El radar interferométrico de apertura sintética , abreviado InSAR (o en desuso IfSAR ), es una técnica de radar utilizada en geodesia y teledetección . Este método geodésico utiliza dos o más imágenes de radar de apertura sintética (SAR) para generar mapas de deformación de la superficie o elevación digital , utilizando diferencias en la fase de las ondas que regresan al satélite [1] [2] [3] o aeronave. La técnica puede potencialmente medir cambios en la deformación a escala milimétrica en períodos de días a años. Tiene aplicaciones para el monitoreo geofísico de peligros naturales, por ejemplo terremotos, volcanes y deslizamientos de tierra, y en ingeniería estructural , en particular el monitoreo de hundimientos y estabilidad estructural .
El radar de apertura sintética (SAR) es un tipo de radar en el que se utiliza un procesamiento sofisticado de datos de radar para producir un haz efectivo muy estrecho. Puede utilizarse para formar imágenes de objetivos relativamente inmóviles; Los objetivos en movimiento pueden aparecer borrosos o desplazados en las imágenes formadas. SAR es una forma de detección remota activa: la antena transmite radiación que se refleja en el área de la imagen, a diferencia de la detección pasiva, donde el reflejo se detecta en la iluminación ambiental. Por lo tanto, la adquisición de imágenes SAR es independiente de la iluminación natural y las imágenes se pueden tomar de noche. El radar utiliza radiación electromagnética en frecuencias de microondas ; La absorción atmosférica en las longitudes de onda típicas de los radares es muy baja, lo que significa que las nubes no impiden las observaciones.
SAR utiliza la amplitud y la fase absoluta de los datos de la señal de retorno. Por el contrario, la interferometría utiliza la fase diferencial de la radiación reflejada, ya sea desde múltiples pasos a lo largo de la misma trayectoria y/o desde múltiples centros de fase desplazados (antenas) en un solo paso. Dado que la onda saliente es producida por el satélite, la fase es conocida y puede compararse con la fase de la señal de retorno. La fase de la onda de retorno depende de la distancia al suelo, ya que la longitud del camino hasta el suelo y de regreso consistirá en un número de longitudes de onda enteras más una fracción de una longitud de onda. Esto se puede observar como una diferencia de fase o un cambio de fase en la onda que regresa. La distancia total al satélite (es decir, el número de longitudes de onda completas) se conoce en función del tiempo que le toma a la energía hacer el viaje de ida y vuelta al satélite, pero es la fracción extra de una longitud de onda la que es de particular importancia. interés y se mide con gran precisión.
En la práctica, la fase de la señal de retorno se ve afectada por varios factores, que en conjunto pueden hacer que el retorno de fase absoluto en cualquier recopilación de datos SAR sea esencialmente arbitrario, sin correlación de un píxel a otro. Para obtener información útil de la fase, algunos de estos efectos deben aislarse y eliminarse. La interferometría utiliza dos imágenes de la misma área tomadas desde la misma posición (o, para aplicaciones topográficas, posiciones ligeramente diferentes) y encuentra la diferencia de fase entre ellas, produciendo una imagen conocida como interferograma. Esto se mide en radianes de diferencia de fase y, debido a la naturaleza cíclica de la fase, se registra como franjas repetidas, cada una de las cuales representa un ciclo completo de 2π.
El factor más importante que afecta la fase es la interacción con la superficie del suelo. La fase de la onda puede cambiar durante la reflexión , dependiendo de las propiedades del material. La señal reflejada desde cualquier píxel es la contribución sumada a la fase de muchos 'objetivos' más pequeños en esa área terrestre, cada uno con diferentes propiedades dieléctricas y distancias del satélite, lo que significa que la señal devuelta es arbitraria y no está completamente correlacionada con la del satélite adyacente. píxeles. Sin embargo, es importante destacar que es consistente: siempre que nada en el terreno cambie, las contribuciones de cada objetivo deben sumar idénticamente cada vez y, por lo tanto, eliminarse del interferograma.
Una vez eliminados los efectos del suelo, la principal señal presente en el interferograma es una contribución de los efectos orbitales. Para que la interferometría funcione, los satélites deben estar lo más cerca posible de la misma posición espacial cuando se adquieren las imágenes. Esto significa que no se pueden comparar imágenes de dos plataformas satelitales con órbitas diferentes y, para un satélite determinado, se deben utilizar datos de la misma trayectoria orbital. En la práctica, la distancia perpendicular entre ellos, conocida como línea de base , suele conocerse con una precisión de unos pocos centímetros, pero sólo puede controlarse en una escala de decenas a cientos de metros. Esta ligera diferencia provoca una diferencia regular de fase que cambia suavemente a lo largo del interferograma y puede modelarse y eliminarse.
La ligera diferencia en la posición del satélite también altera la distorsión causada por la topografía , lo que significa que se introduce una diferencia de fase adicional mediante un efecto estereoscópico . Cuanto más larga sea la línea de base, menor será la altura topográfica necesaria para producir una franja de cambio de fase, conocida como altitud de ambigüedad . Este efecto se puede aprovechar para calcular la altura topográfica y utilizar para producir un modelo de elevación digital (DEM).
Si ya se conoce la altura de la topografía, se puede calcular y eliminar la contribución de la fase topográfica. Tradicionalmente esto se ha hecho de dos maneras. En el método de dos pasadas , los datos de elevación de un DEM derivado externamente se utilizan junto con la información orbital para calcular la contribución de fase. En el método de tres pasadas, se utilizan dos imágenes adquiridas con un corto intervalo de tiempo para crear un interferograma, que se supone que no tiene señal de deformación y, por lo tanto, representa la contribución topográfica. Este interferograma luego se resta de una tercera imagen con una separación de tiempo más larga para dar la fase residual debido a la deformación.
Una vez que se han eliminado las contribuciones terrestres, orbitales y topográficas, el interferograma contiene la señal de deformación, junto con cualquier ruido restante (consulte Dificultades a continuación). La señal medida en el interferograma representa el cambio de fase causado por un aumento o disminución en la distancia desde el píxel del suelo al satélite, por lo tanto, solo el componente del movimiento del suelo paralelo al vector de la línea de visión del satélite causará una diferencia de fase. observado. Para sensores como ERS con un ángulo de incidencia pequeño , esto mide bien el movimiento vertical, pero es insensible al movimiento horizontal perpendicular a la línea de visión (aproximadamente de norte a sur). También significa que el movimiento vertical y los componentes del movimiento horizontal paralelos al plano de la línea de visión (aproximadamente este-oeste) no se pueden resolver por separado.
Una franja de diferencia de fase se genera mediante un movimiento del suelo de la mitad de la longitud de onda del radar, ya que esto corresponde a un aumento total de longitud de onda en la distancia recorrida en ambos sentidos. Los cambios de fase sólo se pueden resolver en relación con otros puntos del interferograma. La deformación absoluta se puede inferir asumiendo que un área en el interferograma (por ejemplo, un punto alejado de las fuentes de deformación esperadas) no experimentó deformación, o usando un control terrestre ( GPS o similar) para establecer el movimiento absoluto de un punto.
Una variedad de factores gobiernan la elección de imágenes que pueden usarse para interferometría. La más sencilla es la disponibilidad de datos: los instrumentos de radar utilizados para la interferometría normalmente no funcionan de forma continua y sólo adquieren datos cuando están programados para hacerlo. Para necesidades futuras tal vez sea posible solicitar la adquisición de datos, pero en muchas zonas del mundo los datos archivados pueden ser escasos. La disponibilidad de datos se ve aún más limitada por los criterios de referencia. La disponibilidad de un DEM adecuado también puede ser un factor para el InSAR de dos pasos; Por lo general, los datos SRTM de 90 m pueden estar disponibles para muchas áreas, pero en latitudes altas o en áreas de poca cobertura se deben encontrar conjuntos de datos alternativos.
Un requisito fundamental para la eliminación de la señal terrestre es que la suma de las contribuciones de fase de los objetivos individuales dentro del píxel permanezca constante entre las dos imágenes y se elimine por completo. Sin embargo, hay varios factores que pueden hacer que este criterio falle. En primer lugar, las dos imágenes deben registrarse conjuntamente con precisión a un nivel de subpíxel para garantizar que los mismos objetivos terrestres contribuyan a ese píxel. También existe una restricción geométrica en la longitud máxima de la línea de base: la diferencia en los ángulos de visión no debe causar que la fase cambie en el ancho de un píxel en más de una longitud de onda. Los efectos de la topografía también influyen en la condición, y las líneas de base deben ser más cortas si las pendientes del terreno son altas. Cuando el co-registro es deficiente o se excede la línea de base máxima, la fase de píxel se volverá incoherente: la fase se vuelve esencialmente aleatoria de un píxel a otro en lugar de variar suavemente, y el área parece ruidosa. Esto también es válido para cualquier otra cosa que cambie las contribuciones a la fase dentro de cada píxel, por ejemplo, cambios en los objetivos terrestres en cada píxel causados por el crecimiento de la vegetación, deslizamientos de tierra, agricultura o capa de nieve.
Otra fuente de error presente en la mayoría de los interferogramas es causada por la propagación de las ondas a través de la atmósfera. Si la onda viajó a través del vacío, teóricamente debería ser posible (sujeto a una precisión suficiente en la sincronización) utilizar el tiempo de viaje en dos direcciones de la onda en combinación con la fase para calcular la distancia exacta al suelo. Sin embargo, la velocidad de la onda a través de la atmósfera es menor que la velocidad de la luz en el vacío y depende de la temperatura del aire, la presión y la presión parcial del vapor de agua. [4] Es este retraso de fase desconocido el que impide calcular el número entero de longitudes de onda. Si la atmósfera fuera horizontalmente homogénea en la escala de longitud de un interferograma y verticalmente en la topografía, entonces el efecto sería simplemente una diferencia de fase constante entre las dos imágenes que, dado que la diferencia de fase se mide en relación con otros puntos del interferograma, sería no contribuye a la señal. Sin embargo, la atmósfera es lateralmente heterogénea en escalas de longitud tanto mayores como menores que las señales de deformación típicas. Esta señal espuria puede parecer completamente ajena a las características de la superficie de la imagen; sin embargo, en otros casos, el retraso de la fase atmosférica es causado por la falta de homogeneidad vertical en altitudes bajas y esto puede dar lugar a franjas que parecen corresponderse con la topografía.
Las técnicas de dispersión persistente o permanente son un desarrollo relativamente reciente del InSAR convencional y se basan en el estudio de píxeles que permanecen coherentes en una secuencia de interferogramas. En 1999, investigadores del Politecnico di Milano , Italia, desarrollaron un nuevo enfoque de imágenes múltiples en el que se buscan objetos en el suelo en la pila de imágenes que proporcionen reflejos de radar consistentes y estables al satélite. Estos objetos pueden tener el tamaño de un píxel o, más comúnmente, un tamaño de subpíxel y están presentes en todas las imágenes de la pila. Esa implementación específica está patentada.
Algunos centros de investigación y empresas se inspiraron para desarrollar variaciones de sus propios algoritmos que también superarían las limitaciones de InSAR. En la literatura científica, estas técnicas se denominan colectivamente interferometría de dispersión persistente o técnicas PSI. El término interferometría de dispersión persistente (PSI) fue propuesto por la Agencia Espacial Europea (ESA) para definir la segunda generación de técnicas de interferometría de radar. Este término es hoy en día comúnmente aceptado por la comunidad científica y de usuarios finales.
Por lo general, estas técnicas son más útiles en áreas urbanas con muchas estructuras permanentes, por ejemplo, los estudios PSI de sitios europeos con riesgo geológico realizados por el proyecto Terrafirma. [5] El proyecto Terrafirma proporciona un servicio de información sobre los peligros del movimiento del suelo, distribuido por toda Europa a través de instituciones y estudios geológicos nacionales. El objetivo de este servicio es ayudar a salvar vidas, mejorar la seguridad y reducir las pérdidas económicas mediante el uso de información PSI de última generación. Durante los últimos 9 años este servicio ha suministrado información relativa a hundimientos y levantamientos urbanos, estabilidad de taludes y deslizamientos, deformaciones sísmicas y volcánicas, litorales y llanuras aluviales.
La cadena de procesamiento utilizada para producir interferogramas varía según el software utilizado y la aplicación precisa, pero normalmente incluirá alguna combinación de los siguientes pasos.
Se requieren dos imágenes SAR para producir un interferograma; Estos pueden obtenerse preprocesados o producirse a partir de datos sin procesar por el usuario antes del procesamiento InSAR. Primero se deben registrar conjuntamente las dos imágenes , utilizando un procedimiento de correlación para encontrar el desplazamiento y la diferencia en la geometría entre las dos imágenes de amplitud. Luego se vuelve a muestrear una imagen SAR para que coincida con la geometría de la otra, lo que significa que cada píxel representa la misma área del terreno en ambas imágenes. Luego se forma el interferograma mediante la multiplicación cruzada de cada píxel en las dos imágenes, y se elimina la fase interferométrica debida a la curvatura de la Tierra , un proceso denominado aplanamiento. Para aplicaciones de deformación, se puede utilizar un DEM junto con los datos de referencia para simular la contribución de la topografía a la fase interferométrica; esto luego se puede eliminar del interferograma.
Una vez que se ha producido el interferograma básico, comúnmente se filtra utilizando un filtro de espectro de potencia adaptativo para amplificar la señal de fase. Para la mayoría de las aplicaciones cuantitativas, las franjas consecutivas presentes en el interferograma deberán desenvolverse , lo que implica interpolar los saltos de fase de 0 a 2π para producir un campo de deformación continuo. En algún momento, antes o después de desenvolver, es posible que se enmascaren áreas incoherentes de la imagen. La etapa de procesamiento final implica geocodificar la imagen, que vuelve a muestrear el interferograma a partir de la geometría de adquisición (relacionada con la dirección de la trayectoria del satélite) en la proyección geográfica deseada .
La explotación temprana del InSAR basado en satélites incluyó el uso de datos de Seasat en los años 1980, pero el potencial de la técnica se amplió en los años 1990, con el lanzamiento de ERS-1 (1991), JERS-1 (1992), RADARSAT-1 y ERS-2 (1995). Estas plataformas proporcionaron órbitas estables y bien definidas y líneas de base cortas necesarias para InSAR. Más recientemente, la misión STS-99 de la NASA, de 11 días de duración, en febrero de 2000, utilizó una antena SAR montada en el transbordador espacial para recopilar datos para la misión topográfica del radar del transbordador (SRTM). En 2002, la ESA lanzó el instrumento ASAR, diseñado como sucesor del ERS, a bordo del Envisat . Si bien la mayoría de InSAR hasta la fecha ha utilizado sensores de banda C, misiones recientes como ALOS PALSAR , TerraSAR-X y COSMO-SkyMed están ampliando los datos disponibles en las bandas L y X.
Sentinel-1A y Sentinel-1B , ambos sensores de banda C, fueron lanzados por la ESA en 2014 y 2016, respectivamente. Juntos, brindan cobertura InSAR a escala global y en un ciclo repetido de 6 días.
Los sistemas aéreos de adquisición de datos InSAR son construidos por empresas como la estadounidense Intermap , la alemana AeroSensing y la brasileña OrbiSat. [6]
La interferometría SAR terrestre o terrestre (TInSAR o GBInSAR) es una técnica de teledetección para el seguimiento de desplazamientos de laderas, [7] escarpes rocosos, volcanes, deslizamientos de tierra, edificios, infraestructuras, etc. Esta técnica se basa en los mismos principios operativos de la interferometría SAR por satélite, pero la apertura sintética del radar (SAR) se obtiene mediante una antena que se mueve sobre un riel en lugar de un satélite que se mueve alrededor de una órbita. La técnica SAR permite obtener una imagen de radar 2D del escenario investigado, con una resolución de alto rango (a lo largo de la línea de visión instrumental) y resolución de rango cruzado (a lo largo de la dirección de exploración). Dos antenas emiten y reciben respectivamente señales de microondas y, calculando la diferencia de fase entre dos mediciones tomadas en dos tiempos diferentes, es posible calcular el desplazamiento de todos los píxeles de la imagen SAR. La precisión en la medición del desplazamiento es del mismo orden de magnitud que la longitud de onda EM y depende también de las condiciones locales y atmosféricas específicas.
InSAR se puede utilizar para medir la deformación tectónica , por ejemplo, los movimientos del suelo debido a terremotos . Se utilizó por primera vez para el terremoto de Landers de 1992 , [8] pero desde entonces se ha utilizado ampliamente para una amplia variedad de terremotos en todo el mundo. En particular, se estudiaron exhaustivamente los terremotos de Izmit en 1999 y Bam de 2003. [9] [10] InSAR también se puede utilizar para monitorear la acumulación de deformación y deformación en fallas .
InSAR se puede utilizar en una variedad de entornos volcánicos , incluida la deformación asociada con erupciones , la tensión entre erupciones causada por cambios en la distribución del magma en profundidad, la propagación gravitacional de edificios volcánicos y las señales de deformación vulcano-tectónica. [11] Los primeros trabajos sobre InSAR volcánico incluyeron estudios en el Monte Etna , [12] y Kilauea , [13] y se estudiaron muchos más volcanes a medida que se desarrollaba el campo. La técnica ahora se usa ampliamente para la investigación académica sobre la deformación volcánica, aunque su uso como técnica de monitoreo operativo para observatorios volcánicos se ha visto limitado por cuestiones como los tiempos de repetición orbital, la falta de datos archivados, la coherencia y los errores atmosféricos. [14] [15] Recientemente, InSAR se ha utilizado para estudiar los procesos de rifting en Etiopía. [dieciséis]
El hundimiento del suelo por diversas causas se ha medido con éxito utilizando InSAR, en particular el hundimiento causado por la extracción de petróleo o agua de depósitos subterráneos, [17] la minería subterránea y el colapso de minas antiguas. [18] Así, InSAR se ha convertido en una herramienta indispensable para abordar satisfactoriamente muchos estudios de subsidencia. Tomás et al. [19] realizaron un análisis de costos que permitió identificar los puntos más fuertes de las técnicas InSAR en comparación con otras técnicas convencionales: (1) mayor frecuencia de adquisición de datos y cobertura espacial; y (2) menor coste anual por punto de medición y por kilómetro cuadrado.
Aunque la técnica InSAR puede presentar algunas limitaciones cuando se aplica a deslizamientos de tierra, [20] también se puede utilizar para monitorear características del paisaje como deslizamientos de tierra . [21] [22] [23]
El movimiento y la deformación de los glaciares se han medido con éxito mediante interferometría satelital. La técnica permite la medición remota y de alta resolución de los cambios en la estructura glacial, el flujo de hielo y los cambios en la dinámica del hielo, todo lo cual concuerda estrechamente con las observaciones terrestres. [24]
InSAR también se puede utilizar para monitorear la estabilidad de estructuras construidas. [25] Los datos SAR de muy alta resolución (como los derivados del modo TerraSAR-X StripMap o del modo COSMO-Skymed HIMAGE) son especialmente adecuados para esta tarea. InSAR se utiliza para monitorear asentamientos de carreteras y ferrocarriles, [26] [27] estabilidad de diques, [28] ingeniería forense [29] y muchos otros usos.
Los interferogramas se pueden utilizar para producir mapas de elevación digitales (DEM) utilizando el efecto estereoscópico causado por ligeras diferencias en la posición de observación entre las dos imágenes. Cuando se utilizan dos imágenes producidas por el mismo sensor con una separación en el tiempo, se debe asumir que otras contribuciones de fase (por ejemplo, por deformación o efectos atmosféricos) son mínimas. En 1995, los dos satélites ERS volaron juntos con un día de separación para este fin. Un segundo método consiste en utilizar dos antenas montadas a cierta distancia entre sí en la misma plataforma y adquirir las imágenes al mismo tiempo, lo que garantiza que no haya señales atmosféricas ni de deformación. Este enfoque fue seguido por la misión SRTM de la NASA a bordo del transbordador espacial en 2000. Los DEM derivados de InSAR se pueden utilizar para estudios posteriores de deformación de dos pasadas o para otras aplicaciones geofísicas.
