Diaľkový prieskum Zeme z družíc pomocou radarovej interferometrie umožňuje sledovať zmeny zemského povrchu na veľkých územiach a súčasne zachytiť aj malé zmeny spôsobené ľudskou činnosťou. Uplatňuje sa pri tvorbe digitálneho modelu povrchu Zeme a pri monitorovaní životného prostredia.
Družicové radarové merania technológiou InSAR sú nezávislé od počasia, dennej alebo nočnej doby a poskytujú vysokú priestorovú rozlíšiteľnosť a pokrytie veľkej oblasti jednou snímkou.
Za posledné desaťročia prešiel diaľkový prieskum Zeme (DPZ) veľkým technologickým vývojom a stal sa dôležitou súčasťou pozorovacích techník určených na detailné študovanie zemského povrchu a jeho premien v čase.
InSAR – možnosti a perspektívy
Jednou z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich oblastí DPZ je radarová interferometria (InSAR, z anglického Interferometric Synthetic Aperture Radar), čo je družicová technológia využívajúca princíp radaru. Jej posledné technologické výdobytky umožňujú prejsť od sledovania javov, zmien na veľkých územiach (napr. zemetrasenia, vulkanická činnosť, záplavy a zosuvy) až k sledovaniu javov na menších plochách, ľudskou činnosťou vytvorených stavieb (napr. sledovanie stability priehrad, elektrární, mostov, výškových budov). Uplatnenie našla táto metóda aj pri tvorbe digitálneho modelu reliéfu zemského povrchu, popise rôznych druhov krajinnej pokrývky a pri monitorovaní a prieskumoch životného prostredia.
Podstata technológie
Skratka RADAR (z anglického Radio Detection and Ranging) dobre vystihuje podstatu tejto technológie. R = Radio vyjadruje skutočnosť, že systém využíva mikrovlnné elektromagnetické žiarenie s dĺžkou vlny 3 až 50 cm. D = Detection charakterizuje schopnosť technológie rozpoznať, či tam nejaký objekt je alebo nie je. A nakoniec R = Ranging predstavuje schopnosť určiť vzdialenosť, v akej sa objekt nachádza. Vysielačom žiarenia je špeciálna družica a sledujeme zemský povrch. Dôležitým faktorom sú tiež nižšie ekonomické náklady pri zachovaní rovnakej presnosti v porovnaní s tradičnými geodetickými metódami.
Hlavným meracím systémom tejto technológie je družica, ktorá obieha Zem vo výške okolo 700 km nad povrchom, pričom jeden obeh okolo Zeme jej trvá približne 100 minút. Vzhľadom na to, že tvar jej dráhy okolo Zeme je takmer kruhový a družica obieha po blízko polárnej dráhe (to znamená, že odklon jej dráhy od presného smeru na sever je len niekoľko stupňov), dokáže sa vrátiť a snímať tú istú oblasť zemského povrchu napríklad raz za 12 dní. Za 12 dní teda máme nasnímanú celú Zem a s touto dvanásťdňovou periódou môžeme sledovať zmeny, ktoré za tento čas nastali na zemskom povrchu.
Snímky aj v noci a cez oblaky
Družica nesie na palube niekoľko metrovú (asi 12-metrovú) vysielaciu a zároveň prijímaciu anténu. Tá vysiela smerom k Zemi signál s vlnovou dĺžkou, ktorá je z mikrovlnného pásma s veľkosťou približne 3 cm – mikrovlnné pásmo X, alebo 5 cm – mikrovlnné pásmo C alebo až 20 cm – mikrovlnné pásmo L. Atmosféra má veľmi malý vplyv na tento typ signálu a preto družica vidí aj v noci a aj cez oblaky. Ďalšou zaujímavosťou je, že družica sa nepozerá kolmo dole, ako je to pri optických družiciach, ale pozerá sa šikmo nabok, najčastejšie doprava. Je to hlavne preto, lebo družica vysiela signál k Zemi vo forme veľmi krátkych pulzov. Tieto interagujú so zemským povrchom a odrazia sa naspäť k družici, ktorá pozmenený signál zaznamená do formy snímky. Aj preto šikmo nabok, aby sme vedeli rozlíšiť, čo sa na snímke nachádza, čo je na snímke skôr a čo neskôr, resp. čo je bližšie k družici a čo ďalej od nej.
Z odrazeného signálu družica zaznamenáva dve zložky. Prvou je amplitúda alebo intenzita odrazeného signálu a druhou je fáza, resp. jeho fázové oneskorenie, pomocou ktorého vieme určiť vzdialenosť medzi družicou a zemským povrchom. Kým intenzita sa využíva hlavne pri aplikáciách využívajúcich obraz (napr. environmentálne aplikácie), fáza sa využíva pri určovaní deformácií zemského povrchu.
Slovensko z družice
Program novej rodiny družíc Sentinel začal radarovou misiou Sentinel-1. Prvá družica Sentinel-1A štartovala v apríli 2014, nasledovaná svojou dvojičkou Sentinel-1B v apríli 2016. Družice letiace v zoskupení dnes opakovane snímajú celé územie Európy a teda aj Slovenska raz za 6 dní. Jedna snímka pokrýva územie veľké približne 180 km v smere sever – juh a 250 km v smere východ – západ. Celé územie Slovenska sa zmestí na približne šesť snímok v obidvoch fázach obehu družice. Celkovo bolo doteraz z nášho územia nasnímaných približne 1 600 snímok o sumárnej veľkosti približne 16 terrabaytov.
Radarová interferometria
Radarová družica zaznamenáva dve zložky odrazeného signálu. Popri amplitúde, resp. intenzite, o ktorej sme hovorili v prvej časti článku, je tou druhou a pre nás veľmi zaujímavou zložkou fáza, resp. fázové oneskorenie signálu. Pomocou tejto veličiny vieme nepriamo určiť vzdialenosť medzi družicou a zemským povrchom, resp. objektmi na ňom. Vieme tak zrekonštruovať reliéf zemského povrchu alebo jeho zmeny v čase. Poznať reliéf povrchu Zeme potrebujeme napríklad pri projektovaní diaľnic, železníc, vodných diel, pri modelovaní kde všade by sa mohla dostať voda pri záplavách. Zmeny zemského povrchu v čase nás zaujímajú hlavne pri sledovaní geologických rizikových stavov, ktoré môžu viesť k rozsiahlym ekonomickým škodám alebo k stratám na životoch, ako sú zemetrasenia, sopečná činnosť a zosuvy. Zemský povrch potrebujeme sledovať aj pri monitorovaní stability veľkých stavieb ako sú priehrady, hrádze, priemyselné podniky, mrakodrapy, mosty, hrady, kostoly. Z jednej radarovej snímky nevieme určiť zmeny na zemskom povrchu, musíme si pomôcť radarovou snímkou z rovnakého územia nasnímanou v inom čase. Ukážeme si to na obrázku s výzdvihom územia v dôsledku zemetrasenia.
Družica pri svojom lete nasníma dané územie. O niekoľko dní, napríklad o 6 dní, sa družica pri svojom oblete okolo Zeme opäť vráti prakticky na to isté miesto a opäť zosníma dané územie. Medzi týmito dvomi návštevami družice však nastalo zemetrasenie, v dôsledku ktorého sa zemský povrch zmenil, napr. mierne vyzdvihol. To spôsobilo že sa vzdialenosť medzi družicou a zemských povrchom mierne skrátila. Toto skrátenie sa prejaví v zmene fázy, ktorú plošne znázorňujeme vo forme tzv. prúžkov, interferogramov. Každý prúžok predstavuje predĺženie alebo skrátenie vzdialenosti (o polovicu vlnovej dĺžky) medzi družicou a zemským povrchom. Tieto prúžkové mapy – interferogramy, vieme prepočítať na mapy posunutia, tzv. deformačné mapy, a určiť o koľko sa sledované územie zmenilo, či už vyzdvihlo, pokleslo alebo sa niekam posunulo. Vďaka tejto unikátnej vlastnosti družice môžeme monitorovať vulkanickú činnosť alebo deformáciu po zemetrasení pre rozsiahle územia a napomôcť k obnove postihnutej oblasti.
Autori: Ing. Juraj Papčo, PhD. a InSAR tím z Katedry geodetických základov, Stavebnej fakulty STU v Bratislave
Zdroj: MDA Corporation, TreAltamira
Družca Sentinel-1, foto ESA/ATG medialab
Informácie o technológii InSAR
Uverejnila: VČ
Viac o vesmírnych zememeračoch, ako aj o iných zaujímavých témach, sa dočítate v časopise Quark (číslo 10/2017), ktorý nájdete v novinových stánkoch alebo si ho môžete predplatiť v elektronickej alebo papierovej verzii na www.quark.sk.