مقاله InSAR و نقش آن در مطالعه بلایای طبیعی

بخشی از مقاله

InSAR و نقش آن در مطالعه بلایای طبیعی

چکیده :

سنجش از دور توسط سنجنده های رادار شبیه سنجش از دور اپتیکی است که جهت تولید تصویر از عـوارض زمینـی استفاده میشود، تصویر رادار در اصل ثبت فعل و انفعال بین انرژی الکترو مغناطیسی ارسالی و عارضه زمینی است. در سنجش از دور راداری همانند سیستمهای اپتیکی سنجنده بر روی یک سکوی هوایی و یا فضایی قرار میگیرد که بـه هنگام حرکت سکو، سنجنده امواج را به طرف زمین ارسال میکند، بخشی از طول موج ارسالی پس از برخورد با سطح زمین دوباره به سمت سنجنده برمیگردد که تصویر رادار از پردازش همین امواج برگشتی بدست می آید. یک تصـویر رادار، نمایشی خواهد بود که میزان درجه خاکستری در آن متناسب با میزان امواج برگشتی بسـمت سـنجنده خواهـد بود. از اوایل دهه 1990 تداخل سنجی رادار دهانه ترکیبی یا همان InSAR1 به عنوان ابزاری کارامد در مطالعه کلیـه پدیده هایی که سبب تغییر سطح زمین می شوند مطرح شده و مورد استفاده قرار گرفته است. اساس کـار ایـن روش استفاده از اطلاعات فاز رادار بازتابی از زمین است به نحویکه تغییرات ایجاد شده در سطح زمین سبب اختلاف فـاز در دو تصویر رادار از دو زمان مختلف از منطقه ای مشابه می شوند کـه بـا بررسـی ایـن اخـتلاف فـاز و مدلسـازی آن، تغییرات سطح زمین قابل کمی سازی می باشند. در این مقاله ضمن معرفی اصول اولیه رادار، کاربردهای این فناوری در مباحث مختلف علوم زمین از جمله مطالعه زمین لرزه، آتشفشان، زمین لغزش، فرونشست و غیره خاطرنشان شـده است. ماهواره های موجود و در حال ساخت که اطلاعات لازم را عرضه می کنند معرفی شده اند. با توجـه بـه نقـش این فناوری در مطالعه بلایای طبیعی و دیگر پدیده های سطح زمین، برنامه ریزی برای کسب دانـش لازم و بررسـی امکان ساخت ماهواره ای ملی با قابلیت های لازم پیشنهاد شده است .

کلمات کلیدی : اینترفرومتری، InSAR، تداخل سنجی، رادار، بلایای طبیعی .

مقدمه

معمول ترین سنسور فعال که عمل تصویربرداری را انجام می دهد رادار می باشد. به طور کلی می توان عملکرد رادار را در چگونگی عملکرد سنسورهای آن خلاصه کرد. سنسورها سیگنال های مایکرویو را به سمت اهـدف مـورد نظـر ارسال کرده و سپس سیگنال های بازتابیده شده از سـطوح مختلـف را شناسـایی مـی کنـد. قـدرت (میـزان انـرژی)

سیگنالهای پراکنده شده جهت تفکیک اهداف مورد استفاده قرارمی گیرد. با اندازه گیری فاصه زمـانی بـین ارسـال و دریافت سیگنال ها می توان فاصله تا اهداف را مشخص کرد. از مزایای شاخص رادار می تـوان بـه عملکـرد رادار در شب یا روز و همچنین قابلیت تصویربرداری درشرایط آب و هوایی مختلف اشاره کرد. امواج مایکرویو قادر به نفـوذ در ابر، مه ,گرد و غبار و باران می باشند. از آنجایی که عملکرد رادار با طرز کار سنسورهایی که با طیـف هـای مرئـی و مادون قرمز کار می کنند متفاوت است لذا می توان با تلفیق اطلاعات بدست آمده تصاویر دقیقی را بدست آورد.

RADAR2 به معنای آشکارسازی به کمک امواج مایکرویو است که یک سیستم رادار سه کار عمده را انجام میدهد: -1 پالسهای ماکروویو را به سمت هدف ارسال میکند.

-2 بخش برگشتی سیگنال از طرف تارگت را دریافت و ثبت میکند .

-3در این ارسال و دریافتها قدرت سیگنال برگشتی و تاخیر زمانی رفت و برگشت را اندازه گیری و ثبت میکند . سنجنده رادار امواج ماکروویو را در جهت عمود بر مسیر پرواز به سمت تارگت زمینی ارسـال میکنـد کـه ایـن جهـت Range Direction گفته میشود، سنجنده رادار قادر خواهد بود تا فاصله بین سـنجنده بـا تارگـت زمینـی را در جهـت Range با اندازه گیری تاخیر زمانی بین موج ارسالی و موج برگشتی اندازه گیری کند و حرکت سنجنده بسمت جلو به همراه ارسال و دریافت امواج در جهت Range باعث ثبت اطلاعات در جهت دیگری میشود، این جهت که به موازات خط پرواز میباشد Azimuth Direction نامیده میشود. در اصل ارسـال امـواج در جهـت Range وجـاروب یـا اسـکن تارگت در جهت Azimuth منتج به تشکیل تصویر در دو بعد خواهد شـد. سیسـتمهای تصـویربرداری راداری دو نـوع هستند :

-1 رادار با گشودگی واقعی یا : RAR3 اولین سیستمهای سنجش از دور راداری سنجنده هـایی بودنـد کـه بـر روی هواپیما قرار می گرفتند. این سیستمها با توجه به نحـوه تصـویر برداریشـان SLAR4 نامیـده میشـدند. BeamWidth سیگنال رادار نسبت معکوسی با طول رادار دارد و برای تهیه تصاویر با رزولوشن بالا با BeamWidth کوچک نیاز بـه یک آنتن با طول بزرگتری خواهد بود، سنجنده های راداری که رزولوشن آنها حاصـل از افـرایش فیزیکـی و واقعـی طول آنتن در آنهاست سنجنده های RAR نامیده میشوند .

-2 رادار با گشودگی مصنوعی یا : SAR5 برای افزایش رزولوشن در تصاویر راداری به آنتن هایی با طول زیـاد نیـاز است که این کار عملاَ اجرایی نیست، لذا سیستمی تحت عنوان SAR طراحی گردید که در آن یک آنتن با طول بلند شبیه سازی میشود، شبیه سازی بر این اساس است که یک عارضه در مدت زمان بیشتری در میدان دید سنجنده قرار دارد و اطلاعات آن ثبت میشود. با یک سنجنده SAR با طول آنتن 2متری میتوان به قدرت تفکیک آزیمـوتی رسـید

که با یک سنجنده RAR با طول آنتن 600 متری این کار عملی بود. (امرونی حسینی، (1385

InSAR روشی برای ترکیب تصاویر SAR اخذ شده از سنجنده های راداری نصب شده روی مـاهواره یـا هواپیمـا بـه منظور تهیه نقشه های ارتفاعی، جابجایی و تغییرات سطح زمین و نیز تعیین سرعت حرکـت تارگـت اسـت. در واقـع InSAR تکنیکی راداری است و عبارت است از ترکیب تصاویر مختلط اخذ شده از یک صحنه به وسیله آنتن هایی در موقعیت های مختلف و یا در زمانهای مختلف. تداخل سنجی رادار دهانه ترکیبی یا InSAR یک فنـاوری دورسـنجی است که به منظور مطالعه حرکات سطح زمین در زمین لرزه 1992 لندرز کالیفرنیا6 ابـداع شـد. اسـاس کـار در انـدازه گیری حرکات سطح زمین استفاده از تصاویر تکراری رادار است. تصویری که از یک منطقه در یـک زمـان مشـخص

برداشت می شود ( زمان مرجع) با تصویر که در زمان دیگر توسط همان سنجنده رادار برداشت می شود، تلفیـق مـی شود. با این فناوری می توان حرکات و تغییرات ناشی از پدیده هایی مانند زمـین لـرزه، آتشفشـان، یخچالهـا، زمـین لغزش و دیاپیرهای نمکی و یا پدیده های نامنظم مانند خروج آبهای زیرزمینـی و نفـت، آبگیـری مـزارع و انفجـارات زیرزمینی را مطالعه نمود. علاوه بر این پدیده های سطحی ماننـد آتـش سـوزی، سـیلاب، تغییـرات رطوبـت و رشـد گیاهان نیز قابل تشخیص اند. بنابراین کاربردهای آن شامل بررسی و شناسـایی خطـرات طبیعـی و بشـری و کمـی سازی رابطه بشر با منابع طبیعی است. اولین کاربریInSAR برای مطالعـه حرکـات سـطح زمـین توسـط گابریـل و همکاران 7(1989) انجام شد. آنها با استفاده از تصاویر مـاهواره SEASAT برپـایی زمـین را در اثـر آبـدهی انتخـابی زمینهای ایمپریال ولی کالیفرنیا8 مطالعه کردند. با این حال تا زمان انتشار نقشه دقیق جابجایی زمین در اثر زمین لرزه 1992 لندرز کالیفرنیا و حرکات یخی داخل رودخانه یخی رتفورد9، سودمندی این روش به عنوان یـک ابـزار ژئـودزی برای جامعه علوم زمین شناخته نشده بود.(پلتزر و همکاران،10.(1995 گلدستین و همکاران 11(1993) سـرعت جریـان رودخانه های یخی قطب جنوب را با استفاده از تصاویر ERS-1، که با فاصله شش روز برداشت شده بود مطالعه کرد. این اولین باری بود که سرعت جریانهای یخی بطور مستقیم از فضا و بدون استفاده از نقاط کنترل زمینی اندازه گیری می شد. ماسونت و همکاران 12(1994) جابجایی همزمان با زمین لرزه لندرز را با اسـتفاده از تصـاویرERS-1 ، کـه بـا چند ماه اختلاف تهیه شده بودند محاسبه کردند. این اولین تصویر کاملی بود که از تغییر شکل حین زمین لرزه بدست آمده بود. ماسونت و همکاران (1995) تغییر شکل سطحی کوه آتشفشانی اتنا13 را با InSAR محاسبه کردند. از آنجـا که تغییرات سطحی می تواند از فوران های آینده یک آتشفشان فعال خبر دهد، توانایی اندازه گیری ایـن تغییـرات از فضا بدون کنترل زمینی، پیشرفتی اساسی در قابلیت های فرانگری محسوب می شود. اولین گزارش از کاربرد تکنیک اینترفرومتری به منظور افزایش قابلیت تصویربرداری راداری در زمینه نقشه بـرداری سـیارات ارائـه شـد. رودگـر14 و اینگلاس15 در سال 1969 از یک سیستم رنج داپلر مستقر در زمین به منظور تهیه نقشه سیاره ناهید16 استفاده کردند. نقاط روی قسمتهای شمالی و جنوبی کره به صورت مبهمی تصویر شدند چرا که دارای رنج و علامت داپلـر یکسـان بودند. رودگر و اینگلاس از اینترفرومتری برای حل این ابهام استفاده کردند. زیسک17 در سال 1972 از اینترفرومتری برای تهیه نقشه ارتفاعی ماه استفاده کرد. رامسی18 در سال 1974 از اینترفرومتری استفاده کـرد و نقشـه توپـوگرافی ناهید را بدست آورد. نخستین بار استفاده زمینی از تکنیک InSAR برای تهیه نقشه توپـوگرافی توسـط گراهـام19 در سال 1974 گزارش شد. اگر چه یک دهه قبل از آن مطلعات مخفیانه اینترفرومتری در لابراتوار مهندسـی توپـوگرفی ارتش آمریکا که اکنون مرکز مهندسی توپوگرافی نام دارد انجام شده بود. زبکر20 و گلدستین در سال 1987 با نصـب دو آنتن روی بدنه هواپیما در جهت پرواز، اطلاعاتی از سطح اقیانوس بدست آوردنـد. گلدسـتین در سـالهای 1988 و 1990 نشان داد که اینترفرومتری میتواند روی تصاویر SAR اخذ شده با ماهواره در عبورهای مختلـف اعمـال شـود. گابریل در سال 1989 اولین شخصی بود که از InSAR برای اندازه گیری جابجایی زمین استفاده نمود. اولـین نقشـه

جابجایی ناشی از زلزله توسط ماسونت در سال 1993 ارائه شد. زبکر درسال 1994 با ترکیب سه تصویر راداری میزان جابجایی را فقط با بهره گیری از تصاویر رادار بدست آورد. پس از این دوران پژوهشگران بسیاری در زمینه استفاده از InSAR تحقیقاتی را انجام داده اند و کاربردهای بسیاری به خصوص در زمینـه کشـف جابجاییهـا و تغییـر شـکلهای زمین ناشی از عوامل گوناگون در نظر گرفته اند. ( ایازی، اصول تداخل سـنجی رادار .(InSARاز آن زمـان تـا بحـال کارهــای متعــددی بــا اســتفاده از تصــاویر مــاهواره هــای JERS, ERS, Space Shuttle, SIR-C, X-SAR و RADARSAT برای مطالعه زمین لرزه، آتشفشان، یخچالها، زمین لغزش و فرونشینی زمین و تغییر شکل مرز ورقـه ها صورت گرفته است. با توجه به کاربردهای این فناوری و با توجه به اینکه هیچ یک از ماهواره های قبلی بـه ایـن روش اختصاص نداشتند، ماهواره هایی جدیدتر و اختصاصی طراحی و به فضا فرسـتاده شـده و خواهنـد شـد. جـدول شماره 1 فهرست ماهواره های موجود و طراحی شده که از داده های آنها در این فناوری استفاده مـی شـود را نشـان میدهد.

جدول شماره(: (1 فهرست ماهواره های موجود و طراحی شده که از فناوری InSAR استفاده میکنند. ( ایازی، اصول تداخل سنجی رادار

(InSAR

لزوم مطالعه InSAR

امروزه توانایی InSAR در تهیه نقشه های توپوگرافی و کشف جابجاییها و تغییـر شـکلهای زمـین ناشـی از عوامـل گوناگون چون زلزله، استخراج معادن، آتش فشان و غیره اثبات شده است. اگر چه برای انجام این منظورهـا امکانـات دیگری چون GPS، توتال استیشن، لیزر اسکن ها و غیره در اختیار است اما دلایل زیر که مقایسه ای است بین ایـن روشها و روش InSAR، مطالعه و استفاده از این تکنیک را لازم می نماید.

مقایسه بین InSAR و : Altimetre

InSAR قابلیت شناسایی جابجایی ها را با دقت میلیمتر دارد در حالیکه DEM بدست آمده از این روش دارای دقتـی در حد چند متر است. DEM بدست آمده از لیزر آلتیمتر دارای دقت قائم 10 سانتیمتر است و برای تعیـین جابجـایی با لیزر آلتیمتر باید DEM دوم منطقه از DEM اول کم شود. لذا دقت تعیین جابجایی نیز 10 سـانتیمتر اسـت کـه در مقایسه با InSAR دقت کمتری است. پس لیزر آلتیمتر می تواند DEM هایی با دقت بیشتر و نقشه های جابجایی بـا دقت کمتر را نسبت به InSAR تهیه نماید. البته باید توجه داشت که اکثر لیزر آلتیمترها پهنای کمی را برداشـت مـی کنند و برای تشکیل DEM قابل مقایسه با DEM بدست آمده از InSAR بایـد تعـداد زیـادی از برداشـتها را بـا هـم همپوشانی داد.

مقایسه بین InSAR و نقشه برداری زمینی :
نقشه برداری زمینی با استفاده از GPS و توتال استیشن نیز قابلیت کشف جابجاییها را در حد میلیمتر بـا دقـت قابـل مقایسه با InSAR و یا بهتر از آن نیز داردعموماَ. GPS تخمین بهتری از جابجایی افقی را فراهم می سازد همچنـین وجود بنچ مارکهای دائمی امکان نمایش تغییرات آهسته سطح زمین (همچون حرکـات تکتـونیکی) را بـرای سـالها و بدون در نظر گرفتن عدم همبستگی21 سطح فراهم ساخته است. مهمترین مزیت InSAR نسـبت بـه GPS و توتـال استیشن ها , انجام اندازه گیری در سطح وسیع و بدون نیاز به کار میدانی است در صورتیکه دو روش مذکور برداشـت نقطه ای انجام می دهند. لذا به طور کلی خصوصیاتی چون برداشت پیوسته در سطح وسیع، دقـت بـالا، مقـرون بـه صرفه بودن و امکان اخذ تصاویر تحت هر شرایط آب و هوایی دلایل عمده برای استفاده از این تکنیک است.

اصول SAR INTERFEROMETRY

به طور کلی اصول InSAR به دو بخش اساسی تقسیم می شود: بیس لاین مکانی22 و بیس لاین زمانی23

بیس لاین مکانی

در وضعیت بیس لاین مکانی (شکل (1 منطقه هدف از دو Track مختلف دریک زمان تصویربرداری می شود و بیس لاین زمانی صفر است، در وضعیت بیس لاین مکانی موقعیـت دو نقطـه تصـویربرداری معلـوم اسـت (X2,Y2,Z2) ، (X1,Y1,Z1) و فاصله این نقاط تا هدف نیز اندازه گیری شده است . (P1,P2 ) (امرونی حسینی، (1385

شکل(: (1 بیس لاین مکانی

بیس لاین زمانی
بیس لاین زمانی هنگامی اتفاق می افتد که تصاویر منطقه هر دو از یک نقطه و فقط با اختلاف زمانی گرفته شوند و موقعیت تصویربرداری در هر دو تصویر یکسان است اما زمان اخذ آنها متفاوت است به عبارت دیگر بیس لاین مکانی صفر است. یک روش برای ایجاد این حالت نصب دو آنتن SAR در طول بدنه هواپیماست که با سرعت 200 متر بر ثانیه و با فاصله دو آنتن در حدود 2 تا 200 متر بیس لاین زمانی 0,1 تا 1 ثانیه حاصل می شود. همچنین داده های ماهواره SAR که مدارهایشان به طور منظم تکرار می شود نیز امکان بدست آوردن بیس لاین زمانی را فراهم میکند که در این حالت بیس لاین زمانی یک یا چند روز است. (امرونی حسینی، (1385

بیس لاین مخلوط24
بیس لاینی است که هم شامل بیس لاین مکانی است و هم بیس لاین زمانی کـه اغلـب در حالـت اسـتفاده از داده های ماهواره ای اتفاق می افتد و میتوان همزمان پدیده های دینامیکی و توپوگرافی را بدست آوریم. (امرونی حسینی، .(1385

برای آشنایی کلی با عملکرد InSAR لازم است قبل از آن رادار دهانه ترکیب یا SAR معرفی شود. در تصـویربرداری توسط سنجنده های ماهواره ای دو سیستم کلی وجود دارد: سیستم فعال و سیستم غیرفعال. در سیستم فعال نخسـت

سنجنده امواج را به سطح زمین می تاباند، سپس بازیافت آن را دریافت می کند. در سیستم غیرفعال سنجنده امـواجی را ارسال نمی کند بلکه تنها امواج موجودر محیط (معمولاَ امواج خورشید) که توسط زمین بازتاب می شود را دریافت می کنند. برخلاف سیستم های تصویربرداری نوری غیرفعال که به امواج خورشید وابسته اند، تصویرسازی رادار یـک سیستم پرتوافشانی فعال است. جهت پرتوافشانی نسـبت بـه جریـان حرکـت وسـیله بـه سـمت مقابـل توجـه دارد. درخشندگی دامنه امواج رادار بازتابی که از یک آنتن نصب شده بر روی هواپیما یا فضاپیما گسیل شده است و توسـط سطح زمین برگردانده شده و در کسری از ثانیه توسط آنتن مشابه ای دریافت شده، اندازه گیری شده و ثبت می شود تا تصویر ساخته شود. سیستم فضابرد یا هوابرد SAR یک الگوی جانب نگر دارد کـه در شـکل 2 نمـایش داده شـده است. به دلیل شکل آنتن که در یک لحظه همانند یک نقطه عمل می کند، بازتابش از زمین محـدود بـه منطقـه ای است که به آن فوت پرینت آنتن گفته می شود. همچنان که سیستم SAR با سرعت V در راستای مسیر فرضی و در ارتفاع H از سطح زمین حرکت می کند، پهنه ای از زمین را از طریـق ارسـال و دریافـت یـک سـری پـالس هـای میکروویو تصویربرداری می کند که نرخ این پالس ها را فرکانس تکرار پالس (PRF) گویند.

شکل(: (2 هندسه سیستم SAR در یک رادار که از سمت چپ مینگرد

دریافت کننده SAR به وضوح جریان بازگشتی از زمین را ثبت می کند و آنها را به اکوهای مجزا تقسیم می کنـد بـه نحوی که هر اکو با یک پالس مطابقت داشته باشد. اکو یا امواج بازگشتی در اثر پراکنده سازها ایجاد می شوند. سطح زمین از پراکنده سازها که در واقع همان اشیاء و اجسام هستند، تشکیل شده است مثل درختان، زمین و یخ که ایـن اشیاء به امواج رادیویی گسیل شده از ماهواره واکنش نشان می دهند. از آنجا که در سیستم SAR تابش و دریافـت سیگنال در مکان تقریباَ یکسانی از فضا صورت می گیرد، واکنش هایی که در هندسه SAR اهمیـت دارنـد، انعکـاس

های امواج تابیده شده رادار است. این نوع اندرکنش، پراکندگی برگشتی نامیده مـی شـود و پراکنـده سـازهای عمـل کننده را پراکنده ساز برگشتی گویند. یک پراکنده ساز خوب میزان انرژی بیشتری را نسبت به انواع پراکنده سـازهای ضعیف یا غیرموثر منعکس می سازد. سیگنال ارسالی و اکو دریافت شده از یک پراکنده ساز مشخص، پیچیده است و از دو مولفه دامنه و فاز تشکیل شده است. دامنه اکو از بازده پراکنده ساز و عوامل هندسی سیستم تعیین می شود. در واکنش ساده پراکنده سازی، فاز اکو از فاز سیگنال ارسالی، خواص دی الکتریک محیط و مکان پراکنـده سـاز نسـبت به SAR تعیین می شود. در سیستم SAR دو سازوکار متفاوت تصویربرداری بکار برده می شـود. نخسـت هـر پـالس تابیده شده، سطح زمین را به عرض Swath جاروب می کند. در این حالت در راستای عمود بر مسـیر پـرواز مـاهواره، زمین انرژی را به رادار منعکس می کند. چون زمین از گستره پیوسته ای از پراکنده سازها شکل یافته، انرژی منعکس شده به صورت اکو پیوسته است. این اکو همزمان با فرکانس نمونه fs رقومی می شود. در همـین حـال در سـازوکار دوم، تصویربرداری در راستای پرواز و بردار سرعت حرکت سکو (ماهواره) بوده و با PRF رقومی مـی شـود. مقیـاس زمانی دو سازوکار Across-Track و Along-Track تفاوت بسیار آشکاری داشته که تفکیک آنها را امکان پـذیر مـی کند. داده های خام SAR و متعاقب آن داده های تصحیح شـده SAR بـه صـورت مـاتریس دو بعـدی هسـتند کـه مختصات آن شامل رنج R25 ، فاصله از SAR و آزیموت X نماینده مکان پراکنده ساز در مسیر سنجنده است. برای مولفه رنج در راستای Y از نام رنج زمینی استفاده می شود. اجزای دوبعدی ماتریس، یک پـیکس یـا جـزء تصـویر را شکل می دهند. درباره داده های خام SAR، به هر پیکسل مقادیر پیچیده ای نسبت داده می شود که از فاز و دامنه و یا مولفه های واقعی و یا تصویری، براساس نوع بیان، تشکیل یافته است (هوئن . 26(2001

تعریف اصطلاحاتی در مورد : InSAR

اینتر فروگرام27
اینترفرامتری ترکیب تصاویر مختلط اخذ شده از یک صحنه به وسیله آنتن هایی در موقعیـت هـای مختلـف و یـا در زمانهای مختلف است که در آنالیز InSAR دو تصویر SAR از یک منطقه اخذ شده و با کـم کـردن فـاز آنهـا از هـم اینترفروگرام حاصل می شود. (شکل (3