7. ΓΕΩ ΑΙΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ SAR «ΕΙ ΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ ΟΡΥΦΟΡΙΚΗΣ ΓΕΩ ΑΙΣΙΑΣ»
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 7.0 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟ ΙΣΤΟΡΙΚΟ... 2 7.1 ΚΥΡΙΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΡΑΝΤΑΡ... 5 7.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΑΝΤΑΡ ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΥ ΑΝΟΙΓΜΑΤΟΣ... 7 7.3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΗΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ SAR... 10 7.4 ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΡΑΝΤΑΡ... 12 7.5 ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ SAR... 14 7.6 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΡΟΣΣΩΝ ΣΥΜΒΟΛΗΣ... 15 7.7 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΦΑΣΗΣ... 18 7.8 ΤΥΠΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ... 19 7.8.1 ΜΕΛΈΤΕΣ ΤΕΚΤΟΝΙΚΏΝ ΜΙΚΡΟΜΕΤΑΚΙΝΉΣΕΩΝ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΟΡΦΏΣΕΩΝ... 19 7.8.2 ΜΕΛΈΤΕΣ ΗΦΑΙΣΤΕΊΩΝ... 21 7.8.3 ΜΕΛΈΤΕΣ ΚΑΘΙΖΉΣΕΩΝ... 22 7.8.4 ΜΕΛΈΤΕΣ ΠΑΓΕΤΏΝΩΝ... 23 2
7.0 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΣΥΝΤΟΜΟ ΙΣΤΟΡΙΚΟ Η ονομασία ραντάρ είναι ένα αρκτικόλεξο, που προέρχεται από τους αγγλικούς όρους RAdio Detection Αnd Ranging (RADAR), δηλαδή ανίχνευση ραδιοκυμάτων και μέτρηση απόστασης, που υποδηλώνουν και τη βασική λειτουργία των συστημάτων ραντάρ. Ένα τυπικό ραντάρ μετρά τη ένταση της ενέργειας και το χρόνο της διπλής διαδρομής των μικροκυμάτων που εκπέμπονται από μια αντένα ραντάρ και ανακλώνται από την επιφάνεια διαφόρων αντικειμένων που παρεμβάλλονται στην πορεία τους. Η αντένα ενός ραντάρ διαβιβάζει διαδοχικά και λαμβάνει παλμούς μικροκυμάτων στο τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που καλύπτει τα μήκη κύματος από 10 4 mm μέχρι 1 cm, δηλαδή το φάσμα συχνοτήτων περίπου από 300 MHz μέχρι 30 GHz. Οι φυσικές αρχές λειτουργίας των ραντάρ αναπτύχθηκαν αρχικά, περί το 1887, από τον γερμανό φυσικό Heinrich Hertz, ο οποίος διαπιστώνοντας κατά τη διάρκεια πειραμάτων του ότι μερικά υλικά αντανακλούσαν τα ραδιοκύματα, διερεύνησε τη δυνατότητα δημιουργίας ενός συστήματος που θα επέτρεπε να μετρηθεί η ταχύτητα των ραδιοκυμάτων. Για τα επόμενα τριάντα χρόνια, επιστήμονες σε όλο τον κόσμο ερευνούσαν την πρακτική χρήση των ραδιοκυμάτων για την ανίχνευση και τον εντοπισμό αντικειμένων που παρεμβάλλονταν στην πορεία διάδοσης των ραδιοκυμάτων. Καθ' όλη τη διάρκεια της δεκαετίας του '20 και της δεκαετίας του '30, η μεγαλύτερη προσπάθεια εστιάστηκε στην ανάπτυξη συστημάτων τα οποία θα ήταν δυνατόν να μεταδώσουν και να λάβουν ραδιοκύματα. Από τη δεκαετία του '40, και την έναρξη του 2 ου παγκόσμιου πολέμου, τα πρώτα συστήματα ραντάρ χρησιμοποιήθηκαν από τη Γερμανία, Γαλλία, Μεγάλη Βρετανία, και οι Ηνωμένες Πολιτείες για την πλοήγηση των σκαφών και αεροσκαφών τους, και για να ανιχνεύουν εχθρικά σκάφη και αεροσκάφη. Από τις εν λόγω εφαρμογές κατά τη διάρκεια του πολέμου, ανακαλύφθηκε και η μετέπειτα σημαντικότερη πολιτική εφαρμογή των συστημάτων ραντάρ: η δυνατότητα ανίχνευσης καιρικών φαινομένων όπως η βροχή και το χιόνι, που εμφανιζόταν συστηματικά στις οθόνες των τότε στρατιωτικών ραντάρ. Τα εν λόγω συστήματα ραντάρ είναι σήμερα γνωστά ως ραντάρ Doppler, δεδομένου ότι η λειτουργία τους βασίζεται στο γνωστό φαινόμενο Doppler που χαρακτηρίζει την αλλαγή στη συχνότητα ενός σήματος από μια κινούμενη πηγή εξ αιτίας της κίνησης της προς την κατεύθυνση ή μακριά από ένα παρατηρητή, όπως για παράδειγμα, η μεταβολή της έντασης του ήχου ενός τραίνου, ενός αεροσκάφους ή ενός οχήματος καθώς περνά ή απομακρύνεται. Σε αυτού του τύπου συστημάτων ραντάρ Doppler βασίζονται δύο πολύ γνωστές καθημερινές εφαρμογές: τα ραντάρ ταχύτητας που χρησιμοποιεί η αστυνομία για τον εντοπισμό οχημάτων που κινούνται με υψηλές (πέραν των επιβαλλόμενων ορίων) ταχύτητες και τα ραντάρ καιρού που χρησιμοποιούν οι μετεωρολόγοι για την ανίχνευση καιρικών διαταράξεων (π.χ. βροχή, χαλάζι, καταιγίδες, κ.ά). 3
Δορυφόρος (έτος εκτόξευσης) Συχνότητα (GHz) Attribute Επανάληψη & Υψόμετρο τροχιάς (km) τροχιάς (μέρες) Η χρήση των συστημάτων ραντάρ για εφαρμογές τηλεπισκόπησης στηρίζεται στη λειτουργία ενός αισθητήρα ραντάρ εγκαταστημένου σε μια κινούμενη πλατφόρμα (π.χ. ένα αεροπλάνο ή δορυφόρο). Τα αερομεταφερόμενα συστήματα ραντάρ άρχισαν να χρησιμοποιούνται για πολιτικές εφαρμογές στη δεκαετία του 1960, κυρίως ως εργαλείο τηλεπισκόπησης για εφαρμογές διαχείρισης των φυσικών πόρων και για μελέτες της μορφολογίας του εδάφους. Στην περίοδο από το 1970 μέχρι και τις αρχές της δεκαετίας του 1990 δημιουργήθηκαν και δοκιμάσθηκαν από πολιτικούς φορείς, π.χ. από το Καναδικό Κέντρο Τηλεπισκόπησης (Canadian Center for Remote Sensing, CCRS) και το Jet Propulsion Laboratory της NASA, τα πρώτα πειραματικά συστήματα Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar, SAR), που λειτούργησαν αρχικά σε αεροπλάνα και αργότερα σε δορυφόρους. Γωνία Πρόσπτωσης (deg) Εύρος ζώνης (swath width, km) Διακριτική ικανότητα (m) SEASAT (1978) L (1.3) 800 3 23 100 23 SIR-A (1981) L (1.275) 259 50 50 40 360,257, SIR-B (1984) L (1.3) 15-55 20-50 16-58 244 ERS-1 (1991) C (5.3) 785 3, 35, 168 23 100 25 JERS-1 (1991) L (1.2) 565 44 35 75 30 L (1.3) SIR-C (1994) C (5.2) 225 15-55 15-90 10-25 X (9.7) ERS-2 (1995) C (5.3) 785 35 23 100 25 RADARSAT (1995) C (5.3) 792 24 20-50 50-500 28 SRTM (2000) ENVISAT (2002) C (5.2) X (9.7) 233 20-65 50, 225 20-30 C ( 5.331) 800 35 18-42 400 30 Τα πρώτα αερομεταφερόμενα συστήματα SAR χρησιμοποιούσαν μια αντένα στραμμένη προς τη μια πλευρά του αεροσκάφους και για το λόγο αυτό είχαν την ονομασία πλευρικά αερομεταφερόμενα συστήματα ραντάρ (Sidelooking Airborne Radar, SLAR). Τα σημερινά αερομεταφερόμενα συστήματα SAR έχουν τη δυνατότητα απεικονίσεων με τυπικές διαστάσεις εικόνας περίπου 12 x 12 km και υψηλές διακριτικές ικανότητες (της τάξης 10-4
100 cm), που ωστόσο υποβαθμίζονται από προβλήματα που προκαλούνται από τυχόν ακανόνιστες παρεκκλίσεις του αεροσκάφους από την προγραμματισμένη πορεία του, που με τη σειρά τους δημιουργούν προβλήματα στην εστίαση των εικόνων SAR. Το πρώτο διαστημικό σύστημα SAR κατασκευάστηκε από τη NASA και δοκιμάστηκε στο δορυφόρο SEASAT το 1978. Το πρώτο αυτό δορυφορικό σύστημα SAR αποτέλεσε και το πρότυπο για τις επόμενες αποστολές διαστημικών συστημάτων SAR που ακολούθησαν αρχικά σε μια σειρά πτήσεων των διαστημικών λεωφορείων, τα λεγόμενα. συστήματα Shuttle Imaging Radar, SIR (SIR- A, SIR-B, SIR-C). Τα πρώτα πραγματικά επιχειρησιακού και εμπορικού χαρακτήρα δορυφορικά συστήματα SAR τοποθετήθηκαν στους ευρωπαϊκούς δορυφόρους ERS-1, ERS- 2 και πρόσφατα στον ENVISAT, στον ιαπωνικό δορυφόρο τηλεπισκόπησης JERS-1, τον ρωσικό δορυφόρο ALMAZ, και τον καναδικό δορυφόρο RADARSAT-1. Η χωρική διακριτική ικανότητα των μη στρατιωτικών δορυφορικών συστημάτων SAR είναι γενικά της τάξης των 10-20 cm και τυπικές διαστάσεις εικόνας περίπου 100x100 km. 7.1 ΚΥΡΙΟΙ ΤΥΠΟΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΡΑΝΤΑΡ Τα συστήματα ραντάρ που χρησιμοποιούνται σήμερα στην τηλεπισκόπηση για εφαρμογές που επίσης παρουσιάζουν μεγάλο γεωδαιτικό ενδιαφέρον ανήκουν στους εξής κύριους τύπους: Τα ραντάρ πλευρικής απεικόνισης (Sidelooking Imaging Radars, SIR) Τους υψομετρητές ή αλτιμετρικά ραντάρ (Nadir-looking Radars) Τα ραντάρ διασκορπισμού (Scatterometers) Τα ραντάρ απεικόνισης λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως μια φωτογραφική μηχανή λήψης που χρησιμοποιεί το φως από ένα φλας για να φωτίσει ένα αντικείμενο και να πάρει μια εικόνα. Ωστόσο, στη προκειμένη περίπτωση ενός ραντάρ απεικόνισης, αντί φακού και φιλμ, χρησιμοποιείται μια ή περισσότερες αντένες για να καταγραφεί με υψηλή διακριτική ικανότητα η ψηφιακή εικόνα μιας περιοχής δια μέσου της ανάκλασης μικροκυματικής ακτινοβολίας από το έδαφος και άλλα αντικείμενα (τους συχνά αποκαλούμενους στόχους) στην περιοχή ενδιαφέροντος. Οι υψομετρητές ή αλτιμετρικά ραντάρ χρησιμοποιούνται για την καταγραφή των υψομετρικών μεταβολών της επιφάνειας κάτω από την τροχιά του αισθητήρα. Αλτίμετρα ραντάρ χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη για τον προσδιορισμό του ύψους των πτήσεων και σε γεωδαιτικούς δορυφόρους για την εκτίμηση και τη χαρτογράφηση της επιφάνειας της θάλασσας. Την τελευταία εικοσαετία, εξ αιτίας μιας σειράς ειδικών δορυφόρων (ERS-1 και -2, TOPEX/Poseidon, Jason-1, ENVISAT), τα δορυφορικά αλτίμετρα ραντάρ χρησιμοποιούνται για τη συστηματική μελέτη των ωκεανών, ιδιαίτερα όσον αφορά τη δυναμική κατάσταση τους. 5
Τα ραντάρ διασκορπισμού χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό προσδιορισμό της ενέργειας που ανακλάται από τους στόχους σαν συνάρτηση της γωνίας πρόσπτωσης, της κατεύθυνσης φωτισμού, της πόλωσης των σημάτων, τις ιδιότητες (τραχύτητα) της επιφάνειας που αντανακλά τα σήματα, κλπ. Επίγεια ραντάρ διασκορπισμού χρησιμοποιούνται εκτενώς για τη μέτρηση της οπισθοδιασποράς ή οπισθοσκέδασης (backscattering) των σημάτων από τους διάφορους στόχους προκειμένου να χαρακτηριστούν τα διαφορετικά υλικά και οι τύποι των επιφανειών που προκαλούν την ανάκλαση των σημάτων. Αντίστοιχα δορυφορικά ραντάρ διασκορπισμού χρησιμοποιούνται κυρίως για τον προσδιορισμό της διεύθυνσης και της ταχύτητας των ανέμων πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας. Η σημαντικότερη διαφορά μεταξύ των παραπάνω συστημάτων ραντάρ είναι ότι αλτιμετρικά ραντάρ και τα ραντάρ διασκορπισμού ουσιαστικά κάνουν μετρήσεις σε μια γραμμική διάσταση, σε αντιδιαστολή με τη δυσδιάστατη απεικόνιση που είναι δυνατή από τα ραντάρ απεικόνισης. Ως προς τις εφαρμογές τους, οι δύο πρώτοι τύποι ραντάρ παρουσιάζουν και σημαντικό γεωδαιτικό ενδιαφέρον, δεδομένου ότι οι μετρήσεις τους έχουν οδηγήσει σε πολλές σημαντικές γεωδαιτικές και τοπογραφικές εφαρμογές στη διεξαγωγή γεωλογικών, γεωφυσικών και σεισμολογικών και ωκεανογραφικών μελετών και ερευνών. Στις επόμενες ενότητες εξετάζονται κυρίως οι βασικές λειτουργικές αρχές και οι αντιπροσωπευτικές εφαρμογές των ραντάρ απεικόνισης και ιδιαίτερα της τεχνικής της Συμβολομετρίας των δορυφορικών Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar, SAR), που τα τελευταία χρόνια έχουν αποκτήσει μεγάλο γεωδαιτικό ενδιαφέρον τόσο για την παραγωγή ψηφιακών μοντέλων εδάφους, όσο και για την παρακολούθηση μικρομετακινήσεων της γήινης επιφάνειας. Τα λόγω συστήματα ραντάρ αποτελούν ενεργά, μονοστατικά (δηλαδή χρησιμοποιούν την ίδια αντένα για την εκπομπή και τη λήψη των παλμών ραντάρ) συστήματα ραντάρ πλευρικής απεικόνισης, τα οποία παρέχουν μοναδικές ικανότητες ως εργαλεία απεικόνισης. Χαρακτηρίζονται ως ενεργά συστήματα τηλεπισκόπησης, δεδομένου ότι λειτουργούν ανεξάρτητα από τον ηλιακό φωτισμό και μπορούν να απεικονίσουν μια εικόνα οποιαδήποτε στιγμή της ημέρας ή της νύχτας. Επιπλέον, επειδή τα μήκη κύματος των σημάτων ραντάρ είναι πολύ πιο μεγάλα από εκείνα της ακτινοβολίας του ορατού ή υπέρυθρου φωτός, τα συστήματα SAR μπορεί επίσης "να δουν" κάτω από νεφελώδεις συνθήκες, ύπαρξη ομίχλης και αιθαλομίχλης, δηλαδή συνθήκες κάτω από τις οποίες τα ορατά και υπέρυθρα όργανα αδυνατούν να λειτουργήσουν. Ως εκ τούτου τα συστήματα SAR έχουν σχεδόν παντός καιρού δυνατότητες και υψηλή διακριτική ικανότητα απεικόνισης, από τον αέρα και το διάστημα, γεγονός που τα καθιστά ιδιαίτερα χρήσιμα για τη μελέτη περιοχών όπου οι καιρικές συνθήκες είναι ως επί το πλείστον άσχημες. Σε αντίθεση, τα παθητικά συστήματα τηλεπισκόπησης μετρούν τη φυσική ακτινοβολία που εκπέμπεται από διάφορα φυσικά και άλλα αντικείμενα, καθώς και την ενέργεια ειδικών στόχων από άλλες πηγές (π.χ. θερμική ακτινοβολία). Παραδείγματος χάριν, η αντανάκλαση της ηλιακής ακτινοβολίας σε μια φωτογραφική μηχανή είναι ένα παράδειγμα ενός παθητικού συστήματος. Μια δυσκολία με τα παθητικά συστήματα είναι ότι με τους αισθητήρες τους, δεδομένου ότι χρησιμοποιούν την ακτινοβολία από το ορατό τμήμα του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, δεν μπορούν να ληφθούν καλής ποιότητας εικόνες σε ομίχλη, τα σύννεφα ή το σκοτάδι. Εξ αιτίας των παραπάνω χαρακτηριστικών, οι απεικονίσεις SAR χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως για διεπιστημονικές εφαρμογές στη γεωργία, την οικολογία, τη γεωλογία, την ωκεανογραφία, και την υδρολογία καθώς επίσης και για τη μελέτη των αρκτικών περιοχών και των καλυμμένων από πάγους θαλασσών, γεωφυσικές διασκοπίσεις για την εξερεύνηση πετρελαίου, τον ωκεάνιο έλεγχο ρύπανσης, και 6
την ωκεάνια έρευνα. Το γεωδαιτικό ενδιαφέρον για τα συστήματα SAR, εμφανίζεται από τα μέσα της δεκαετίας του 1970, όταν η αξιοποίηση του φαινομένου της Συμβολομετρίας επί των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων του σήματος των συστημάτων SAR έδωσε νέες δυνατότητες συλλογής τρισδιάστατης πληροφορίας υψηλής ακρίβειας και αξιοπιστίας για την περιοχή που απεικονίζεται σε δύο εικόνες SAR, επιτρέποντας με κατάλληλη επεξεργασία τη συσχέτιση αυτής της πληροφορίας με την τοπογραφία και το ανάγλυφο (ισοϋψείς καμπύλες) του εδάφους. 7.2 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΑΝΤΑΡ ΣΥΝΘΕΤΙΚΟΥ ΑΝΟΙΓΜΑΤΟΣ Η ονομασία ραντάρ συνθετικού ανοίγματος (Synthetic Aperture Radar, SAR) αναφέρεται σε συστήματα ραντάρ που εφαρμόζουν μια τεχνική που συνθέτει την μέτρηση μιας αντένας μεγάλου μήκους με το συνδυασμό των σημάτων (ηχώ) που παραλαμβάνονται από ένα ραντάρ καθώς αυτό κινείται κατά μήκος της διαδρομής πτήσης του. Ο όρος άνοιγμα στην προκειμένη περίπτωση υποδηλώνει το (φυσικό) άνοιγμα που χρησιμοποιείται για τη συλλογή της ανακλώμενης ενέργειας του παλμού του ραντάρ που χρησιμοποιείται για να διαμορφωθεί μια εικόνα. Σε αντιδιαστολή, ένα συνθετικό άνοιγμα κατασκευάζεται με την κίνηση του πραγματικού ανοίγματος (ή σωστότερα της αντένας) ενός ραντάρ μέσω μιας σειράς θέσεων κατά μήκος της διαδρομής πτήσης του αισθητήρα ραντάρ. Καθώς το ραντάρ κινείται, ένας παλμός εκπέμπεται διαδοχικά σε τακτά χρονικά διαστήματα (τυπικά 10-50 μsec) και η ηχώ της ανακλώμενης ενέργειας κάθε παλμού, από τα σημεία του εδάφους ή αντικειμένων, λαμβάνεται από το δέκτη του ραντάρ και καταγράφονται το πλάτος, η φάση και η συχνότητα του ανακλώμενου (οπισθοσκεδαζόμενου) σήματος. Επειδή το ραντάρ κινείται σε σχέση με το έδαφος, οι επιστρεφόμενες ηχώ είναι μετατοπισμένες εξ αιτίας του φαινομένου Doppler (αρνητικά καθώς το ραντάρ πλησιάζει έναν στόχο ή θετικά καθώς απομακρύνεται). Η σύγκριση της μετατοπισμένης εξ αιτίας του Doppler συχνότητας του εκάστοτε ανακλώμενου σήματος με την αντίστοιχη συχνότητα αναφοράς του εκπεμπόμενου παλμού επιτρέπει την ανίχνευση πολλαπλών ανακλώμενων σημάτων που σχετίζονται με κάθε σημείο του αντίστοιχου αντικειμένου που προκαλεί την ανακλώμενη ηχώ. Η εν λόγω διαδικασία εστίασης του SAR ουσιαστικά αυξάνει το μήκος της αντένας του ραντάρ που απεικονίζει το συγκεκριμένο σημείο. Αυτή η λειτουργία, είναι συνήθως γνωστή ως επεξεργασία SAR, και γίνεται εντελώς ψηφιακά. Το σημαντικό τεχνικό σημείο στην επεξεργασία SAR είναι να μπορεί κανείς να ταιριάξει σωστά την εκάστοτε παραλλαγή στη συχνότητα Doppler για κάθε σημείο στην εικόνα: αυτό απαιτεί πολύ ακριβή γνώση της σχετικής κίνησης μεταξύ της πλατφόρμας και των αντικειμένων που απεικονίζονται (που είναι εξ άλλου και η πρωτογενής αιτία της μετατόπισης Doppler). Το αποτέλεσμα της εν λόγω ψηφιακής επεξεργασίας είναι μια υψηλής διακριτικότητας εικόνα, κάθε εικονοστοιχείο της οποίας αντιπροσωπεύεται από ένα 7
μιγαδικό αριθμός που αναπαριστά το εύρος και τη φάση του ανακλώμενου (οπισθοσκεδαζόμενου) σήματος από το εκάστοτε συγκεκριμένο σημείο του εδάφους που αντιστοιχεί στο συγκεκριμένο εικονοστοιχείο. Εκ της φύσεως τους ως ενεργά συστήματα τηλεπισκόπησης, τα SAR λειτουργούν συγχρόνως ως πομποί και ως δέκτες, δηλαδή: Εκπέμπουν το σήμα τους (και αντίστοιχη ενέργεια) προς τη γήινη επιφάνεια Λαμβάνουν πίσω στην αντένα την ενέργεια που ανακλάται από τα διάφορα φυσικά ή άλλα αντικείμενα (τους λεγόμενους στόχους ή σκεδαστές) στην περιοχή υπερπτήσης του αισθητήρα που χρησιμοποιείται. Υπολογίζουν την απόσταση των στόχων από την αντένα του αισθητήρα μετρώντας το χρόνο της διπλής διαδρομής του σήματος. Ο πρώτος τύπος πληροφορίας, που παρέχεται από τα συστήματα SAR, προέρχεται από τη κωδικοποίηση της ισχύος του ανακλώμενου σήματος ή του εύρους του παλμού, το οποίο επηρεάζεται από τις διαφορετικές φυσικές ιδιότητες της επιφάνειας που ανακλά το σήμα του ραντάρ, συμπεριλαμβανομένης της κλίσης της επιφάνειας, του μεγέθους των συστατικών που τη συνιστούν (δηλ., άμμος εναντίον λίθων ή βράχων), και της υγρασίας του εδάφους. Στη πράξη, σήματα ραντάρ σε συχνότητες με διαφορετικά μήκη κύματος είναι χρήσιμα για διαφορετικές εφαρμογές, δεδομένου ότι, όπως εξηγείται παρακάτω, η μικροκυματική ενέργεια διασκορπίζεται διαφορετικά από τις διάφορες επιφάνειες κατά τρόπο που εξαρτάται από τις διηλεκτρικές ιδιότητες τους. Για παράδειγμα, σήματα ραντάρ στις συχνότητες X-band (δηλαδή με μικρό μήκος κύματος, λ=3 cm) ανακλώνται από τα φυλλώματα στις κορυφές δέντρων. Αντίθετα, σήματα ραντάρ στις συχνότητες L-band (δηλαδή με μεγάλο μήκος κύματος, λ=24 cm) διαπερνούν τα φυλλώματα των δέντρων και ανακλώνται από το έδαφος. Σήματα ραντάρ στις ενδιάμεσες συχνότητες C-band (δηλαδή με μήκος κύματος, λ=6 cm) συνήθως δημιουργούν πολλαπλές οπισθοσκεδάσεις κατά τη διέλευση τους μέσα από τα φυλλώματα των δέντρων. Το δεύτερο είδος πληροφοριών που περιλαμβάνεται στο σήμα επιστροφής του παλμού του ραντάρ αφορά την απόσταση του εκάστοτε στόχου στο έδαφος από το δορυφόρο. Μπορούμε να σκεφτούμε έναν παλμό ραντάρ ως μια νοητή μετροταινία που βαθμολογείται με μονάδες του μήκους κύματος λ του σήματος ραντάρ π.χ. για τον αισθητήρα SAR των δορυφόρων ERS, το μήκος κύματος του σήματος του ραντάρ είναι 5.66 cm. Η εν λόγω απόσταση στόχουδορυφόρου όταν διαιρεθεί με το χρησιμοποιημένο μήκος κύματος του σήματος του ραντάρ (π.χ. μερικά εκατοστόμετρα), αντιστοιχεί σε εκατομμύρια κύκλων φάσης του φέροντος κύματος. Το κλασματικό μέρος της απόστασης της διπλής διαδρομής είναι η μετρούμενη φάση του ανακλώμενου σήματος. Εάν ήμαστε σε θέση να αποκτήσουμε δύο εικόνες ραντάρ σε διαφορετικούς χρόνους από ακριβώς το ίδιο σημείο στο χώρο και να τις συγκρίνουμε, οποιαδήποτε μετακίνηση της επίγειας επιφάνειας προς ή μακριά από το δορυφόρο εκφράζεται ως διαφορά της φάσης 8
των σημάτων που αντιστοιχούν στα αντίστοιχα εικονοστοιχεία των δύο εικόνων. Οι εικόνες SAR, μοιάζουν με φωτογραφίες, άλλα είναι πραγματικοί χάρτες στους οποίους η φωτεινότητα που εμφανίζεται από κάθε εικονοστοιχείο εκφράζει ένα μέτρο της ενέργειας της μικροκυματικής ακτινοβολίας του ραντάρ, που ανακλάται και απεικονίζεται πίσω στην αντένα. Με άλλα λόγια, τα εικονοστοιχεία μιας εικόνας SAR αντιπροσωπεύουν την οπισθοδιασπορά του σήματος από τη συγκεκριμένη περιοχή που απεικονίζουν: δηλαδή, σκουρότερες αποχρώσεις της εικόνας απεικονίζουν επιφάνειες που προκαλούν χαμηλή οπισθοδιασπορά του σήματος, δηλαδή αντανακλούν μικρό ποσοστό της ενέργειας της μικροκυματικής ακτινοβολίας του παλμού του ραντάρ, ενώ ελαφρότερες αποχρώσεις της εικόνας απεικονίζουν επιφάνειες που εικόνες SAR. προκαλούν υψηλή οπισθοδιασπορά, δηλαδή αντανακλούν μεγάλο ποσοστό της ενέργειας της μικροκυματικής ακτινοβολίας του παλμού του ραντάρ. Γενικά η οπισθοδιασπορά ενός σήματος ραντάρ εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως: Το μήκος κύματος ή την συχνότητα του σήματος που χρησιμοποιείται. Το μέγεθος και τις διηλεκτρικές ιδιότητες των σκεδαστών στην εκάστοτε περιοχή που απεικονίζεται. Για παράδειγμα, περιοχές με υγρασία δημιουργούν μεγαλύτερη οπισθοδιασπορά και εμφανίζονται με φωτεινούς τόνους στις εικόνες SAR. Εξαίρεση στον εν λόγω κανόνα αποτελούν επιφάνειες ήρεμων υδάτων, όπως λίμνες, που ενεργούν σαν τελείως επίπεδες επιφάνειες (καθρέπτες) και εμφανίζονται με σκούρους τόνους στις Την πόλωση των παλμών του σήματος. Μερικά συστήματα SAR εκπέμπουν και λαμβάνουν σήματα με οριζόντια (H) ή κάθετη (V) πόλωση σε διάφορους συνδυασμούς: HH, VV, HV, VH. Συνεπώς η μέτρηση της διαφοράς φάσης στα σήματα HH ή VV αντιπροσωπεύει διαφορές στη φυσική σύσταση των σκεδαστών. Τη γωνία πρόσπτωσης (incident angle) του παλμού σε σχέση με την κατακόρυφο στο εκάστοτε σημείο σκέδασης του σήματος (π.χ. όσο μικρότερες είναι οι γωνίες πρόσπτωσης τόσο μεγαλύτερη είναι η οπισθοσκέδαση που προκαλείται). 9
7.3 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΤΗΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ SAR Η Συμβολομετρία SAR μπορεί να εφαρμοστεί σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις: α) Η Συμβολομετρία στη κάθετη στην τροχιά διεύθυνση (Across-track Interferometry) προσφέρει την ικανότητα να παραχθούν τοπογραφικοί χάρτες που χρησιμοποιούν τα σήματα δύο διαφορετικών αντενών ραντάρ στην κατεύθυνση που είναι κάθετη στη τροχιά της πτήσης του χρησιμοποιούμενου αισθητήρα SAR. Λόγω της απόστασης B(=ρ 21 ) μεταξύ των δύο αντενών, που αναφέρεται επίσης ως γραμμή βάσης, οι αποστάσεις από τις δύο αντένες ενός μεμονωμένου σημείου στο έδαφος που αντανακλά τον παλμό ραντάρ διαφέρουν κατά ένα μικρό ποσό Δρ(=ρ 2 -ρ 1 ). Η εν λόγω διαφορά Δρ της απόστασης μεταξύ των δύο αντενών αντιστοιχεί σε μια διαφορά φάσης Δφ στα λαμβανόμενα σήματα στις δύο αντένες, από την οποία μπορεί να υπολογισθεί το υψόμετρο του εν λόγω σημείου. Στην πράξη χρησιμοποιούνται δύο διαφορετικές μέθοδοι για την υλοποίηση μιας γραμμής βάσης στη περίπτωση της Συμβολομετρίας στη κάθετη στην τροχιά διεύθυνση: i) Η Συμβολομετρία απλής ή μονής υπερπτήσης (single pass Interferometry): Σε αυτήν την περίπτωση και οι δύο αντένες τοποθετούνται στην ίδια πλατφόρμα με μια σταθερή απόσταση μεταξύ τους. Με αυτό τον τρόπο μια εικόνα ραντάρ λαμβάνεται μετά από ένα απλό πέρασμα της πλατφόρμας του αισθητήρα πάνω από την περιοχή ενδιαφέροντος. Μια ειδική τέτοια περίπτωση αποτελούσε η ειδική αποστολή του διαστημικού λεωφορείου (Shuttle Radar Topographic Mission, SRTM) που μετέφερε ένα ειδικό μηχανισμό δύο αντενών που χρησιμοποιήθηκαν, σε μια 11-ήμερη πτήση το 2000, για τη λεπτομερή χαρτογράφηση του 80% του πλανήτη από μετρήσεις SAR. ii) Η Συμβολομετρία διπλής υπερπτήσης (two pass Interferometry): Σε αυτήν την περίπτωση χρησιμοποιείται μόνο μια αντένα σε δύο διαφορετικές θέσεις. Δηλαδή, η πλατφόρμα του αισθητήρα πρέπει να περάσει πάνω από την ίδια περιοχή ενδιαφέροντος στην ίδια κατεύθυνση κατά μήκος της ίδιας ή μιας τροχιάς παράλληλης στην πρώτη. Μια ειδική τέτοια περίπτωση είναι όταν γίνεται ταυτόχρονη χρήση δύο δορυφόρων που κινούνται σε τροχιές σχηματισμού τις λεγόμενες τροχιές συνεργασίας (tandem orbits) όπου οι δορυφόροι κινούνται σε μικρές προκαθορισμένες αποστάσεις μεταξύ τους στην ίδια ή σε ελαφρά παράλληλες τροχιές (π.χ. στην περίπτωση των δορυφόρων ERS-1 και ERS-2 ή ERS-2 και ENVISAT). 10
β) Η Συμβολομετρία κατά μήκος της τροχιάς (Along-track Interferometry) προσφέρει τη δυνατότητα να ανιχνευθεί η κίνηση των στόχων ενδιαφέροντος κατά τη διάρκεια της μέτρησης. Στη περίπτωση αυτή, η γραμμή βάσης υλοποιείται κατά μήκος της τροχιάς του αισθητήρα SAR, αποκλειστικά από απλές ή μονές υπερπτήσεις, χρησιμοποιώντας δύο αντένες, που χωρίζονται κατά μήκος της κατεύθυνσης κίνησης του αισθητήρα ραντάρ. Μια τυπική τέτοια τεχνική εφαρμόζεται για τη μέτρηση των επιφανειακών ωκεάνιων ρευμάτων. Η διακριτική ικανότητα του SAR στην κάθετη προς την πτήση διεύθυνση είναι συνάρτηση του μήκους της συνθετικής αντένας: όσο μεγαλύτερη η αντένα, τόσο μεγαλύτερη η διακριτική ικανότητα. Ως εκ τούτου το SAR επιτυγχάνει μεγάλη διακριτική ικανότητα στην εν λόγω διεύθυνση σχηματίζοντας ένα συνθετικό άνοιγμα. Η διακριτική ικανότητα στην εν λόγω διεύθυνση δεν εξαρτάται από την ταχύτητα ή το πλατφόρμες. υψόμετρο του αισθητήρα SAR, γεγονός που καθιστά τα συστήματα SAR στην κάθετη στην τροχιά διεύθυνση κατάλληλα για δορυφορικές Η χωρική διακριτική ικανότητα των SAR που λειτουργούν στην διεύθυνση κατά μήκος της τροχιάς πτήσης του αισθητήρα εξαρτάται από το μήκος κύματος λ του σήματος που χρησιμοποιείται. Για να επιτευχθεί μεγάλη διακριτική ικανότητα, το μήκος κύματος του παλμού πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερο. Ωστόσο, τα δορυφορικά SAR απαιτούν την εκπομπή παλμών με υψηλή ενέργεια ακτινοβολίας έτσι ώστε οι ανακλώμενες ηχώ που λαμβάνονται στον αισθητήρα ραντάρ να έχουν υψηλό λόγο σήματος-προς-θόρυβο (signal-to-noise ratio, SNR). Η ενέργεια του εκπεμπόμενου παλμού είναι ανάλογη του μήκους του παλμού και της ενέργειας της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας. Η τελευταία δεν είναι δυνατόν να αυξηθεί επ αόριστον και κατά συνέπεια θα πρέπει το μήκος του παλμού να είναι όσο το δυνατόν μεγαλύτερο, έτσι ώστε να επιτυγχάνεται ένας 11
υψηλός λόγος σήματος-προς-θόρυβο. Ωστόσο, παλμοί μεγάλου μήκους μειώνουν τη χωρική διακριτική ικανότητα δεδομένου ότι μειώνουν το εύρος ζώνης του παλμού. Οι αντικρουόμενες αυτές δεσμεύσεις παρακάμπτονται χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές συμπίεσης του παλμού, με τις οποίες ο μεν εκπεμπόμενος παλμός διαμορφώνεται κατάλληλα ώστε να αυξηθεί το εύρος ζώνης του, ενώ ο ανακλώμενος παλμός με τη λήψης του συμπιέζεται. Μια επέκταση της Συμβολομετρίας διπλής υπερπτήσης είναι η Διαφορική Συμβολομετρία SAR (Differential Interferometry ή insar). Η διαφορική Συμβολομετρία χρησιμοποιείται για να ανιχνεύσει πολύ μικρές υψομετρικές αλλαγές (της τάξης ±1 cm ή λιγότερο). Η βασική ιδέα είναι να χρησιμοποιηθεί μια αντένα SAR που διέρχεται δύο ή περισσότερες φορές πάνω από την ίδια περιοχή. Εάν η δεύτερη πτήση ή οι επόμενες πτήσεις αναπαράγουν ακριβώς το επίγειο ίχνος της πρώτης πτήσης, οι αλλαγές της φάσης των σημάτων ραντάρ μεταξύ των εκάστοτε χρονικών στιγμών λήψης κάθε εικόνας SAR μπορούν να μετρηθούν. Μεταξύ των εικόνων δεν θα υπήρχε καμία αλλαγή φάσης καθόλου εκτός αν στο μεταξύ υπήρξε μια φυσική αλλαγή στην απεικονιζόμενη περιοχή, όπως μικρομετακινήσεις του εδάφους από σεισμικά γεγονότα, κλπ. Εάν τα δύο περάσματα του δορυφόρου γίνονται από διαφορετικές διαδρομές πτήσης, δεν είναι πλέον δυνατό να διακριθούν οι τυχόν αλλαγές στη γήινη επιφάνεια από την παράλλαξη που προκαλείται από την τοπογραφία του εδάφους. Η δυσκολία αυτή παρακάμπτεται με δύο τρόπους: αν χρησιμοποιηθούν μεν δύο εικόνες, αλλά σε συνδυασμό με ένα λεπτομερές ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής των εικόνων με τη χρήση μιας τρίτης εικόνας, που μπορεί να χρησιμοποιηθεί με μία από τις δύο πρώτες εικόνες για να αφαιρεθεί η τοπογραφία της περιοχής (από το ζεύγος της τρίτης εικόνας και της άλλης από τις δύο πρώτες εικόνες) και να παραμείνουν έτσι μόνο οι αλλαγές που έλαβαν χώρα στην τοπογραφία της γήινης επιφάνειας της απεικονιζόμενης περιοχής, στο χρονικό διάστημα μεταξύ της λήψης των εν λόγω δύο τελευταίων εικόνων. Στη πράξη, για τις περισσότερες εφαρμογές της Συμβολομετρίας SAR χρησιμοποιούνται πολλαπλές διαχρονικές εικόνες SAR. 7.4 ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΡΑΝΤΑΡ Η λειτουργία των αισθητήρων SAR αν και βασίζεται στη χρήση ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, διέπεται από τις θεμελιώδεις αρχές και τους νόμους της οπτικής, αλλά και των νόμων της περίθλασης (diffraction). Σαν βασική συνέπεια, η γωνιακή διαχωριστική ικανότητα r ενός ραντάρ δεδομένου ανοίγματος αντένας D εκφράζεται από τη σχέση r = λ/d, όπου λ είναι το μήκος κύματος του σήματος του ραντάρ. Για παράδειγμα, σε ένα δορυφορικό σύστημα ραντάρ με διαχωριστική ικανότητα παρόμοια με εκείνη του ανθρώπινου οφθαλμού στο ορατό τμήμα του φάσματος με τη χρήση μικροκυματικής ακτινοβολίας μήκους κύματος λ=5 cm (που αντιστοιχεί σε συχνότητα 6 GHz), θα απαιτείτο αντίστοιχα μια αντένα διαμέτρου περίπου 180 m. Γεγονός που θα καθιστούσε ένα τέτοιο σύστημα τεχνικά δύσκολο ή αδύνατο να κατασκευασθεί. Το πρόβλημα αυτό παρακάμπτεται με την προαναφερόμενη τεχνική του Ραντάρ Συνθετικού Ανοίγματος (SAR), όπου η πραγματική αντένα του SAR λειτουργεί σε κάθε σημείο μέτρησης, κατά μήκος της πτήσης, σαν ένα ανεξάρτητο στοιχείο μιας μεγάλου μήκους συνθετικής στοιχειοαντένας (antenna array) που οδηγεί στα ίδια ακριβώς μαθηματικά μοντέλα και αποτελέσματα ως προς τη διαχωριστική ικανότητα, το μήκος του συνθετικού ανοίγματος, κ.ά. 12
Τυπικά από ένα σύστημα ραντάρ, εκπέμπονται προς την περιοχή ενδιαφέροντος περίπου 1500 υψηλής ισχύος παλμοί ανά δευτερόλεπτο, όπου κάθε παλμός έχει μια "διάρκεια" (πλάτος) που συνήθως κυμαίνεται από 10-50 μsec. Ο παλμός καλύπτει κανονικά μια μικρή ζώνη των συχνοτήτων, που κεντροθετείται στην ονομαστική συχνότητα που επιλέγεται για το ραντάρ. Τυπικά το εύρος της ζώνη των συχνοτήτων για ένα ραντάρ απεικόνισης είναι της τάξης από 10 έως 200 MHz. Στη γήινη επιφάνεια, η ενέργεια του παλμού του ραντάρ διασκορπίζεται σε όλες τις κατευθύνσεις, και μέρος της ανακλάται προς την αντένα του ραντάρ. Αυτή η οπισθοδιασπορά προκαλεί την επιστροφή στην αντένα μιας πιο αδύνατης ηχούς ραντάρ που παραλαμβάνεται από την κεραία σε μια συγκεκριμένη πόλωση (οριζόντια ή κάθετη, όχι απαραίτητα ίδιας με εκείνη του εκπεμπόμενου παλμού). Η κύρια ιδιότητα που χαρακτηρίζει ένα σύστημα SAR είναι η τεχνική δυνατότητα να καταγράφει και να αποθηκεύει ψηφιακά την ηχώ του σήματος που εκπέμπει ένα κινούμενο ραντάρ, έτσι ώστε με κατάλληλη επεξεργασία τα δεδομένα να ισοδυναμούν με εκείνα μιας μεγάλου μήκους (στη διεύθυνση της πτήσης) αντένας και να επιτρέπουν τη δημιουργία μιας ψηφιακής εικόνας. Δεδομένου ότι ο παλμός του ραντάρ κινείται με την ταχύτητα του φωτός, είναι σχετικά απλό να χρησιμοποιηθεί ο χρόνος της διπλής διαδρομής του παλμού για να υπολογισθεί η απόσταση του αντικειμένου από το οποίο προήλθε η αντανάκλαση του παλμού. Επιπλέον, με κατάλληλη επεξεργασία είναι δυνατόν να αποκτηθεί τρισδιάστατη πληροφορία υψηλής αξιοπιστίας για την απεικονιζόμενη περιοχή αξιοποιώντας τις τιμές της φάσης του ανακλώμενου σήματος σαν μια επιπρόσθετη πηγή πληροφορίας που προκύπτει από τα μιγαδικού τύπου δεδομένα των εικόνων SAR. Στα συστήματα SAR, από τη διαφορά φάσης Δφ των σημάτων ραντάρ που αντανακλούνται από ένα σημείο του εδάφους και λαμβάνονται σε δύο αντένες S 1 και S 2 (ή σε δύο θέσεις της ίδιας αντένας στη περίπτωση της Συμβολομετρίας διπλής υπερπτήσης) που καθορίζουν την γραμμή βάσης Β, υπολογίζεται το υψόμετρο h του σημείου του εδάφους από τις σχέσεις: h = H ρ cosθ = H ρ cos(arcsin (Δρ/B)) και τη συμβολομετρική φάση Φ = Δφ (modulo 2π) = (2κπ/λ) Δρ + δδφ όπου θ είναι η λεγόμενη γωνία όρασης (look angle) που σχηματίζεται από τη κατακόρυφο και τη γραμμή που συνδέει την αντένα του ραντάρ με το σημείο στο έδαφος, δδφ είναι η ασάφεια των ακέραιων κύκλων φάσης, δεδομένου ότι η μετρούμενη φάση Δφ αφορά μόνο το δεκαδικό μέρος (δηλαδή modulo 2π) του κύκλου φάσης του σήματος. Με άλλα λόγια, οι εικόνες SAR, από τη φύση τους, δεν περιέχουν πληροφορίες για την απόλυτη τιμή της φάσης του ανακλώμενου σήματος ραντάρ, δεδομένου ότι η συμβολομετρική φάση Φ μετράται στο διάστημα [-π, π]. Ο συντελεστής κ λαμβάνει την τιμή 1 στην περίπτωση που έχουμε δύο αντένες ταυτόχρονα (δηλ. στην περίπτωση 13
απλής η μονής υπερπτήσης) και την τιμή 2 στην περίπτωση που έχουμε την ίδια αντένα ή δύο διαφορετικές αντένες σε δύο διαφορετικές θέσεις (δηλ. στην περίπτωση διπλής υπερπτήσης ή πτήσεων σχηματισμού). 7.5 ΓΕΩΜΕΤΡΙΚΕΣ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΕΙΣ ΤΩΝ ΕΙΚΟΝΩΝ SAR Τα συστήματα SAR ουσιαστικά μετρούν την απόσταση μεταξύ του αισθητήρα ραντάρ και των σημείων των επιμέρους σκεδαστών (στόχων) στην περιοχή που απεικονίζεται. Η εν λόγω απόσταση μπορεί να μετατραπεί σε απόσταση επί του εδάφους χρησιμοποιώντας απλούς μετασχηματισμούς. Ωστόσο, η μορφολογία του εδάφους της απεικονιζόμενης περιοχής προκαλεί μια σειρά από γεωμετρικές παραμορφώσεις στις δημιουργούμενες εικόνες SAR. Τα σφάλματα των εν λόγω παραμορφώσεων εξ αιτίας της γεωμετρίας λήψης των εικόνων διακρίνονται στις παρακάτω τρεις κύριες κατηγορίες: 1. Σμίκρυνση (Foreshortening) Η εκάστοτε ανύψωση του εδάφους σε ένα συγκεκριμένο σημείο ελαττώνει την απόσταση του εν λόγω σημείου από τον αισθητήρα ραντάρ. Σαν άμεσο αποτέλεσμα, εδάφη που έχουν κλίσεις προσανατολισμένες προς το ραντάρ εμφανίζονται συμπιεσμένα σε σχέση με εδάφη που είναι προσανατολισμένα στην αντίθετη προς το ραντάρ κατεύθυνση. Προσεγγιστικά ο παράγοντας σμίκρυνσης εκφράζεται από τη σχέση F = sin(θ-a), όπου θ είναι η γωνία όρασης και a είναι η κλίση του εδάφους. Στην πρώτη περίπτωση η κλίση του εδάφους θεωρείται θετική (συμβολιζόμενη ως a + ) και ονομάζεται έμπροσθεν κλίση (foreslope), ενώ στη δεύτερη περίπτωση η κλίση του εδάφους θεωρείται αρνητική (συμβολιζόμενη ως a ) και ονομάζεται όπισθεν κλίση (backslope). Παραμορφωμένα εδάφη με έμπροσθεν κλίση εμφανίζονται στις εικόνες SAR φωτεινότερα σε σχέση με τα γειτονικά τους εδάφη, δεδομένου ότι η ανακλώμενη ενέργεια του ραντάρ από το κεκλιμένο προς τα έμπροσθεν έδαφος συμπιέζεται έτσι ώστε στην εικόνα χρησιμοποιούνται λιγότερα εικονοστοιχεία για 14
την απεικόνιση των εν λόγω εδαφών. Κατ αναλογία, εδάφη με όπισθεν κλίσεις εμφανίζονται τεντωμένα και με σκοτεινότερους τόνους σε σχέση με τα γειτονικά τους εδάφη, δεδομένου ότι η ανακλώμενη ενέργεια του ραντάρ από το προς τα όπισθεν κεκλιμένο έδαφος εξαπλώνεται έτσι ώστε στην εικόνα χρησιμοποιούνται περισσότερα εικονοστοιχεία για την απεικόνιση των εν λόγω εδαφών. 2. Πτύχωση (Layover) Όταν η έμπροσθεν κλίση του εδάφους είναι μεγαλύτερη από τη γωνία όρασης του ραντάρ, το ανώτερο μέρος του κεκλιμένου εδάφους είναι πλησιέστερα στο ραντάρ, από ότι το κατώτερο μέρος του κεκλιμένου εδάφους. Σαν αποτέλεσμα, δημιουργείται μια παραμόρφωση που είναι μια ακραία περίπτωση σμίκρυνσης, η οποία προκαλεί το κεκλιμένο έδαφος να απεικονίζεται αναδιπλωμένο. 3. Σκιά (Shadowing) Όταν η όπισθεν κλίση του εδάφους είναι μεγαλύτερη από τη γωνία όρασης του ραντάρ, το κεκλιμένο εδάφος δεν απεικονίζεται στην εικόνα δεδομένου ότι καλύπτεται από τη σκιά που δημιουργείται από την εκπεμπόμενη ακτινοβολία. Για τη 7.6 ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΚΡΟΣΣΩΝ ΣΥΜΒΟΛΗΣ Με την εξέλιξη της Συμβολομετρίας SAR αποδείχθηκε ότι ο ακριβέστερος τρόπος για να μετρηθούν οι μικρές αλλαγές της φάσης του σήματος ενός ραντάρ είναι να συνδυαστούν δύο εικόνες μαζί αφότου έχουν γίνει προηγουμένως όλες οι απαραίτητες διορθώσεις. Αυτή η διαδικασία καλείται μερικές φορές "παρεμβολομετρία" των εικόνων, επειδή ο συνδυασμός δύο φερόντων κυμάτων των σημάτων ραντάρ, από τα οποία προκύπτουν τα εικονοστοιχεία (pixel) κάθε σημείου του εδάφους, προκαλεί είτε να ενισχύσει είτε να ακυρώσει το ένα σήμα το άλλο, ανάλογα με τις σχετικές φάσεις των εκάστοτε δύο κυμάτων που προέρχονται από το ίδιο σημείο ενός στόχου. Με απλά λόγια, δημιουργία αυτού του είδους της γεωμετρικής παραμόρφωσης, το άθροισμα της γωνίας όρασης του ραντάρ και της όπισθεν κλίσης είναι μεγαλύτερο από 90 ο, δηλαδή (θ+a ) > 90 ο. Το άμεσο αποτέλεσμα της σκιάς είναι ότι το έδαφος απεικονίζεται στις εικόνες τεντωμένο. Κατά κανόνα, για εδάφη με υψηλές κλίσεις, μεγάλες γωνίες όρασης δημιουργούν σημαντικές παραμορφώσεις πτύχωσης, ενώ μικρές γωνίες όρασης του ραντάρ δημιουργούν σημαντικές παραμορφώσεις σκιάς. Η πρώτη περίπτωση είναι ιδιαίτερα έντονη σε εικόνες από αερομεταφερόμενα ραντάρ, τα οποία λειτουργούν με μεγάλες γωνίες όρασης. Στην περίπτωση δορυφορικών ραντάρ, συνήθως τέτοιες παραμορφώσεις παρατηρούνται μόνο όταν η όπισθεν κλίσεις ξεπερνούν τις 70 ο περίπου. Πρέπει να σημειωθεί ότι εάν είναι διαθέσιμο ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους της απεικονιζόμενης περιοχής, οι εικόνες SAR μπορούν να διορθωθούν από τις παραπάνω παραμορφώσεις με μια αρκετά περίπλοκη διαδικασία που είναι ανάλογη της γνωστής ορθοαναγωγής συμβατικών εικόνων ή αεροφωτογραφιών. είναι δυνατόν να εντοπίσει κανείς όλες τις αντίστοιχες θέσεις της περιοχής ενδιαφέροντος, όπου οι δύο εικόνες ραντάρ ενισχύουν η μια τα σήματα της άλλης, και όλων των θέσεων όπου οι δύο εικόνες ραντάρ ακυρώνουν η μια τα σήματα της άλλης. Η πρώτη περίπτωση (δηλαδή της ενίσχυσης της κάθε μετέπειτα εικόνας) θα μπορούσε να αντιπροσωπευθεί με ένα κόκκινο εικονοστοιχείο σε μια νέα εικόνα που θα δημιουργήσουμε, και η δεύτερη περίπτωση ως μπλε εικονοστοιχείο. Οι ενδιάμεσες περιπτώσεις θα μπορούσαν να αντιπροσωπευθούν ως ενδιάμεσα χρώματα του φάσματος από το κόκκινο στο μπλε. Από την εν λόγω διαδικασία προκύπτει μια διαφορετική 15
εικόνα που αποκαλείται ιντερφερογράφημα (interferogram). Κατά συνέπεια, για παράδειγμα, ένα ιντερφερογράφημα για μια περιοχή που παραμορφώθηκε προς τα πάνω κατά τη διάρκεια του χρονικού διαστήματος μεταξύ της λήψης των δύο εικόνων ραντάρ θα εμφάνιζε μια σειρά από ομόκεντρες ζώνες χρωμάτων, που αποκαλούνται κροσσοί συμβολής (fringes), κατά τρόπο ανάλογο με τις υψομετρικές καμπύλες ενός τοπογραφικού χάρτη. Για το λόγο αυτό, πολλές φορές ένα ιντερφερογράφημα αποκαλείται και διάγραμμα κροσσών συμβολής. Κάθε κροσσός συμβολής αντιπροσωπεύει τη μετακίνηση της επιφάνειας προς το δορυφόρο ίσης με το μισό μήκος κύματος του σήματος του ραντάρ. Δηλαδή, κάθε πλήρης φασματικός κύκλος των χρωμάτων (δηλαδή διαβάθμιση από το κόκκινο μέχρι το μπλε) αντιπροσωπεύει πρόσθετα λ/2 εκατοστά μετακίνησης της επιφάνειας προς την κατεύθυνση του δορυφόρου π.χ. σχεδόν 3 cm για τον αισθητήρα SAR του ERS. Οι κροσσοί συμβολής καταγράφονται ως τιμές στο διάστημα [0,2π]. Για να καθορισθεί το συνολικό ποσό μετακίνησης του εδάφους μεταξύ των δύο χρονικών στιγμών λήψης των δύο εικόνων, αρκεί να μετρηθεί ο αριθμός των κροσσών συμβολής γεγονός που κατά κάποιο τρόπο, αποτελεί την υλοποίηση μιας γεωδαιτικής φωτογραφικής μηχανής με δυνατότητες παρακολούθησης τεκτονικών μικρομετακινήσεων και παραμορφώσεων της γήινης επιφάνειας από το διάστημα! Στη πράξη, η διαδικασία αυτή είναι αποτέλεσμα του πολλαπλασιασμού των μιγαδικών δεδομένων δύο εικόνων SAR απλής ή διπλής υπερπτήσης της ίδιας περιοχής με ελαφρά διαφορετικές γωνίες λήψης. Όπως ήδη αναφέρθηκε, κάθε εικονοστοιχείο μιας εικόνας SAR περιέχει πληροφορία για το εύρος και τη φάση του κύματος του παλμού του ραντάρ, που εκφράζεται από τη μιγαδική σχέση z(x,y) = I(x,y) e i φ(x,y) όπου (x,y) είναι οι συντεταγμένες του εικονοστοιχείου για το απεικονιζόμενο σημείο του εδάφους, z είναι η μιγαδική τιμή του εικονοστοιχείου, Ι αντιπροσωπεύει το εύρος του σήματος στο σημείο (x,y) που εκφράζεται από την ένταση (φωτεινότητα) του εικονοστοιχείου, φ είναι η φάση του ανακλώμενου σήματος από το αντίστοιχο σημείο και i= -1 είναι η φανταστική μονάδα. Για κάθε σημείο του ιντερφερογραφήματος που παράγεται από δύο εικόνες SAR, λαμβάνεται ο μέσος όρος του εύρους και η διαφορά της φάση του κύματος του παλμού του ραντάρ για κάθε σημείο που απεικονίζεται στις δυο εικόνες, δηλαδή υπολογίζεται το μιγαδικό γινόμενο p(x,y) = z(x,y) z*(x,y) i [φ1(x,y)- φ2(x,y)] = I 1 (x,y) I 2 (x,y) e = δi(x,y) e i δφ(x,y) = R(x,y) + i I(x,y) όπου p(x,y) είναι η μιγαδική τιμή στο σημείο του ιντερφερογραφήματος με συντεταγμένες (x,y), z(x,y) είναι η μιγαδική τιμή του εικονοστοιχείου με συνταγμένες (x,y) στην 16
πρώτη εικόνα SAR, z*(x,y) είναι η συζυγής μιγαδική τιμή του εικονοστοιχείου με συνταγμένες (x,y) στη δεύτερη εικόνα SAR, δi(x,y) είναι η συμβολομετρική ένταση (δηλ. η μέση φωτεινότητα) του εικονοστοιχείου με συνταγμένες (x,y), και δφ(x,y) = Φ = φ 1 φ 2 = tan -1 [I(x,y) / R(x,y)] είναι η συμβολομετρική φάση (δηλ. η διαφορά της φάσης των δύο σημάτων) του εικονοστοιχείου με συνταγμένες (x,y). Στη συμβολομετρική φάση Φ συνεισφέρουν διάφοροι παράγοντες, όπως η καμπυλότητα της Γης, η τοπογραφία του εδάφους, παραμορφώσεις του εδάφους μεταξύ των χρονικών στιγμών λήψης των δύο εικόνων, τροχιακά σφάλματα, επιδράσεις της ιονόσφαιρας και της τροπόσφαιρας στα σήματα του ραντάρ και διάφοροι θόρυβοι των μετρήσεων, έτσι ώστε ουσιαστικά Φ = Φ καμπυλότητα της Γης + Φ τοπογραφία εδάφους + Φ εδαφικής παραμόρφωσης + Φ τροχιακά σφάλματα + Φ επιδράσεις ιονόσφαιρας + Φ επιδράσεις τροπόσφαιρας + θόρυβοι Οι συνεισφορές των τροχιακών σφαλμάτων και των ατμοσφαιρικών επιδράσεων ελαχιστοποιούνται χρησιμοποιώντας κατάλληλα μοντέλα κατά τη διαδικασία της επεξεργασίας των εικόνων. Προκειμένου να γίνει φιλτράρισμα της συνεισφοράς της καμπυλότητας της Γης γίνεται μιας πρώτης τάξης προσδιορισμός και απαλοιφή της φάσης που οφείλεται σε μια υποτιθέμενη επίπεδη Γη (flat earth removal correction), ώστε αυτό που παραμένει στο διάγραμμα κροσσών συμβολής είναι η συνεισφορές της τοπογραφίας του εδάφους και των τυχόν μικρομετακινήσεων του εδάφους. Το μόνο πρόβλημα σε αυτή τη διαδικασία, όπως έχει ήδη αναφερθεί, είναι ότι η αναζητούμενη τοπογραφική πληροφορία είναι γνωστή μόνο σαν modulo 2π, δηλαδή αγνοείται ο αριθμός των ακεραίων κύκλων φάσης που μεσολαβούν από το κέντρο φάσης της αντένας ως τον σκεδαστή (στόχο) στο εκάστοτε σημείο του εδάφους. Δηλαδή, στη πραγματικότητα αυτό που μετράται δεν είναι η εκάστοτε πλήρης συμβολομετρική φάση, αλλά η κύρια τιμή της Φ p στο διάστημα [-π, π]. Η διαφορά φάσης σε κάθε εικονοστοιχείο ενός διαγράμματος κροσσών συμβολής είναι ένα μέτρο της τοπικής γωνίας επίπτωσης ή/και της σχετικής αλλαγής (προς ή μακριά) στην απόσταση μεταξύ του εκάστοτε συγκεκριμένου σημείου στο έδαφος και της αντένας του αισθητήρα SAR. Η τιμή της συμβολομετρικής φάσης (δηλαδή του συνολικού αριθμού των κύκλων φάσης) στο διάγραμμα κροσσών συμβολής περιέχει τη ζητούμενη τοπογραφική πληροφορία από την οποία μπορούν να δημιουργηθούν ψηφιακά μοντέλα εδάφους της περιοχής ενδιαφέροντος ή να υπολογισθούν τυχόν μικρομετακινήσεις του εδάφους. Συγκεκριμένα, εάν κατά τη διάρκεια μεταξύ των δύο χρονικών στιγμών λήψης των δύο εικόνων δεν έχει προκληθεί καμία εδαφική παραμόρφωση μεγάλης κλίμακας, από τις εν λόγω τιμές των μετρήσεων φάσης μπορεί να παραχθεί ένα ψηφιακό μοντέλο εδάφους (DEM). Εναλλακτικά, εάν είναι διαθέσιμο ένα ακριβές ψηφιακό μοντέλο εδάφους της περιοχής, αφαιρώντας τη συνεισφορά της μορφολογίας του εδάφους στη φάση του σήματος κάθε εικόνας (για το εκάστοτε συγκεκριμένο σημείο του εδάφους), επιτρέπει να εξαχθούν πληροφορίες που αφορούν τις μεγάλης κλίμακας παραμορφώσεις που έχει υποστεί το έδαφος μεταξύ των δύο χρονικών στιγμών λήψης των δύο εικόνων SAR. Η τελευταία διαδικασία επιτρέπει τη δημιουργία λεπτομερών απεικονίσεων των εδαφικών παραμορφώσεων, με ακρίβεια της τάξης μερικών mm ή cm, για εκτάσεις μέχρι και 100 km. Για το σκοπό αυτό, η τεχνική της διαφορικής Συμβολομετρίας (Differential InSAR) απαιτεί τη σύγκριση δύο διαγραμμάτων κροσσών συμβολής και, όπως ήδη αναφέρθηκε, στη πράξη συνήθως περιλαμβάνει και τη χρήση μιας τρίτης εικόνας SAR της ίδιας περιοχής ή ενός υψηλής ακρίβειας ψηφιακού μοντέλου εδάφους. 17
7.7 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΚΗΣ ΦΑΣΗΣ Η λεγόμενη ανακατασκευή ή αποκατάσταση της πλήρους φάσης (phase unwrapping), όπου υπολογίζεται ο άγνωστος αριθμός των ακεραίων κύκλων φάσης του σήματος, αποτελεί μια κρίσιμη και αναγκαία διεργασία, στο στάδιο κατασκευής των διαγραμμάτων κροσσών συμβολής. ενώ η ελάχιστη τιμή g(x,y)=0 αντιστοιχεί στην περίπτωση που τα δύο σήματα είναι τελείως ασυσχέτιστα μεταξύ τους. Η αποκατάσταση της πλήρους φάσης στη συμβολομετρία εικόνων SAR είναι μια διαδικασία παρόμοια με εκείνης της επίλυσης της ασάφειας των ακεραίων κύκλων φάσης στις μετρήσεις φάσης του φέροντος κύματος των σημάτων του παγκοσμίου συστήματος εντοπισμού GPS, που χρησιμοποιούνται για γεωδαιτικούς σκοπούς. Η κυριότερη διαφορά είναι ότι στην περίπτωση των εικόνων SAR, η επίλυση των ακεραίων κύκλων φάσης επιζητείται σε δύο διαστάσεις (σε αντιδιαστολή με τη περίπτωση του GPS, όπου η ασάφεια των ακεραίων κύκλων φάσης αφορά την απόσταση δορυφόρου-δέκτη, και συνεπώς το πρόβλημα είναι μονοδιάστατο). Γενικά, η διαδικασία αποκατάστασης της συμβολομετρικής φάσης είναι σχετικά εύκολη για τα τμήματα των εικόνων SAR όπου υπάρχει υψηλή συνάφεια φάσης μεταξύ των δύο εικόνων. Πρακτικά, μια πρώτης τάξης ενδεικτική τιμή της συνάφειας του εύρους και της φάσης του διαγράμματος των κροσσών συμβολής δίνεται από τον αποκαλούμενο συντελεστή συσχετισμού g(x,y) σε κάθε εικονοστοιχείο με συνταγμένες (x,y) g(x,y) =<z(x,y)z*(x,y)>/ [< z 1 (x,y) 2 >< z 2 (x,y) 2 >] 1/2, 0 g(x,y) 1 που υποδηλώνει το πόσο σύμφωνα (coherent) είναι τα σήματα (εικόνες) μεταξύ τους, όπου < > δηλώνει την αναμενόμενη ή μέση τιμή των δύο σημάτων. Η μέγιστη τιμή g(x,y)=1 αντιστοιχεί στην (ιδεατή) περίπτωση απουσίας θορύβων στη φάση του εκάστοτε σήματος, Οι κυριότερες δυσκολίες στη διαδικασία αποκατάστασης της πλήρους φάσης προκύπτουν στις περιπτώσεις κακής δειγματοληψίας στη καταγραφή των πρωτογενών μετρήσεων της φάσης (phase undersampling), π.χ. εξ αιτίας απότομων κλίσεων του εδάφους (όπου δηλαδή υφίστανται έντονες παραμορφώσεις πτύχωσης), ή εάν το σήμα περιέχει υψηλούς θορύβους ή είναι παραποιημένο (aliasing problem), π.χ. εξ αιτίας διαφορετικών ειδών εδάφους όπως δασώδεις περιοχές ή περιοχές με καλλιέργειες, όπου η συνάφεια ή συμφωνία της μετρούμενης φάσης (phase coherence) μεταβάλλεται ευρέως. 18
7.8 ΤΥΠΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΣΥΜΒΟΛΟΜΕΤΡΙΑΣ Κατά την παρελθούσα δεκαετία, η τεχνολογία της Συμβολομετρίας SAR και ιδιαίτερα οι τεχνικές που βασίζονται στη διαφορική της μορφή, δηλαδή τη χρήση δύο εικόνων SAR της ίδιας περιοχής σε δύο χρονικές στιγμές λήψης, έχουν αναπτυχθεί σε εξαιρετικά υψηλό επίπεδο δυνατοτήτων, ώστε σήμερα η χρήση τους στις γεωεπιστήμες είναι ευρέως διαδεδομένη, επιδεικνύοντας σημαντικά αποτελέσματα για σειρά απαιτητικών εφαρμογών, όπως ενδεικτικά είναι: Οι μελέτες παρακολούθησης της κατάστασης των πάγων στις αρκτικές περιοχές και πως αυτές επηρεάζουν τις μεταβολές του κλίματος σε παγκόσμιο επίπεδο. Η παραγωγή ψηφιακών μοντέλων εδάφους υψηλής ακρίβειας και διακριτικότητας, που αποδεικνύονται ιδιαίτερα χρήσιμα σε ποικίλες πρακτικές εφαρμογές (έργα οδοποιίας, επιλογές περιοχών για τη κατασκευή φραγμάτων, τούνελ, κλπ). Η παροχή μοναδικών πληροφοριών για την υγεία (π.χ. τη βιοποικιλότητα) και το φυσικό πλούτο του πλανήτη (π.χ. εκτίμηση των φυσικών πόρων). Οι μελέτες των παραμορφώσεων του ικανοποίηση τους. γήινου φλοιού που σχετίζονται με φυσικά φαινόμενα όπως τα ηφαίστεια και οι σεισμοί. Μερικές τυπικές τέτοιες προηγμένες εφαρμογές εξετάζονται στις επόμενες ενότητες, όπου αναφέρονται οι επιμέρους τεχνικές ανάγκες και πως οι τεχνικές της Συμβολομετρίας SAR συνεισφέρουν στην 7.8.1 Μελέτες Τεκτονικών Μικρομετακινήσεων και Παραμορφώσεων Οι παραμορφώσεις του γήινου φλοιού που προκαλούνται από τις μικρομετακινήσεις των τεκτονικών πλακών παράγουν μια ευρεία ποικιλία μορφολογικών χαρακτηριστικών στην επιφάνεια της Γης που το μέγεθός τους εξαρτάται από τη "διάρκεια" του εκάστοτε φυσικού μηχανισμού που προκαλεί τον σχηματισμό τους. Συγκεκριμένα, οι παραμορφώσεις που συνδέονται με σεισμούς πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια χρονικών περιόδων που κυμαίνονται από μερικά δευτερόλεπτα (διασεισμικά co-seismic φαινόμενα) μέχρι αρκετές ημέρες και μήνες (μετασεισμικά post-seismic φαινόμενα), με άμεση συνέπεια ότι δημιουργούν ρήγματα και μετατοπίσεις στην επιφάνεια της Γης που κυμαίνονται σε μέγεθος από μερικά εκατοστόμετρα μέχρι και μερικά μέτρα. Κατά τη διάρκεια μακρόχρονων περιόδων (10000 έτη έως μερικά εκατομμύρια έτη), η αθροιστική επίδραση των σεισμών προκαλεί μετατοπίσεις και αλλαγές στα γεωμορφολογικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα της επιφάνειας της Γης, από δεκάδες μέχρι εκατοντάδες μέτρα, που τελικά δημιουργούν τη μορφολογία του πλανήτη. Η συστηματική μελέτη των σεισμικά ενεργών ρηγμάτων, απαιτεί τη μέτρηση και την παρακολούθηση τόσο των μακροπρόθεσμων παραμορφώσεων της επιφάνειας της Γης που προκαλούνται κατά τη διάρκεια διαφόρων σεισμών, όσο και των βραχυπρόθεσμων παραμορφώσεων που συνδέονται με τη σεισμική δραστηριότητα κατά μήκος συγκεκριμένων ρηγμάτων. Ο πρώτος τύπος μετρήσεων απαιτεί ακριβείς τοπογραφικούς χάρτες και μοντέλα εδάφους που χρησιμοποιούνται για τον ποσοτικό υπολογισμό της συσσωρευτικής μετατόπισης της γήινης επιφάνειας και των διαφόρων γεωμορφολογικών δομών ενδιαφέροντος. Ο δεύτερος τύπος μετρήσεων 19
απαιτεί τη δυνατότητα υπολογισμού των μικρομετακινήσεων του εδάφους, για σύντομα χρονικά διαστήματα, με ακρίβειες της τάξης των χιλιοστών του μέτρου. Παραδοσιακά οι εν λόγω εφαρμογές βασίζονται σε περιοδικές μετρήσεις με συστήματα VLBI, SLR και GPS, που επιτρέπουν, σε συνδυασμό με τοπικά δίκτυα σταθμών μετρήσεων βαρυτημετρίας και υψομετρίας υψηλής ακρίβειας, τον σχετικό προσδιορισμό των ρυθμών (ταχύτητας) των μικρομετακινήσεων. Οι εν λόγω δορυφορικές τεχνολογίες έχουν αποδείξει τις δυνατότητες παρακολούθησης τεκτονικών μικρομετακινήσεων και παραμορφώσεων μεγάλης κλίμακας στις τεκτονικές πλάκες. Ειδικότερα η χρήση εκτεταμένων τοπικών δικτύων GPS, έχει αποδεχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη στην παρακολούθηση ζωνών σεισμικής επικινδυνότητας. Ωστόσο η δυνατότητες αυτές περιορίζονται σημαντικά από την από σημείοσε-σημείο φύση των μετρήσεων. παραμορφώσεων. Η χρήση της παρέχει νέες δυνατότητες παρακολούθησης των αλλαγών της γήινης επιφάνειας σε χρονικά διαστήματα από μέρες σε έτη με ακρίβειες της τάξης των μερικών χιλιοστών. Επίσης επιτρέπει τη δημιουργίας ψηφιακών τοπογραφικών χαρτών και μοντέλων εδάφους υψηλής διακριτικότητας, σε επίπεδα ακρίβειας μερικών μέτρων, που επιτρέπουν τη μέτρηση της πίεσης στο γήινο φλοιό (accumulated strain) που συσσωρεύεται, εξ αιτίας των τεκτονικών διεργασιών, κατά τη διάρκεια εκτενών χρονικών περιόδων. Με το συνδυασμό δύο ή περισσότερων εικόνων SAR της ίδιας περιοχής, είναι επίσης δυνατό να παραχθούν λεπτομερή ψηφιακά μοντέλα εδάφους και χάρτες μεταβολών της γήινης επιφάνειας με απαράμιλλη ακρίβεια και διακριτικότητα που μπορούν να εφαρμοστούν στη μελέτη διάφορων φυσικών διαδικασιών συμπεριλαμβανομένων των σεισμών, των ηφαιστείων, της ροής των παγετώνων, των καθιζήσεων του εδάφους (π.χ. εξ αιτίας της υπόγειας απόσυρσης υδάτων ή της άντλησης πετρελαίου), κ.ά. ιδιαίτερα σε περιοχές όπως τα αστικά κέντρα όπου οι επιπτώσεις των εν λόγω φαινομένων μπορούν να είναι σημαντικές. Επιπλέον, ένα σημαντικό πλεονέκτημα είναι ότι οι τεχνικές αυτές παρέχουν τις εν λόγω δυνατότητες παρακολούθησης των μεταβολών της γήινης επιφάνειας ουσιαστικά σε ολόκληρη την έκταση της εκάστοτε υπό μελέτη περιοχής και όχι σε μεμονωμένα συγκεκριμένα σημεία, όπως με τις προαναφερόμενες γεωδαιτικές τεχνολογίες (VLBI, SLR και GPS). Με την εμφάνιση των δορυφορικών συστημάτων ραντάρ (ERS-1 και -2, JERS-1, SIR-C, RADARSAT), η τεχνική της Συμβολομετρίας SAR αναδείχθηκε από το 1990 σε ένα νέο εργαλείο για την μελέτη των ενεργών τεκτονικών μικρομετακινήσεων και Το πρώτο χαρακτηριστικό παράδειγμα των εν λόγω εφαρμογών αποτέλεσε η χρήση διαγραμμάτων κροσσών συμβολής που υπολογίστηκαν από πολλαπλές εικόνες SAR της περιοχής Landers της Καλιφόρνια, για τη μελέτη των διασεισμικών και μετασεισμικών φαινομένων που προκάλεσε ο ισχυρός σεισμός μεγέθους 7.2 του 1992. Από τη μελέτη των εν λόγω διαγραμμάτων ήταν χαρακτηριστικά τα εμφανή αποτελέσματα των διασεισμικών μετατοπίσεων εξ αιτίας του σεισμού, όπως της επιφανειακής ρηγμάτωσης και της εγκάρσιας μετακίνησης των τοπικών ρηγμάτων, καθώς επίσης και των μετασεισμικών μετατοπίσεων, 20
όπως τα αποτελέσματα της βισκοελαστικής χαλάρωσης των εδαφών και της προκαλούμενης μετασεισμικής αναπήδησης και ερπυσμού των ρηγμάτων. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, τα αποτελέσματα της μελέτης των ιντερφερογραμμάτων SAR συμφωνούσαν με ανάλογα αποτελέσματα από μετρήσεις GPS σε ποσοστό 96% και με απόκλιση της τάξης των ±18.6 cm. Ανάλογο παράδειγμα αποτελεί παρόμοια μελέτη των επιπτώσεων του καταστρεπτικού σεισμού της Αθήνας, της 7-9-1999, μεγέθους 5.5. Από σειρά εικόνων του ERS-1 της περιόδου 19-9-99 μέχρι 9-10-99, η παραγωγή αντιστοίχων διαγραμμάτων κροσσών συμβολής κατέδειξε με ακρίβεια τις διασεισμικές μετατοπίσεις μεγέθους περίπου 50 cm, που προκλήθηκαν στην ευρύτερη περιοχή του επικέντρου του σεισμού. 7.8.2 Μελέτες Ηφαιστείων Περιοχές με ενεργά ηφαίστεια υφίστανται συνεχείς παραμορφώσεις του γήινου φλοιού. Ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια εκρήξεων τους, το μάγμα που ανέρχεται στην επιφάνεια καθώς διέρχεται ανάμεσα στα διάφορα πετρώματα δημιουργεί μικρομετακινήσεις που είναι δυνατόν να ανιχνευθούν με τεχνικές της Συμβολομετρίας SAR. Ακόμα και σε περιόδους που ένα ηφαίστειο βρίσκεται σε κατάσταση σχετικής ηρεμίας (quiescence), η μετακίνηση μάγματος στο υπέδαφος επίσης δημιουργεί τεκτονικές μικρομετακινήσεις, η ανίχνευση των οποίων επιτρέπει να μελετηθούν καλύτερα οι γεωλογικές και γεωφυσικές διεργασίες που προκαλούν τις ηφαιστιακές δραστηριότητες. Μέχρι πρόσφατα, οι κύριες χρησιμοποιούμενες τεχνικές για τη παρακολούθηση και τη μελέτη της παραμόρφωσης του γήινου φλοιού εξ αιτίας των ηφαιστείων βασίζονταν σε μετρήσεις με ηλεκτρομαγνητικά αποστασιόμετρα (EDM), κλισίμετρα (tiltmeters) και GPS ή ηλεκτροπτικά και άλλα όργανα, από τις οποίες είναι δυνατή η ανίχνευση εδαφικών αλλαγών σε συγκεκριμένα σημεία στη γήινη επιφάνεια. Με τον τρόπο αυτό, το μέγεθος και η κατεύθυνση της μετακίνησης των εν λόγω σημείων επιτρέπουν τη διαμόρφωση γενικευμένων μοντέλων της παραμόρφωσης σε ένα ηφαίστειο. Επιλέγοντας τις θέσεις των σημείων προσεκτικά σχεδιασμένων γεωδαιτικών δικτύων ελέγχου, όπου εκτελούνται συγκριτικές μετρήσεις με τα παραπάνω συστήματα, είναι δυνατή η παρακολούθηση της εξέλιξης των τυχόν παραμορφώσεων με ικανοποιητική ακρίβεια και αξιοπιστία, ειδικά κατά τη διάρκεια μικρών χρονικών περιόδων (από μερικά λεπτά μέχρι μερικές ημέρες). Ωστόσο οι τεχνικές αυτές δεν επιτρέπουν να διαμορφωθεί η πλήρης εικόνα των τεκτονικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή ή δεν διασφαλίζουν ότι τα γεωδαιτικά δίκτυα ελέγχου μπορούν να ανιχνεύσουν 21