CORSO DI FORMAZIONE Dati PS: Precisione, Accuratezza, Validazione

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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 Dati PS: Precisione, Accuratezza, Validazione

2 Sommario Precisione ed accuratezza: definizione Parametri di qualità Coerenza Deviazione standard Precisione delle misure Velocità Singola misura di spostamento Geocodifica Validazione delle misure di quota Validazione delle misure di spostamento Sinergia con GPS e livellazione ottica Problema di phase unwrapping 2

3 Precisione ed accuratezza 3

4 Precisione e accuratezza Accuratezza Precisione Precisione + Accuratezza 4

5 Parametri di qualità 5

6 Parametri di qualità: coerenza (1/2) Coerenza: misura l accordo tra i dati ed il modello di spostamento utilizzato in fase di analisi. Può assumere valori compresi tra 0 e 1 (valori prossimi a 1 indicano elevato accordo con il modello). 6

7 Parametri di qualità: coerenza (2/2) La soglia sulla coerenza viene determinata in base ad una simulazione con metodo Montecarlo Si impone una probabilità di falso allarme uguale a 10-5 Statisticamente, la probabilità che un dato casuale e quindi inaffidabile sia considerato attendibile corrisponde ad un solo PS su centomila L affidabilità della simulazione aumenta al crescere del numero di immagini del dataset elaborato 7

8 Dataset ERS Ascendente vs. ERS Discendente ERS ascendente: 38 immagini dal 18 Aprile 1995 al 4 Ottobre 2000 Soglia sulla coerenza: 0.69 ERS discendente: 66 immagini dal 25 Aprile 1995 al 20 Dicembre 2000 Soglia sulla coerenza:

9 Parametri di qualità: deviazione standard Deviazione standard: indica di quanto vibra la stima della differenza di velocità del punto in analisi rispetto al riferimento (REF) La deviazione standard dipende: dalla distanza tra il punto considerato ed il riferimento dalla topografia dell area di interesse Ogni PS risulta caratterizzato da un valore di velocità e deviazione standard 9

10 Esempio (1/2) Vel = -8 [mm/anno] StdVel = 1.5 [mm/anno] REF ~22 Km REF Campo di velocità Deviazione Standard della velocità -10 [mm/anno] [mm/anno]

11 Esempio (2/2) Velocità media annua = -8 mm/anno Deviazione standard (σ) = 1.5 mm/anno Il valore vero della velocità rispetto al punto di riferimento, in assenza di errori sistematici, è compreso: tra -6.5 e -9.5 mm/anno (1σ) con una probabilità del 67% tra -5 e -11 mm/anno (2σ) con una probabilità del 95% Nota Importante: I valori di spostamento e di velocità di PS vicini tra loro (ad esempio, distanti qualche km) sono affetti da un errore di entità simile e quindi il loro moto relativo ha precisioni notevolmente superiori da quanto riportato dal campo della deviazione standard. 11

12 Precisioni di misura 12

13 Le sorgenti di errore In generale, la qualità delle misure PS è influenzata da: Numero di immagini disponibili e loro campionamento temporale Densità e distribuzione dei PS Condizioni meteo presenti durante ciascuna acquisizione SAR Incertezze nei parametri orbitali della piattaforma Incertezze sul punto di riferimento Distanza dal punto di riferimento Estensione dell area elaborata 13

14 Precisione della stima della velocità e della singola misura di spostamento Spostamento in direzione LOS Velocità media di spostamento Misura Singola Precisione (1σ) ± 1 mm/anno ± 5 mm Valori tipici per distanze < 1 km dal punto di riferimento per un dataset di almeno 5 anni?? 14

15 Precisione della stima della velocità e della singola misura di spostamento La stima di queste grandezze sui PS viene degradata da due fonti principali di rumore: Disturbo atmosferico: varia lentamente nello spazio per cui due PS vicini tra loro risultano affetti dallo stesso contributo per una data acquisizione. La potenza di questo disturbo è funzione delle particolari condizioni atmosferiche presenti al momento dell acquisizione Rumore di decorrelazione: introdotto dalla possibile variazione delle caratteristiche fisiche del bersaglio radar tra due diverse acquisizioni (temperatura, copertura vegetativa, ecc.). Ha un carattere spazialmente incorrelato e presenta generalmente basse potenze Sono sempre da considerare due casi distinti: Errore di misura tra due PS vicini Errore di misura per tutti i PS rispetto ad un unico punto di riferimento 15

16 Precisione di georeferenziazione: Valori Tipici Posizionamento Est Nord Verticale Precisione (1σ) ± 7 m ± 2 m ± 1,5 m Valori tipici per distanze < 1 km dal punto di riferimento per un dataset di almeno 5 anni Nord P(x) +2 m P(y) Ovest -7 m PS +7 m Est -2 m Sud 16

17 Errore di georeferenziazione L operazione di georeferenziazione consta di due passaggi: Passaggio da coordinate nel sistema SAR (range ed azimuth) a coordinate geografiche nel GCS WGS84 Allineamento dei PS sul supporto cartografico disponibile mediante traslazione rigida L errore di georeferenziazione è dovuto in prima istanza a: Posizione sub-pixel del PS all interno della cella di risoluzione a terra Distanza del PS dal punto di riferimento Errore sistematico: i PS possono risultare disallineati rispetto il supporto cartografico di riferimento L operatore deve traslare rigidamente tutto l insieme dei PS La precisione dipende dalla risoluzione del riferimento cartografico a disposizione 17

18 Localizzazione accurata (1) La determinazione della correzione di quota da apportare al DEM di input consente di migliorare la localizzazione dei PS dh Posizione originale dx Posizione corretta

19 Localizzazione accurata (2)

20 Validazione delle misure di spostamento 20

21 Esperimento con riflettori artificiali (diedri) Obiettivo fornire una stima della precisione delle misure di spostamento ottenibili da dati SAR Esecuzione Installazione di due coppie di riflettori artificiali in grado di fornire misure per le geometrie ascendente e discendente di due differenti sensori SAR (Envisat e Radarsat). Una delle coppie di riflettori può essere spostata in maniera controllata lungo la direzione verticale ed Est-Ovest, mentre l altra viene assunta come riferimento stabile. Le misure ricavate lungo la LOS per ciascuna acquisizione possone essere combinate per ricavare le componenti di movimento verticale ed orizzontale 21

22 Configurazione esperimento 2 coppie di diedri a 30 metri di distanza Montaggio su struttura dotata di viti micrometriche Antenna GPS solidale alla piattaforma mobile Metodologia Blind Experiment Diedri mobili + GPS Diedri fissi 22

23 Il dispositivo di movimentazione Meccanismo di controllo per gli spostamenti verticali Meccanismo di controllo per gli spostamenti orizzontali 23

24 Spostamenti Radarsat misurati lungo la LOS RADARSAT DESCENDING 18/12/ /11/ /02/ /01/ /03/ /02/ /05/ /04/ /06/ /06/ /08/ /07/ LOS DISPLACEMENT [mm] Time RADARSAT ASCENDING GROUND TRUTH InSAR GROUND TRUTH InSAR 13/11/ /10/ /12/ /12/ /02/ /01/ /04/ /03/ /05/ /04/ /07/ /06/ /08/2005 LOS DISPLACEMENT [mm] Time 24

25 Spostamenti indotti in Est-Ovest vs. Misure InSAR RADARSAT E-W DISPLACEMENT [mm] /11/ /12/ /01/ /02/ /02/2005 Time 23/03/ /04/2005 GROUND TRUTH InSAR 10/05/ /06/ /06/2005 Deviazione Standard della Componente Est-Ovest : 0.58 mm 25

26 Spostamenti indotti in Verticale vs. Misure InSAR RADARSAT U-D DISPLACEMENT [mm] /11/ /12/ /01/ /02/ /02/2005 Time 23/03/ /04/2005 GROUND TRUTH InSAR 10/05/ /06/ /06/2005 Deviazione Standard della Componente verticale: 0.75 mm 26

27 Validazione con livellazione ottica 27

28 Napoli ERS ( )

29 Validazione con misure di livellamento Campi Flegrei Livellazione ottica Spostamento (mm) ERS /31/93 06/15/94 10/28/95 03/11/97 07/24/98 12/06/99 04/19/01 Tempo

30 Dettaglio Pozzuoli

31 Dettaglio Stadio San Paolo

32 Napoli ENVISAT ( ) Mean velocity (mm/year)

33 Validazione con misure di livellamento Campi Flegrei Mean velocity (mm/year) Livellazione ottica Spostamento (mm) ERS ENVISAT /07/90 01/31/93 10/28/95 07/24/98 04/19/01 01/14/04 10/10/06 07/06/09 04/01/12 Tempo

34 Sinergia con GPS e livellazione ottica 34

35 Venezia University of San Diego The combination of CGPS and PSInSAR technology provides a powerful tool for imaging land subsidence: CGPS provides absolute calibration for PSInSAR PSInSAR provides remarkable spatial coverage compared to CGPS 35

36 RSAT PSInSAR Results PSInSAR analysis: 61 Rsat images processed April October 2007 Results: > 600,000 PS found ~ 230 PS/Km 2 GPS STATIONS 36

37 GPS data pre-processing The main target of this project was the comparison of subsidence rates. The annual and semi-annual sinusoidal components were removed from the vertical component of the GPSs data. For each GPS the North, East and subsidence Vertical components were projected along the RSAT LOS direction in order to obtain a displacement directly comparable with the PS result. The comparison between PS and GPSs LOS average velocities highlight a constant shift due to the different reference points. This value were removed from the GPSs data. 37

38 PS pre-processing For each GPS station, a subset of PSs was selected using an adaptative window taking into account possible spatial heterogeneities of the motion. The displacements estimated for the selected PSs in each acquisition, were averaged using the covariance matrix estimated from their coherence values, leading to a filtered time history of deformation. The corresponding average velocity was obtained by means of linear regression on each averaged time history of deformation. 38

39 PS vs GPS - Cava 39

40 PS vs GPS - Cava GPS data PS data GPS velocity [mm/yr] PS velocity [mm/yr] # averaged PS PSs average distance form the GPS PS velocities standard deviation

41 PS vs GPS Sfel 41

42 PS vs GPS - Sfel GPS data PS data GPS velocity [mm/yr] PS velocity [mm/yr] # averaged PS PS average distance from the GPS PS velocities standard deviation

43 GPS - Trev 43

44 GPS - Trev GPS data PS data GPS velocity [mm/yr] PS velocity [mm/yr] # averaged PS PS average distance from the GPS PS velocities standard deviation

45 GPS - Volt 45

46 GPS - Volt GPS data PS data GPS velocity [mm/yr] PS velocity [mm/yr] # averaged PS PS average distance from the GPS PS velocities standard deviation

47 Observations The high variability of motion rate in the neighbourhood of the GPS stations requires a careful selection of the adaptative window used to identify the PSs data for the comparison. The GPS station SFEL is not measuring a general trend but only a localised motion related probably to the structure where the GPS itself is monumented. The GPS station TREV spans a short time interval. This has an impact on the precision of the average deformation rate estimated. The area where the GPS station VOLT is monumented lacks of PSs. The PSs selected for the comparison are located to a distance of about 80m. This can be the reason for the differences found between the GPS and the PS time history of deformation. 47

48 PS e GPS: modello di moto 3D La Tecnica PSInSAR permette misure di spostamento verticale con precisioni inferiori al millimetro La Tecnica PSInSAR è praticamente cieca rispetto i moti in direzione Nord-Sud Con una sola geometria di acquisizione (ascendente o discendente), non è possibile separare le componenti verticale ed orizzontale della misura PSInSAR lungo la LOS GPS può fornire una stima non precisa degli spostamenti verticali GPS può misurare giornalmente gli spostamenti in direzione Nord-Sud ed Est-Ovest (deformazioni orizzontali) GPS e PS possono essere utilizzati congiuntamente per fornire un modello 3-D accurato del moto 48

49 Modello di deformazione 3-D: Baia di San Francisco Hayward Fault 49

50 Risoluzione delle tettoniche verticali Velocità orizzontali da 200 stazioni GPS Il sistema GPS non è in grado di fornire misure affidabili per gli uplift intersismici PSInSAR : Spostamenti lungo la LOS (23 ) per oltre bersagli a terra Rimozione dei PS in zone, grazie alle mappe geologiche della regione Principio: combinazione dei dati di spostamento orizzontali del GPS con le misure in LOS PSInSAR (49 acquisizioni ERS-1 e ERS-2 dal 1992 al 2000) 50

51 Campo di velocità orizzontale GPS velocità PS (LOS vel) 51

52 V E EST V E. LOS a V PS = V E, LOS + V V, LOS PS GPS V V, LOS V V = (V PS V E, LOS )/cos(a) V 2D V v V PS LOS nadir 52

53 Campo di velocità verticale R. Bürgmann, G. Hilley, A. Ferretti, F. Novali - Resolving vertical tectonics in the San Francisco Area from PSInSAR and GPS analysis Geological Society of America

54 Problema dei salti di fase (Errori di Phase Unwrapping) 54

55 Moti Veloci Problemi di Salti di Fase La lunghezza d onda dei sensori SAR in banda C permette accurate misurazioni. Uno spostamento di 1 mm lungo la direzione di vista del satellite (LOS) crea una variazione di fase (13 gradi) che può essere rilevata. Se il bersaglio a terra è affetto da un valore di spostamento in direzione della LOS vicino a 14 mm tra due acquisizioni successive, le misurazioni possono essere ambigue e la stima del movimento risulterà errata. Se nessuna informazione a priori è disponibile, l ammontare del movimento sarà probabilmente sottostimato e la sua direzione (avvicinamento o allontanamento dall antenna radar) potrebbe non essere corretta. 55

56 Equivocazione di fase Caso A Caso B Caso C R 0 R 1 R 1 R 1 λ R λ+ R? R nλ + R? stato iniziale R 56

57 Esempio A tempo R2 R 0 Fase t 1 tempo R2 R 1 Fase φ=π/2 t 2 tempo R2 R 2 Fase φ= π t 3 tempo R2 R 3 Fase φ= 3π/2 57

58 Esempio A fase non ambigua R2 R 4 Le misure di fase sono note solo modulo-2π. Qualora il campionamento temporale del fenomeno risulta sufficientemente alto, è possibile comunque inseguire lo spostamento del bersaglio. tempo tempo Fase φ= 2π Fase φ =2π 58

59 Esempio B Salto di fase R2 R 0 Fase tempo φ=0 t 1 tempo R2 R 1 Fase Salto di ciclo φ=0 t 2 tempo R2 R 2 Fase φ=π/2 59

60 Salto di fase Esempio di serie storica??? 60

61 Salti di fase I problemi di salto di fase (o errori di phase unwrapping) possono essere individuati osservando le serie storiche di deformazione dei bersagli radar posti nelle immediate vicinanze dell area di interesse. Più lento è il moto, minore sarà la probabilità di avere errori di phase unwrapping. Come regola generale, le velocita di deformazione in LOS dovrebbero essere <4 cm/anno (per i sensori ESA-ERS) per assicurare una bassissima probabilità di errore. L assenza di acquisizioni per lunghi periodi di tempo o il numero ridotto di osservazioni disponibili possono indurre ambiguità di fase nello studio del fenomeno da monitorare. La disponibilità di informazioni a priori è estremamente importante per selezionare la giusta serie storica di deformazione. 61