti lungo la direzione di vista del satellite (LOS)

37 Misure di spostamenti lungo la linea di vista (LOS) LOS θ PS d PS d real 37

38 Considerazioni Si individuano e si localizzano punti di misura detti Permament Scatterers (PS) Dimensioni puntiformi Misure degli spostamenti con precisione millimetrica Le immagini radar coprono fino a migliaia di km 2 Acquisizioni regolari nel tempo 38

39 PSInSAR : principali applicazioni Subsidenze Frane Faglie sismiche Singoli edifici 39