A radarműholdak mindent látnak, még a múltat is

Mi is az a műholdradar-interferometria?

A távérzékelésben, űrgeodéziában és geofizikában gyakran használt műholdradar-interferometria (Interferometric Synthetic Aperture Radar, InSAR) technológiája az apertúraszintézis elvén készült radarfelvételek (SAR) hullámfázisinformáció-tartalmát vizsgáló tudományterület. Az InSAR-technológia alkalmazásában a kutató eszköze az elektromágneses mikrohullámok csoportjába tartozó (közelítően 10⁸-10¹¹ Hz frekvenciájú) radarhullám. A SAR technológia a felvételezési módtól és a jelfrekvenciától függően akár 1-100 m/pixel közötti térbeli felbontást is lehetővé tesz a különböző célú földmegfigyelési feladatokat végzők számára. A radar-felvételezési eljárás fizikai tulajdonságaiból fakadóan a technológia előnye, hogy teljesen független a napszaktól és az időjárástól.

Az optikai és apertúraszintézises felvételezés környezeti különbségeinek illusztrációja: a bal oldali optikai űrfelvételen felhők láthatók, a jobb oldali Sentinel–1 intenzitásképen pedig kirajzolódik az erdélyi Nagybánya városa

Honnan jön az adat az InSAR-hoz?

A műholdradar-interferometriai vizsgálatok elsődleges forrását – kedvező adatpolitikája és széles körű elérhetősége miatt – napjaink egyik legújabb, naprakész adatokat szolgáltató küldetése, a Sentinel–1 biztosítja. A Sentinel–1 radarműholdpáros tagjai a Föld északi és déli pólusa közelében áthaladó pályán keringenek, egymást fél pályaperiódus eltéréssel követve. A felszíni területek felett időnként délről észak felé (felszálló pályaszakasz), máskor északról déli irányban (leszálló pályaszakasz) haladnak el. Ez a két műhold, a Sentinel–1A és a Sentinel–1B folytatja azt a földmegfigyelést, amit korábban az európai ERS–1/2 és ENVISAT műholdak végeztek. A gyakorlati alkalmazások szempontjából azonban a térbeli lefedettség, a visszatérési idő, a gyors adattovábbítás és a megbízhatóság terén a Sentinel–1 küldetés sokkal kedvezőbb feltételeket biztosít elődeinél. Emellett természetesen több, más frekvenciatartományban üzemelő kereskedelmi küldetés felvételei is elérhetőek mind a tudományos, mind az ipari partnerek számára, pl. a TerraSAR-X, a COSMO-SkyMed, valamint a Capella Space 0,5 m/pixel térbeli felbontású radarképeket nyújtó, 2020-ban kiépíteni kezdett, hamarosan hét műholdból álló konstellációja. A kifejezetten védelmi-ipari célból pályára állított műholdak közül pedig a kétéves spanyol PAZ küldetés említendő.

Hogy működik az InSAR?

Az eljárás alapvetően kettő vagy több, különböző időben és/vagy különböző műholdpályáról készített radarkép közötti hullámfázis-különbség elemzésén alapul, ahol a referenciaképet master-nek, míg a vizsgált felvételeket slave-nek nevezzük. A radarfelvétel pixeljei más-más anyagi, geometriai és szórási jellemzőkkel bírnak, amelyek feldolgozásához speciális eljárások szükségesek, továbbá a felvételt saját koordináta-rendszeréből át kell transzformálni földrajzi koordináta-rendszerbe, azaz valamilyen vetületbe. Ezt követi az egyik legkritikusabb lépés, az úgynevezett koregisztrálás, amelynek során a master–slave felvételpárost pixelen belüli pontossággal feleltetjük meg egymásnak, így téve lehetővé a felvételek megfelelő pixeljei közötti hullámfázis-különbségek meghatározását és azokból levezethető, úgynevezett interferogram előállítását. A topográfia és a felvételezési műholdpályák ismeretében, egy mesterséges, szintetikus interferogram is előállítható. A koregisztrált felvételekből meghatározott interferogramból és a modellezéssel létrehozott szintetikus interferogramból pedig levezethető az úgynevezett differenciális interferogram, amelynek a „fáziskicsomagolás”-át (phase unwrapping) követően kiszámításra kerül a műholdszenzor és a pixelnek megfelelő felszínrészlet közötti, úgynevezett műholdirányú elmozdulás. (Line-of-Sight, röviden LOS).

A fent bemutatott technikát differenciális műholdradar-interferometriának (DInSAR) nevezik, több felvétel idősoros értelmezésénél, az időben „hasonló”, koherens felszínelemekre szűkített feldolgozás pedig az állandó szórópontú radar-interferometria megnevezést viseli (PSInSAR).

 

Mik az InSAR felhasználási területei?

A vizsgált felszíndeformációk lehetnek antropogén eredetűek, mint például a bányaművelés alatt álló területek süllyedése, a mélyépítési munkálatok által indukált felszínváltozások, a felszín alatti vízkitermelés vagy épp visszasajtolás. Emellett szignifikáns területe az InSAR-kutatásoknak a természetes eredetű felszíndeformációk – például a szeizmikus, vulkanikus, valamint geomorfológiai folyamatok által vezérelt jelenségek – vizsgálata és monitorozása is.

A korábbi klasszikus mozgásvizsgálati tematikájú geofizikai és geodéziai térképezésekkel az InSAR technológia deformációérzékenysége és pontossága összevethető, míg térbeli felbontása messze felülmúlja azokét. Ezért az InSAR korábban elképzelhetetlen skálán biztosít felszínmozgás-információt, hatékonysága nemcsak az elméleti, hanem a gyakorlati szakemberek munkáját is segíti. Habár a technológia nem igényel terepi munkát vagy speciális fix infrastruktúra-telepítést, kivételes esetekben ez is szükséges lehet. Erre példa a passzív sarokreflektor vagy aktív transzponder telepítése kiemelt vizsgálati jelentőségű területekre.

Kitekintés

A technológia népszerűsítésében nagy szerepet játszanak az űrügynökségek, például az ESA és a NASA. Az ESA nyílt forráskódú Sentinel–1 Toolbox (S1TBX) szoftvere, továbbá a kapcsolódó oktatási anyag és dokumentáció nemcsak szakemberek, hanem minden érdeklődő számára lehetővé teszi, hogy megismerhesse az InSAR technológia nyújtotta megoldásokat.

Hivatkozás

Magyar B. and Kenyeres A. (2020) Complete 3D Coseismic Deformation Field Reconstruction of 2019 Ridgecrest Earthquakes based on Sentinel-1 TOPS data, H-SPACE 2020: Proceedings of the 6th International Conference on Research, Technology and Education of Space, Hungarian Astronautical Society, ISBN 978-963-7367-25-0

Kenyeres Ambrus, Magyar Bálint

A technológia

Az Európai Űrügynökség (ESA) műholdjain elhelyezett radarberendezések 1992 óta végeznek észleléseket. Az apertúraszintézis elvén működő műholdas radarok Föld körüli pályáról mikrohullámú sugárzást bocsátanak a Föld felszínére, majd a visszaverődött jeleket detektálják. Ez nagyban különbözik az optikai műholdak képalkotásától, amelynek során a Nap visszavert sugarait fényképezi le a műhold. A radarok esetében jóval nagyobb hullámhosszú és főként saját sugárzású jelet adunk, amely áthatol a felhőkön is, így bármikor, éjjel-nappal és bármilyen időjárási körülmények között lehetséges az észlelés. Adatfeldolgozási eljárással pedig az is elérhető, hogy a mozgásban lévő műholdradar észlelései olyan eredményt adjanak, mintha azt egy hatalmas álló antennával képezték volna le: ez az apertúraszintézis. Példaként az ERS–1 műhold körülbelül 1700 radarjelet küldött ki másodpercenként, és például 1000-nél több visszaszórt radarválaszt gyűjtött össze egy tárgyról, mialatt az a „látószögén belül” volt, közben maga a műhold körülbelül 4 kilométert tett meg. Azaz az ERS–1 műhold 10 × 1 méteres radarantennájával olyan észlelést szintetizálunk, mint amilyen egy elképesztően nagy, 4 kilométer hosszúságú, álló antennával lenne lehetséges. A Földről visszavert radarjelek amplitúdója, fázisa és polarizációja különféle információt hordoz például a felszínborításról, a növényzetről, a domborzati viszonyokról, a talaj nedvességtartalmáról. Mivel a műholdak újra és újra elrepülnek pontosan ugyanazon területek felett, az egymás utáni észlelések összehasonlításával a rengeteg különféle változás nyomon követhető.

A műholdradar-interferometria (InSAR) a műholdradaros technológiák egy olyan viszonylag új módszere, amely az észlelések fázisának változásait követi nyomon. Így meg lehet állapítani a Föld felszínén lévő reflektáló felületek műholdirányú távolságának változását. Ezzel pedig a radarreflexiót adó objektumok stabilitása és mozgása rendkívül pontosan és forradalmian új módon vizsgálható. Természetesen ez a technológia sem mindenható, mert az észlelési irányra és – amennyiben nem alkalmazunk mesterséges reflektorokat – a radarreflexió helyére nincs nagy ráhatásunk. Mindemellett a műholdradar-interferometria több tekintetben forradalmi, egyedülálló. Más technikáknál helyszínre kell menni (megközelítés, engedélyek stb.), mérőponthálózatot kell telepíteni és fenntartani (anyag- és munkaköltségek), időközönként a műszerekkel helyszíni méréseket kell végezni, és ezt a tevékenységet 10–30 évig kell folytatni (műszerfenntartás és humánerőforrás), hogy a mozgások kimutathatók legyenek. A műholdradar-interferometria esetében semmi ilyenre nincs szükség. Soha nem kell a helyszínre menni, semmit nem kell építeni és telepíteni, nem kell mérőhálózat, nem kell műszer, és nem kell embereknek méréseket végezniük, az eredményekre évtizedekig várniuk. A radaros műholdak az észleléseket rendszeresen, nagyságrendekkel nagyobb pontsűrűséggel, időbeli és térbeli lefedettséggel már közel három évtizede végzik. A technológiával egyedülállóan a „múltba lehet látni”, hiszen évtizedekre visszamenőleg rendelkezésre állnak az észlelések, így visszamenőlegesen képet kaphatunk a múltbeli mozgásokról, stabilitásról, deformációkról, ráadásul bárhonnan a világon, anélkül hogy odamennénk. Így magassági értelmű mozgásvizsgálatban semmilyen más módszer sem időbeli, sem térbeli felbontásban, sem pontosságban jelenleg nem tudja felvenni vele a versenyt.

Az egyetlen lehetőség a múltbeli mozgások közvetlen mérésére

Műholdradar-interferometria technikával, az ESA ENVISAT földmegfigyelő műholdja kétirányú (leszálló és felszálló pályaszakaszokon végzett) észleléseinek kombinálásával sikerült meghatározni az ajkai vörösiszap-tározó 2010 októberében átszakadt gátjainak térbeli mozgását, 2002-től a katasztrófát megelőző nyolc éven át egészen az azt megelőző napokig. Az utóbbi évtizedek legsúlyosabb hazai ipari szerencsétlensége tíz emberéletet követelt, jelentős környezeti károkat okozott, amelyek felszámolása több tízmilliárd forintot emésztett fel.

Műholdradaros vizsgálatunk megállapította, hogy a tározó tágabb és közvetlenebb környezete, Ajka, Kolontár és Devecser településeket is beleértve, a megelőző nyolc év alatt lényegében stabil volt, ±2 mm/éves sebességi szinten. Ezzel ellentétben a X. számú tározó 2010-ben átszakadt gátjainál jelentős mozgás, deformáció volt mérhető. A tározó nyugati gátfala esetében sikerült a teljes térbeli sebességek nagyságát és irányát is rekonstruálni. Eszerint a nyugati gát főleg vízszintesen, nyugati irányba (kifelé) mozgott; délről az északi része felé 1,2 cm/évről növekvő sebességgel, ami az összeomlott saroknál elérte a 2,1 cm/évet. Emellett a mozgásnak csak kisebb magassági komponense volt, ami a gátszakadás helyszínén 0,4 cm/év mértékű süllyedést jelentett. A kifelé irányuló vízszintes mozgás sebessége tehát többszöröse volt a magassági irányúnak. Az északi gátfal mozgását a kedvezőtlen relatív geometria miatt csak bizonyos feltételekkel lehetett meghatározni. A mért műholdirányú távolságnövekedés feltehetően itt is főleg kifelé tartó mozgásnak felelt meg. A nyugati és északi gát kifelé tartó mozgásai az északnyugati saroknál összeadódtak. Ez a szerkezetben hatalmas húzó- és nyírófeszültséget halmozott fel. Az adatok az iszap és a felhalmozódott víz nyomása miatt a gátfalakat kifelé nyomó, azokat a saroknál szétfeszítő erőknek a gátszakadásban játszott szerepére utalnak. Az egyik tanulság, hogy a múltbeli és jelenlegi stabilitás- és mozgásviszonyokat akkor is meg lehet határozni visszamenőleg, ha semmilyen mérőhálózatot nem telepítettek, és semmilyen helyi mérés erre vonatkozóan nem zajlott. Így a potenciálisan komoly kockázatot jelentő építményeket érdemes a műholdradar-interferometria technikával felmérni, hogy elkerülhetők legyenek az esetleges emberi, anyagi és környezeti károk, hiszen a technológia és a módszertan rendelkezésre áll.

A leghatékonyabb módszer a mozgásviszonyok feltérképezésére

Az európai Copernicus program feladata globális, folyamatos, megbízható, pontos, gyors műholdas földmegfigyelési adatok szolgálatszerű biztosítása. A Copernicus különlegesen kedvező adatpolitikája értelmében a műholdas mérési adatok szabadon, ingyenesen elérhetőek minden felhasználó számára. A fő cél a társadalom és a gazdaság számos területén a műholdas távérzékelési adatok használatának, hasznosításának elősegítése. A világ legösszetettebb földmegfigyelési programjára Európa 2020-ig a becslések szerint összesen 6,7 milliárd eurót költ, ami ugyanakkor a gazdasági haszon révén hosszabb távon sokszorosan megtérül.

A Sentinel–1 az európai Copernicus földmegfigyelő program apertúraszintézises radarberendezéssel felszerelt műholdjainak neve. Közülük az első, a Sentinel–1A 2014 áprilisában, párja, a Sentinel–1B két évvel később indult. A két megegyező felszereltségű műholdat használó konfiguráció előnye, hogy legfeljebb 6 napos visszatérési idővel kaphatunk egy adott területről radarméréseket. Újabb űreszközökkel a rendszer már most dedikáltan legalább a 2030-as évek végéig, de minden valószínűség szerint sokkal tovább folytatja a mérések sorozatát. A hosszú távon elérhető Sentinel–1-adatok egyedülálló lehetőséget nyújtanak a műholdradar-interferometriával végzett mozgásvizsgálatokra. Már 2017-re elkészítettük Budapest és környéke első Sentinel–1-mozgástérképét. A térkép a legkorszerűbb űrgeodéziai módszer felhasználásával feltárja közel 7000 négyzetkilométeren, mintegy 1,5 millió pontban közel száz különböző időpontban végzett észlelés alapján környezetünk elsősorban magassági irányú mozgásait. A 1,5 millió közül példaként egy radarpontnak a mozgástörténete jól demonstrálja, hogy a rövid idő alatt a csupán néhány milliméteres évszakos mozgások is nagyszerűen nyomon követhetők az űrből. 2020 végére elkészült az egész Magyarországra vonatkozó Sentinel–1 műholdradaros mozgástérkép is.

Budapesten és környékén a legkiterjedtebb és egyik legnagyobb, 1 cm/évet elérő nagyságú felszínemelkedés Kőbányán volt kimutatható a korábbi műholdradaros, illetve földi ellenőrző mérések alapján. Ennek oka a feltételezések szerint a múlt század második felében még számottevő helyi vízkivétel megszűnése, a talajvíz elmúlt évtizedekben tapasztalható jelentős megemelkedése volt. Az új eredmények egyértelműen bizonyítják, hogy a kőbányai kiemelkedés a terület közel egészén lelassult, és lényegében megállt. Jelenleg már csak az anomália kisebb részein mérhető a korábbiakhoz képest jóval lassabb emelkedés.

A mozgások tényének kimutatásánál összetettebb feladat az esetleges felszínváltozások okainak kiderítése. Ez sok esetben körültekintő tudományos és műszaki elemzést kíván. A műholdradar-interferometria technikával már néhány év leforgása alatt is könnyen mérhető lehet például a felszín alatti ivó- vagy öntözővíz, esetleg a szénhidrogének kitermelése miatti süllyedés, vagy épp ellenkezőleg, az ilyen tevékenység felhagyását követő kiemelkedés vagy az infrastrukturális beruházások hatásai, mélyépítés, alagútfúrás, metró-, út- és vasútépítés. A technika ideális a nagy fontosságú építmények stabilitás- és mozgásvizsgálatára, mozgástörténetük feltárására és monitorozására.

Grenerczy Gyula

---

Az anyag összeállításához használt jelentősebb szakmai publikációk:

• Farkas, P., Grenerczy, Gy., Sentinel-1 PSI Analysis of Greater Budapest Region, Hungary, paper 509 abstract, http://fringe.esa.int/page_session239.php#336p, ESA Fringe Workshop, 2017.
• Grenerczy, Gy., U. Wegmüller, Deformation analysis of a burst red mud reservoir using combined descending and ascending pass ENVISAT ASAR data, Natural Hazards, DOI: 10.1007/s11069-012-0470-4, Volume 65, Issue 3, Page 2205-2214, 2013.
• Grenerczy, Gy., U. Wegmüller, Persistent scatterer interferometry analysis of the embankment failure of a red mud reservoir using ENVISAT ASAR data, Natural Hazards, doi:10.1007/s11069-011-9816-6, Volume 59, Issue 2, Page 1047-1053, 2011.
• Grenerczy G., Z., Oberle, B., Füsi Á., Gulyás, L., Vértesy Gy., Paszera, Zs., V. Deák, Budapest PS-InSAR dataset: Validation and interpretation, ESA GMES Terrafirma 5th User Workshop, ESRIN, ESA, 2009.

Magyar nyelven:

• Grenerczy Gy., Virág G., Frey S., Oberle Z., Budapest műholdas mozgástérképe: a PSInSAR/ASMI technika hazai bevezetése és ellenőrzése, Geodézia és Kartográfia 11 (60) pp. 3–9, 2008.

Interneten:

• Hogy mozogtak a vörösiszap-tározó gátjai? (Űrvilág, 2012. május)
  • http://www.urvilag.hu/katasztrofak_ellen/20120502_hogy_mozogtak_a_vorosiszaptarozo_gatjai
• Műholdradaros vizsgálatok: létezik ilyen? (1. és 2. és 3. rész)
  • http://www.urvilag.hu/katasztrofak_ellen/20101129_muholdradaros_vizsgalatok_letezik_ilyen_1resz
  • http://www.urvilag.hu/nyereseg_a_kontinensnek/20101130_muholdradaros_vizsgalatok_letezik_ilyen_2resz
  • http://www.urvilag.hu/katasztrofak_ellen/20101201_muholdradaros_vizsgalatok_letezik_ilyen_3resz
• Hogyan mozog Budapest és környéke? (Geo-Sentinel Kft., 2017. július)
  • http://geo-sentinel.hu/hogyan-mozog-budapest-es-kornyeke/
• Magyarország felszínmozgástérképe (2020. október)
  • https://doi.org/10.5281/zenodo.4108590

Videó: