Monitoreo de Deformación Cortical Mediante Imágenes Radar (Banda X)

SEBASTIAN BALBARANI; PABLO EUILLADES; LEONARDO EUILLADES

Los Reyunos, San Rafael, Mendoza

Encuentro; VI EnIDI; 2011

Universidad Tecnológica Nacional, Universidad Nacional de Cuyo, Universidad Juan Agustín Maza y Universidad de Mendoza

La tecnología DInSAR (Interferometría Diferencial de imágenes Radar de Apertura Sintética) permite detectar y cuantificar desplazamientos de la corteza terrestre de magnitudes en el orden del centímetro por año. La fase interferométrica es la diferencia de fase compleja entre dos imágenes de radar tomadas desde posiciones ligeramente distintas en el espacio y en momentos diferentes. La misma contiene información tanto de la topografía como de los posibles movimientos de deformación del área iluminada. Utilizando un Modelo Digital de Elevación (MDE) es posible contrarrestar la contribución topográfica, obteniendo de esta manera un remanente proporcional a la deformación superficial ocurrida entre adquisiciones, en la dirección de vista del radar. El éxito práctico de este concepto radica en la conservación de la coherencia interferométrica. Caso contrario contendrá demasiado ruido y no será útil como medidor de deformación. La coherencia disminuye principalmente como consecuencia de imágenes tomadas desde puntos de vista muy diferentes (decorrelación geométrica), y por cambios de naturaleza aleatoria ocurridos en la celda de resolución, entre adquisiciones (decorrelación temporal). Otro efecto indeseado es la influencia de la atmósfera, quien constituye un medio de propagación de la energía electromagnética distinto del vacío. Sin embargo, cuando se trata de fase interferométrica, los retardos de la señal contribuyen a la misma si las condiciones atmosféricas son distintas en el momento de la adquisición de las imágenes. Las deficiencias en el MDE constituyen también una fuente de error, pero dadas ciertas condiciones de adquisición pueden tornarse casi insignificante. Un paso adelante en el desarrollo de esta tecnología es la utilización de la información proveniente de varios pares de imágenes para construir series temporales de deformación. Esto implica obtener la historia de deformación de cada píxel coherente durante el período de tiempo para el cual existan imágenes. SBAS (Small Baseline Subsets) es una metodología que fue desarrollada en el IREACNR (Nápoles, Italia) y consiste en la creación de subconjuntos de interferogramas diferenciales utilizando escenas caracterizadas por pequeñas separaciones orbitales, de manera tal de limitar la decorrelación espacial. Dichos subconjuntos, separados entre sí por grandes líneas de base, son ?conectados? mediante la descomposición en valores singulares (SVD) para obtener las series temporales de deformación. Esto permite mejorar la utilización de las imágenes y obtener mapas de deformación espacialmente muy densos. Por otra parte, con la reciente puesta en órbita de los satélites COSMO-SkyMed (Agencia Espacial Italiana), que funcionan en la banda X del espectro electromagnético y cuya longitud de onda es de 3 cm., es posible iluminar la escena utilizando energía electromagnética (EM) polarizada vertical u horizontalmente. Dado que la magnitud de los desplazamientos medibles son una fracción de la longitud de onda utilizada, se espera poder medir cambios de magnitud menor que los hasta el presente estudiados mediante Banda C. Sin embargo, debido a la naturaleza de la interacción entre la señal enviada y la superficie terrestre, es también esperable una mayor decorrelación, o lo que es equivalente, una menor relación señal/ruido. Como consecuencia de esto, es probable un gran deterioro en la densidad de puntos de la imagen en los cuales la deformación obtenida sea confiable. La presente propuesta apunta fundamentalmente a estudiar alternativas para resolver el problema anterior. En este contexto, se propone estudiar la dependencia de la coherencia temporal de la polarización de energía EM incidente. El parámetro clave que permite medir la estabilidad de la fase interferométrica es la coherencia interferométrica, y su evolución temporal para cada celda de resolución de la imagen de radar indica durante cuánto tiempo la misma reportará información confiable. Sería posible, combinando procesamiento de imágenes adquiridas en polarización HH y VV, mejorar la densidad de puntos estudiados mediante la técnica SBAS, aprovechando aquellos dispersores que funcionan bien en una y otra polarización. El objetivo principal de esta propuesta doctoral es el desarrollo de la capacidad de procesamiento interferométrico diferencial de imágenes de radar de apertura sintética (Banda X) con diferentes polarizaciones. Esto implica el desarrollo y adaptación de software específico y la proposición y validación de nuevas técnicas de procesamiento. El trabajo en esta línea permitirá aprovechar el dataset adquirido por los satélites COSMO-SkyMed, de la Agencia Espacial Italiana. La Constelación COSMO-SkyMed es capaz de adquirir aproximadamente 40 imágenes por año, utilizando la misma configuración geométrica (necesario para Interferometría). Durante el primer año de esta propuesta será posible adquirir al menos dos dataset de 20 imágenes cada uno, con polarización HH y VV respectivamente, y estudiar la aplicabilidad de tales datos para el monitoreo de deformación superficial asociada con sismos, extracción de fluidos del subsuelo (agua, petróleo, gas), vulcanismo y obras civiles (túneles, minería), así como estudiar el comportamiento de los datos adquiridos en distintas polarizaciones. Se participará en el desarrollo de la cadena de elaboración para procesar imágenes COSMOSkyMed. La misma involucra las siguientes etapas: Enfocado y Registración, Generación de los pares interferométricos, Construcción de interferogramas, Estimación de topografía, Cálculo de interferogramas diferenciales, Filtrado y Desenrollado de fase de los interferogramas diferenciales, y finalmente: Obtención de series temporales de deformación. Se realizará el procesamiento mediante la técnica SBAS de imágenes adquiridas en distintas polarizaciones sobre el área piloto de la ciudad de Mendoza y sus alrededores. La provisión de dichas imágenes está garantizada por el proyecto ?Monitoring crustal deformation in Mendoza region with X-band dual polarization data and SBAS?, aprobado en el marco del Anuncio de Oportunidad de la Constelación COSMO-SkyMed, y dirigido por el Dr. Pablo Euillades. El área piloto presenta interesantes características de deformación cortical, reveladas mediante procesamiento SBAS de imágenes ERS y ENVISAT, y GPS diferencial. Se estudiará la distribución espacial y las estructuras responsables, de puntos coherentes en ambas polarizaciones, tanto en zona urbanizada como no urbanizada. Se combinarán las series de deformación logradas mediante el procesamiento de ambas polarizaciones, intentando un mejoramiento de la cobertura espacial de la solución. Eventualmente se propondrán modelos de retrodispersión de la señal EM. Dentro del área de interés existen instalaciones adecuadas para el estudio que se pretende realizar: en particular 7 estaciones continuas GPS actualmente en funcionamiento, y reflectores de esquina ubicados en las cercanías de las mismas. Estas estructuras serán utilizadas para la validación de los resultados obtenidos.