Download Presentation

Explorando la Tierra desde el
espacio usando la
interferometría de radar
Jill Pearse
Departamento de Geociencias
Universidad de Los Andes
Bogotá, Colombia
Primer terremoto visto del espacio
1992 Landers, California
Satelite ERS-1
Patrón de interferencía
causado por la
deformación de la
superficie durante el
terremoto
Massenet et al. 1993
¿Como se puede usar el InSAR para entender los
procesos dinámicos de la Tierra?
Webinar 1
•
•
•
•
Introducción – deformación de la corteza
Radar de apertura sintética (SAR): teoría
Propiedades de imágenes de SAR
Interferometría (InSAR) - teoría
Deformación de la superficie
• La tectónica de placas, convección del manto,
terremotos, actividad volcánica… procesos
físicos que ocurren bajo la superficie causan
efectos superficiales
Todos los procesos que ocurren bajo la
superficie terrestre pueden causar
deformación de la superficie que puede ser
medida
Ejemplos:
•
•
•
movimientos de las placas tectónicas y
terremotos
Magma subiendo en la corteza
Actividades humanas (extracción de
agua o recursos naturales…)
Con observaciones de satélites, podemos
medir y monitorear la deformación para
inferir lo que está pasando debajo
Radar de apertura sintética
Synthetic Aperture Radar (SAR)
El satélite gira alrededor de la tierra en órbita polar
Puede ver la misma escena subiendo o bajando – asi tiene
vistas de la escena por dos lados
Pasa encima del mismo lugar cada mes
Radar de apertura sintética
Synthetic Aperture Radar (SAR)
El radar es un sistema activo.
-emite luz en bandas de microondas,
y recoge las reflecciones
(“backscattering”) de la superficie
rugosa.
- no requiere iluminación del sol
- Las longitudes de onda: 3-20 cm
- Estas ondas atraviesan la atmósfera
El satelite mira hacia un lado, y crea
imágines de la amplitud y la fase de
las ondas reflejadas.
¿Por qué microndas?
¿Qué es la “apertura sintética”?
Real-Aperture Radar (RAR): la resolución se mejora con la anchura del rayo (entre
más estrecho el rayo, mejor la resolución). Implica que la resolución es peor con mas
distancia, y se mejora con antenas mas largas
Angular beam width
Proportional to
Wavelength/antenna length
Exercise: Calculate the REAL antenna size that would be required in order for the
for the Canadian satellite RADARSAT (orbit height of 792 km) to obtain an
azimuth resolution of 10 m at a ground range of 40 km.
(Wavelength used by RADARSAT = 5.6 cm)
La longitud de la antena tiene límitaciones prácticas: en un avion,
puede ser 1-2 m; en un satélite, puede ser de 10 a 15 metres de
longitud.
¿La solución?
Radar de Apertura Sintética (SAR)
En este caso, la resolución es mejor si se usa una antena
corta!
¿Qué propiedades influye en la interacción de la luz
con la superficie?
1) La rugosidad
2) Geometría de avistamiento con
Respecto a la geometría de la superficie
3) Humedad y propiedades eléctricas de la
superficie (generalmente, hay más reflección en las
superficies húmedas)
Overview
Spectrum
Interaction
Microwaves
Surface
Antenna
Wavelength and Surface Roughness
  2 cm ... 25 cm
© DLR
© DLR
rough
smooth
Overview
Spectrum
Interaction
Microwaves
Surface
SAR Image Examples
range
Sensor: ERS-1
Mojave Desert
CA, USA
Size  40 km x 40 km
ERS-1 © ESA
Antenna
azimuth
Generally, for moist targets, surface
scattering is the dominant process
For drier targets, the EM waves can
penetrate into the subsurface. For a
given target, longer wavelengths tend to
penetrate furthest
If the energy penetrates the surface,
then volume scattering becomes the
dominant process (multiple bounces
off the different particles within the
volume)
L-band SAR found ancient river channels several meters
below the surface of the Sahara desert
SAR Image characteristics
Speckle: “salt and pepper” texture
caused by random constructive and
destructive interference from the
many scattering returns occurring
within each ground resolution cell
A type of noise that can be reduced by
filtering or multi-looking (but at the
expense of resolution!)
Relief displacement and layover both create RADAR SHADOW
¿Qué es la interferometría de radar?
(InSAR)
El satellite graba la amplitud y la fase de la luz reflejada en cada punto de la superficie
InSAR = Interferometría
•
El satélite pasa por cada lugar muchas veces (una vez por mes)
Si la superficie se desplaza entre los dos momentos, la fase de la onda reflejada
cambia.
Puede medir desplazamientos pequeños (milimetros)
Repeat-pass InSAR for deformation
La Fase depende de la distancia
entre el satélite y la superficie
ERS-1
~6 cm
~780 km
From: Gareth Funning, UC Riverside
Repeat-pass InSAR
Pass 1
From: Gareth Funning, UC Riverside
Pass 2
Repeat-pass InSAR
Pass 1: pre-movement
phase=1
Pass 2: post-movement
phase=2
phase shift due to
ground motion
From: Gareth Funning, UC Riverside
Repeat-pass InSAR
phase shift varies with
distance from the fault
From: Gareth Funning, UC Riverside
Requirements to form a differential
interferogram
1) Images have to be acquired by the same satellite using the same
acquisition mode and properties (beam, polarization, off-nadir
angle, etc).
1) Images have to be acquired with the satellite in the same
nominal orbit.
1) The baseline separation between the master scene and any of
the slave scenes must be no more than the ‘critical baseline’ (a
parameter that varies with the SAR sensor in use); the baseline
being the distance between the satellite paths.
2) You need a DEM in order to subtract the contribution of
topography to the interferogram
First, remove effect of curvature of the earth:
“Interferogram Flattening”… then
Interferometric phase (Δφ) has the following contributions:
1) topographic distortions arising from slightly different viewing angles of the two
satellite passes (t)
2) atmospheric effects (α) arising from the wavelength distortion that occurs when
signals enter and leave a moisture-bearing layer
3) Any range (distance between the sensor and the target) displacement of the
radar target (∆R) noise
These factors, expressed more precisely, are given in the equation below:
Atmospheric effects
Topographic contribution
Range displacement
What do the fringes mean?
Aug 1995-Jul 2005
ERS data at
Uturuncu volcano
May 1996-Aug 2006
Apr 1996-Mar 2007
(Pearse and Fialko, 2009)
Current and Future Civil
Spaceborne SARs
satellite
owner
band
resolution
look angle
swath
lifetime
ERS-1
ESA
C
25 m
23°
100 km
1991-2000
ERS-2
ESA
C
25 m
23°
100 km
1995-2012
Radarsat-1
Canada
C
10 m - 100 m
20°- 59°
50 - 500 km
1995-2013
ENVISAT
ESA
C
25 m - 1 km
15°- 40°
100 - 400 km
2002-2012
ALOS
Japan
L
10 m -100 m
35°- 41°
70 - 360 km
2006-2011
Cosmo
Italy
X
ca. 1 m - 16 m
…
…
2007-
TerraSAR-X
Germany
X
1 m - 16 m
15°- 60°
10 - 100 km
2007/2010-
Radarsat-2
Canada
C
3 m - 100 m
15°- 59°
10 - 500 km
2007-
ALOS-2
Japan
L
3 m – 100 m
8°-70°
25 – 350 km
2014?-
Sentinel-1
ESA
C
5 m – 50 m
20°-46°
20 - 400 km
2014?-
& TanDEM-X
SENTINEL-1A and -1B
European Space Agency
Launch Q2 2014, 2016
Sentinel
12 (and then 6) day repeat in same orbit
mean post event wait => 3 days
ascending + descending => mean wait < 3 days
References and further reading
SAR-EDU – SAR Remote Sensing Educational
Initiative
https://saredu.dlr.de/
Natural Resources Canada
www.nrcan.gc.ca/earth-sciences/geomatics
http://www.esa.int
http://www.jpl.nasa.gov