InSAR mätning för mark rörelser och sättningar

Figur 1: Två SAR mätningar tags vid två olika tidpunkter över samma område. Om ytan rör på sig uppmäts en fasförskjutning när radarsignalen studsar tillbaka. Ett interforgram visualiserar denna förskjutning över området.

Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) är en geodesiteknik för mätningen av små rörelser på stora markytor. På senare år har tekniken blivit ett viktigt verktyg i tidsseriemätningar för flera applikationer, så som övervakning av skred och ras, observation av geomorfologiska processer med mera. Inom byggsektorn är det främst markrörelser och deformationer som är av intresse. Initiellt användes tekniken främst inom geomorfologisk forskning, till exempel vulkanism och tektonik. Men med nya satelliter som ALOS PALSAR, TerraSAR-X och COSMO-Skymed utvecklades applikationerna vidare och man kunde observera mindre fenomen som till exempel. rörelsemätning i och runt infrastruktur. Under dom senaste åren har Sentinel-1 förorsakat en mindre revolution genom att samla data och erbjuda denna för nerladdning gratis. Detta gör tekniken mer tillgängligt även för mindre projekt. Med mer avancerade tekniska algoritmer, kan radartekniken därmed appliceras kostnadseffektivt inom industriella applikationer.

Denna artikel ämnar till att belysa tekniken, några fallgropar och geotekniska applikationer. Hur fungerar InSAR tekniken och vilka möjligheter finns det inom samhällsbyggnad för framtiden?

InSAR
InSAR eller Interferometric Synthetic Aperture Radar som tekniken kallas på engelska, mäter rörelse genom att skicka ut två identiska radarsignaler vid två olika tidstillfällen (t1 och t2) över ett område. Vid varje mätning loggas returvågens fas, så att man genom förskjutningen i signalens fas (θ), se figur 1, kan registrera hur en punkt rör sig i förhållande till radarn. Radarn monteras på satelliter, och man kan genom att skicka radarpulser emot samma mål simulera en större antenn genom rörelsen, och därmed uppnå en ökad rymlig upplösning. I fallet där radarn monteras på en satellit ger tekniken således ett kostnadseffektivt och högupplöst verktyg av markrörelser över stora områden.

Förprocessering av InSAR data
För att generera en rörelsemodel krävs att rådatan från en InSAR-satellit först analyseras. Detta är en komplex process i flera steg, där algoritmerna ständigt vidareutvecklas för att bli bättre. En djupare förklaring av denna analys ryms inte i denna artikel, utan intresserade läsare hänvisas till en översiktlig sammanställning skrivet i [1]. I följande steg har vi valt att fokusera på Persistent Scatterer Inferometry (PSI) som är en av de dominerande analysmetoderna i dag.

Signalbehandling av InSAR kan förenklas till följande steg:
Steg 1: Val av dataset
Välja ut en mätserie över ett område från en satellit.
Steg 2: Interferogram-formering
Med N+1 SAR bilder från serien byggs N fullupplösning interferogram baserad på masterbilden.
Steg 3: Differentiella interferogram
En referens-DEM paras med precisa data för omloppsbanor för att bygga N differentiella interferogram, genom att befintlig topologisk påverkan av signalen filtreras bort.
Steg 4: Filtrering – nr: 1
Preliminär kvantifiering av rörelse, höjdmodellfel och atmosfärisk påverkan. (så kallad APS-Atmospheric Phase Screen.)
se figur 2.
Steg 5: Filtrering – nr: 2
Rörelsemodellen filtreras ytterligare med en utjämnat APS för att på så sätt öka antal punkt.
Steg 6: Redovisning
Resultaten konverteras till ett format med koordinater som kan visas på en karta, ofta göras pixlar om till punkter (x,y,z) där z är deformation i mm. Se exempel på detta i figur 5.

Artikelförfattare:
Tommy Pap, Norconsult AB
Øyvind Lier, Norconsult AB

Läs hela artikeln i Bygg & teknik nr 1/19