Modificări geomorfologice determinate cu ajutorul tehnologii lor moderne de achiziție și prelucrare a datelor Conducător de doctorat: Prof. Dr .univ…. [632275]

UNIVERSITATEA TEHNICĂ "GHEORGHE ASACHI" IAȘ I
FACULTATEA DE HIDROTEHNICĂ, GEODEZIE
ȘI INGINERIA MEDIULUI

Modificări geomorfologice determinate cu ajutorul
tehnologii lor moderne de achiziție și prelucrare a
datelor

Conducător de doctorat:
Prof. Dr .univ. ing. Florian Stătescu
Doctorand: [anonimizat]. Macarof Paul

2017

INTRODUCERE

2

Capitolul I
INTERFEROMETRIA RADAR SATELITARĂ

1.1. Introducere în tehnologia SAR
Cuvâtul RADAR deriva din prescurtarea expresiei ” radio detection and ranging”,
adică detectarea prin radio și determinarea distanței. Sistemele radar, în general, foloses c
unde modulate si antene direcț ionale în vederea transmiterii e nergie i electromagnetice î ntr-
un anumit spaț iu către anumite obiective (ținte). Aceste ținte din aria de lucru vor reflecta
porțiuni din semnalul emis inapoi către radar , purtând denumirea de retro -semnal (sau
ecouri. Retro- semnalul este procesat pentru a extrage informații despre obiectiv cum ar fi
distanț a, viteza, poziția unghiul ară si alte caracteristici ce pot defini ț inta.
Radarul cu diafragmă sintetică (SAR) este utilizat pe scară largă ca parte a
teledetecției de peste 30 de ani. Această tehnologie poate oferi date (imagini) asupra
obiectivelor, atât pe durata zilei, cât și a nopții, independent de conditțiile meteo, pentru o
multitudine de aplicații precum: studii științifice privind mediul și schimbările climatice,
cartografieri bidimensionale (2 -D) și tridimensionale (3 -D), cercetări privind deplasarea
solului, aplicații le gate de securitate și exploatarea resurselor planetare [1-9] etc..
1.2.Principii și metode de lucru
Conform specialiștilor tehnica radarului cu diafragmă sintetică a intrat într- o epocă
de aur , actualmente existând peste 20 de sisteme satelitare funcționa le sau în faza de
dezvoltare , la ora actulă . Sistemele sunt concepute să monitorizeze procesele de pe
suprafața Terrei în mod continuu, cu o precizie ridicată la diferite scări. În anii 80 și 90 ai
secolului XX s- au dezvoltat tehnici SAR precum polarimetria și interferometria [13-16,
35-36], iar în ultimii 10 ani s -au combinat cele 2 tehnici [18].
Interferometria SAR este o tehnică aparținând teledetecției puternică și bine stabilită,
care permite măsurarea extrem de precisă a parametrilor geofizici i mporta nți, cum ar fi
topografia suprafațelor , deformarea/deplasarea solului , monitorizarea vulcaniloor, precum
și mișcările ghețarilor [13], [52] – [54]. Ideea de bază a interferometriei SAR este de a
compara pentru o anumită scenă (zonă obiectiv) componenta fază a datelelor pentru două
3

sau mai multe imagini radar complexe care au fost achiziționate din poziții ușor diferite
sau în momente diferite. Deoarece fiecare pixel d in imaginile SAR conține informații
despre fază, dacă este precisă informația pentru o mică parte din lungimea de undă a
radarului, este posibil să se detecteze și să se măsoare diferențele minime ale traiectoriei cu o precizie centimetrică sau chiar milimetrică [200] . Această precizie excelentă este
independentă de distanța dintre senzor și zona obiect ceea ce face interferometria SAR
foarte importantă . În ultimele decenii, au fost demonstrate numeroase aplicații terestre cu
ajutorul avioanelor [18, 55- 59] sau a sistemelor satelitare [16, 60 -70]. Un dezavantaj și o
provocare pentru interferometriei SAR este totuși că diferența de distanță măsurată este
ambiguă cu lungimea de undă. Această ambiguitate este de obicei rezolvată prin utilizarea unor informații externe, împreună cu ipoteze de regularitate adec vate despre scena
imagistică , un proces cunoscut sub denumirea de determinarea diferențelor de faze [71].
Aplicații importante privind detectarea obiectelor în mișcare [70], [72], observarea
curenților de suprafață oceanică [57], [73], observarea ghețarilor [62], [63], [67], studiul
deformărilor s eismice și a activităților vulcanice [16], [66], precum și monitorizarea
subsidenței terenurilor [69].
1.2.1. Interferometria SAR diferențială (DInSAR)
Observațiile DInSAR oferă un instrument unic pentru monitorizarea deformărilor
suprafațelor având acoper ire mare ș i costuri reduse [201] . Tehnica interferometrică implică
compararea în fază a datelor SAR între minim două imagini, preluate la momente
temporale diferite, din poziții ușor diferite. Extragerea diferenței de fază d intre cele două
imagini (una numită master- prima imagine și celălalt ă numit slave -imaginile următoare ) se
generează o interferogramă care poate oferi o reprezentare a deplasărilor de la sol care au
apărut în intervalul de timp dintre cele două observații radar.
Precizia de măsurare a dep lasării care poate fi obținută prin interferometrie
diferențială de -a lungul direcției LOS (linia de vizare, adică linia care conectează senzorul
radar prin satelit și ținta de radar de la sol) este în intervalul mai mic decât lungimea de
undă a semnalului radar. De obicei, dimensiunile variază de la câțiva milimetri până la
câțiva centimetri. Precizia ridicată este consecința observării diferențelor de pe
interferograme și nu calcularea schimbărilor diferențelor de elevație a modelelor
tridimensionale . Ace asta permite detectarea precisă a mișcării țintă. Pentru a obține o astfel
de precizie ridicată a detecției mișcării, este necesară o bună cunoaștere a topografiei și a
4

poziției și direcției antenei. Numai măsurătorile pe o singură di recție reprezintă un
inconvenient substanțial al acestei tehnici, în timp ce avantajul major este posibilitatea de
acoperire spațială a zonei observate. Combinarea datelor radar din orbitele ascende nte și
descendente în analize permit definirea a două componente ale mișcării, c are este de ob icei
suficientă pentru analize.

Fig.1.1.Schemă simplificată a DinSAR [202 ].

Fig.1.2. Interferograma diferențială a cutremurului Landers. Interferograma a fost
generată prin intermediul a două imagini ERS -1 rea lizate înainte și după cutrem ur [202 ].
5

Măsurătorile deplasărilor cu tehnologia SAR depind de natura mișcării. Există două
condiții de bază pentru obținerea unor rezultate satisfăcătoare [203] :
• Modificările în timpul achiziționării imaginilor nu trebuie să fie prea mari.
Acest lucru se referă în special la gradient , care nu ar trebui să fie prea mare într -un pixel.
De obicei, această condiție nu ridică probleme majore.
• Dispersia pixelilor la momentul achiziției trebuie să fie cât mai egală. Mai
precis, poziția emițătorilor din cadrul celulei de rezoluție observată nu trebuie să schimbe
mai mult de 20% din lungimea de undă a radiației micro -undelor utilizate. Atunci când nu
este îndeplinită această condiție poate ridica probleme mai mari – nesincronizare
temporală . Nesincronizarea t emporală presupune observarea minimă a suprafețelor care nu
sunt acoperite de vegetație ( de ex. deșert sau zone urbane ). În general, suprafețele lipsite
de vegetație prezintă un grad de favorabilitate superior față de zonele verzi (acoperite de vegetație), zonele uscate sunt mai indicate decât cele umede, iar radarele cu o lungime de
undă mai mare sunt mai potrivite decât cele cu dimensiuni mai reduse. Dificultățile cu
deco relația pot fi rezolvate prin selectarea care sunt coerente (adică, stabile de fază).
Interferometria diferențială are două limitări foarte importante , conform mai multor
studii [203- 205]. Radiația radar reflectată (Retro -semnalul) a tuturor imagini lor trebuie să
fie în corelație – nu trebuie să existe nesincronizare temporală . A doua limit are mai
importantă este că fazele interferograme lor trebuie calculate înainte de comparație. Numai
atunci poate fi utilizată cea de -a doua interferogramă pentru a detecta mici modificări ale
suprafeței. Această probl emă poate fi rezolvată prin utilizarea u nui model de elevație
digitală (DEM ). Totuși, în acest caz se obține o interferogramă diferențială, pentru care
trebuie să fie calculate diferențele de fază pentru a putea determina mișcările absolute.
Principalul avantaj îl reprezintă a ccuratețea ridicată în măsurarea discontinuității
suprafețelor (deplasări țintă milimetrice)
Principalele limitări sunt:
• măsurătorile pe o perioadă mai lungă de timp nu sunt în mare parte posibile din
cauza pierderii sincronizării,
• pierderea coerenței,
• influențele atm osferice nedorite nu sunt eliminate
6

• sensibilitate privind geometria imaginilor achiziționate.

Fig.1.3.Schemă funcționare DinSAR (după Claudio de Luca)
Formula pentru calcul conform lui De Luca este urmatoarea:
df=-
(r2-r1)=
(r-r1)-
(r2-r)
d_LOS =

unde,
reprezintă faza topografica, iar
d_LOS este defoemarea fazei.
1.2. Analiza rezultatelor actuale din domeniu
Aplicații importa nte ale tehnologiei SAR sunt privind detectarea obiectelor în
mișcare [70], [72], observarea curenților de suprafață oceanică [57], [73], observarea
ghețarilor [62], [63], [67], studiul deformărilor seismice și a activităților vulcanice [16],
[66], precum ș i monitorizarea subsidenței terenurilor [69]. Subiectele de studiu au devenit
din ce în ce mai specializate, fiecare cercetare prezentând probleme specifice și generând
noi direcț ii de cercetare pe tema respectivă. Prima reușită din sfera monitorizării
deplasărilor versanților îi aparține lui Freneau, acesta reușind să genereze 6 interferograme
în vederea monitorizării fenomenului de instabilit ate al versantului La Clapiere. Studiul a
relevat o deplasare la baza versantului de 30 mm/zi, în timp ce tipul al unecării de teren a
fost translațional simplu [206] . Carnec pentru același zonă (La Clapiere) a obținut rezultate
asemănătoare [207] . Prin aceste studii autorii au identificat limitarea tehnicii InSAR în
privința deplasărilor rapide (alunecări de teren în cazul descris), fiindcă deformațiile
depășesc limitele fazei undei.

7

Fig.1.4. Mișcările verticale înregistrate în bazinul Bovec, o zonă afectată de cutremurul de
pământ la 12 aprilie [204] .
Timp de 3 ani Rott a efectuat măsurători, iar deplasări le observate au fost de ordinul
centimetrilor sau chiar milimetrilor pe an [208] . Același autor realizează un studiu similar
peste câțiva ani dar pentru monitorizarea unei zone extinsă [209] . Avantajele reliefate
constau în posibilitatea apli cării metodei atunci când există puține imagini (date)
disponibile, făcând- o fezabilă pentru studiile ce au acces la un număr limitat de preluări
(imagini) SAR sau când bugetul destinat este limitat. Cercetările efectuate pentru zonele ce
prezintă alunecăr i de teren având viteze de deplasare foarte mici indică faptul că metoda
InSAR aplicată pentru urmărirea alunecărilor /deplasărilor de tere n poate consemna
deplasăr i de câțiva metri dacă intervalul de achiziție a l datelor să fie de ordinul 1- 3 zile. În
cazul zonelor având o acoperire a vegetație redusă sau chiar lipsite de vegetație, studiul
poate fi extins pe o perioadă de mai m ulți ani. P entru zonele ce prezintă vegetație
abundentă, aplicațiile interferometrice întâmpină probleme din cauza decorelări i de fază,
problema rezolvându- se prin folosirea sistemelor radar care au lungimi de undă mai mari.
Metoda Permanent Scatterers (PS) reprezintă o soluție alternativă și presupune prelucrarea
a minim douăzeci și cinci de imagini SAR pentru un rezultat plauzibil , dar și existența
unor puncte reflectoare stabile la sol . Aplicând această metodă, chiar și pentru zone le cu
coerență scăzută se poate obține o precizie de ordinul milimetrilor.
8

Fig.1.6. Deteminări DInSAR -Grecia [220] .

Fig.1.5.Reprezentarea deplasărilor pentru zona Tianjin prin aplicarea metodei
DInSAR [219] .
9

În vederea aplicării tehnicii DInSAR pentru monitorizarea alunecărilor de teren s-au
constatat o serie de condiții necesare, în relație cu mărimea suprafeței de cedare, viteza de
deplasare, supraf ața acoperită și mecanismul de declanșare [210- 211]. Articolul lui
Colesati studiază și tehnica PS, care depășește în limitări meto da DInSAR, oferind
rezultate elocvente în privința deplasărilor terenului. Această metodă necesită un număr
suficient de ținte de vizare fixe (zonele urbane dense cu puțină vegetație reprezentă
amplasamentul perfec t), dar prezintă și avantaje avantaje în privința raportului cost-
eficiență pentru monitorizarea unei suprafețe extinse, posibilitatea folosirii unor reperi
naturali și geo-localizarea acestora cu o precizie de 1 -5 metri. Printre p rincipalele limitări
ale tehnicii PS sunt incapacitatea de a furniza rezultate ale mișcări uni -dimensionale în
lungul lungul axei de vizare senzor -țină și o dependență de reperii naturali ce pre supune
imposibilitatea alegerii necondiționate în avans a acestora. Aceastș metodă a fost
aprofundată și de Farina, considerând că metoda poate fi utilizată la 2 scări diferite : una
regională, ca suport pentru întocmirea hărțilo r de marcare a zonelor cu teren instabil , și a
doua scară pentru analiza detaliată a unei /unor alunecări /deplasări anume, putând fi
utilizată pentru întocmirea hărților de activitate și interpretarea geometriei mișcării [ 212].
Într-un alt studiu Power a concatenat, metoda de prelucr are imaginilor InSAR cu
algoritmii de prelu crare conecși ( DInSAR, PS, SqueeSAR), deoarece a observat limitarea
primei metode ]n vederea monitorizării deplasărilor terenului, în special al alunecărilor de
teren [213] .
Fig.1.6.Monitorizarea deplasărilor -Italia [221] .
S-au efectuat cercet ări și cu privire la benzi le de lungimi de undă diferite (C cu [ -0.5-
1] GHz în intervalul ( 30-60 c m ) ș i L c u [ –40–60] GHz în intervalul (0. 5–0.75 cm)) și
10

efectul lor asupra rezultatului observațiilor DInSAR [214] . Concluziile au reliefat faptul că
metoda este foarte potrivită pentru monitorizarea zonelor complexe , cea mai indicată
abordare fiind aceea a utilizării unor perechi diferite de intervale, datele sistemelor SAR
preluate în bandă C sunt ma i potrivite pentru consemnare a deplasărilor în i ntervalul 5 -10
cm, în timp ce sistemele dezvoltate în banda L se adaptează mai bine pentru deformările în
intervalul 2 -40 cm. Un alt studiu, cu privire la utilizarea datelor SAR în benzi de lungimi
de undă diferite (C și L), a indicat fa ptul că decorelările dato rate mișcărilor rapide sunt mai
frecvente în cazul observațiilor efectuate de sistemele ce utilizeză banda C față de cele
realizate în banda L [215] .
În 2010, Cascini, într -un studiu privind utilizarea metodei DInSAR, a indicat fa ptul
că aplicarea acestui proces de determinare al deplasărilor poate reprezenta un efort extrem
de costisitor și extins din punct de vedere temporal atunci când sunt monitorizate suprafețe
vaste și că tehnica nu poate fi utilizată facil până la dezvoltarea și validarea unor
instrumente standardizate în cazul alunecărilor d e teren [216] . De asemenea autorul mai
precizează că viitoarele sisteme SAR cu o rezoluție mai bună și o perioadă de revizie
(intervalul dintre 2 preluări succesive de date -imagini) mai m ică vor furniza date
suplimentare, permițând noi validări ale tehnicii [216] . De asemenea Cascini efectuează
analize și cu privire implicațiile folosirii ”scenelor” ( imaginilor) DInSAR de joasă și înaltă
rezoluție [217] . Recent tehnica DInSAR a fost utiliz ata pentru monitorizarea vestigiilor
romane din Pompei cu rezultate foarte bune [218] .

11

Capitolul II
Sisteme de achiziție a datelor în interferometria satelitară
2.1. Sistemul Sentinel- 1 de achiziție a datelor

200-B. Chen, M. Maddox, M. C. W . Coln, Y. Lu and L. D. Fernando, "Precision Passive –
Charge -Sharing SAR ADC: Analysis, Design, and Measurement Results," in IEEE Journal
of Solid- State Circuits, vol. 53, no. 5, pp. 1481- 1492, May 2018.
201 Colesanti C., Wasowski J., 2004. Satellite SAR in terferometry for wide -area slope hazard
detection and site-specific monitoring of slow landslides. Proceedings of the ninth
International Symposium on Landslides
202 www.alpine- space.org

203 Kristof Ostir , Mark o Komac , 2007, PSInSAR and DInSAR methodology comparison and
their applicability in the field of surface deformations – A case of NW Slovenia
204 Ostir K., 2000, Analysis of the effect of combining radar interferograms on the accuracy of
altitude models an d movements of the ground surface
205 Hanssen, R. F., Ferretti, A., (2002): Deformation Monitoring by Satellite Interferometry. GIM
International, 16/9, 52 –57.
206 Fruneau B., Achache J., Delacourt C., 1996, Observation and modeling of the Saint-Etienne –
de-Tinee landslide using SAR inter ferometry, Tectonophysics.
207 Claudie Carnec, Didie r Massonnet, Christine King , 1996, T wo examples of the use of SAR
interferometry on displacement fields of small spatial extent
209 Rott H. et al. , 2006, The contribution of radar inte rferometry to the assessment of landslide
hazards.
208 Rott, Helmut & Scheuchl, Bernd & Siegel, Andreas & Grasemann, Bernhard. (1999).
Monitoring very slow slope movements by means of SAR interferometry: A case study from a mass waste above a r eservoir in the Otztal Alps, Austria. Geophysical Research
Letters – GEOPHYS RES LETT. 26. 1629 -1632. 10.1029/1999GL900262.

210 Colesanti C., Wasovski J., 2006, Investigating landslides with space born SAR interferometry
211 Delayone R. et al., 2007, ERS InSAR fo r Detecting Slope Movement in a Periglacial
Mountain Environment
12

212 Farina P. et al., 2006, Permanent Scatterers for lan dslide investigations: outcomes from the
ESA -SLAM project.
213 Power D.et al., 2006, InSAR Applicat ions for Highway Transportati on Projects
214 Spreckels, Volker & Walter, Diana & Wegmueller, Urs & Werner, Charles. (2008).
Evaluation of TerraSAR -X DINSAR and IPTA for ground -motion monitoring.
215 Strozzi T. et al., 2005, Survey and monitoring of landslide displacement by means of L -band
satellite SAR interferometry.
216 Cascini L. et al., 2010, A new approach to the use of DinSAR data to study slowmoving
landslides over large areas.
217 Cascini, Leonardo & Fornaro, Gianfranco & Peduto, Dario. (2009). Analysis at
medium scale of low -resolution DInSAR data in slow -moving landslide -affected
areas. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 64. 598- 611.
10.1016/j.isprsjprs.2009.05.003.
218 Bonano M., Manzo M., Casu F., Manunta M., Lanari R. (2017) DInSAR for the
Monitoring of Cultural Heritage Sites. In: Masini N., Soldovieri F. (eds) Sensing the Past. Geotechnologies and the Environment, vol 16. Springer, Cham
219 Tao, Li et al. “Ground Deformation Retrieval Using Quasi Coherent Targets DInSAR,
With Application to Suburban Area of Tianjin, China.” IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing 5 (2012): 867- 873.
220 Kourkouli, Penelope & Fakhri, Falah. (2011). Statistical correlation between ground
deformation and some phenomena by using DINSAR t echnique. The case study of
Illia prefecture (western Greece. 10.13140/2.1.1353.4407.
221 Roberta Bonì, Massimiliano Bordoni, Alessio Colombo, Luca Lanteri, Claudia
Meisina, Landslide state of activity maps by combining multi- temporal A –
DInSAR (LAMBDA),Rem ote Sensing of Environment, Volume 217,2018,Pages
172-190,ISSN 0034- 4257,https://doi.org/10.1016/j.rse.2018.08.013.

13