Lehetséges a földfelszín milliméteres nagyságrendű mozgásainak észlelése az űrből? A válasz: igen, erre ad módot a műholdradar-interferometria, amelynek bevezetését Magyarországon 2000-ben a Kozmikus Geodéziai Obszervatórium (KGO) munkatársai kezdeményezték. A technológiáról Magyar Bálinttal, a Lechner Tudásközpont részeként működő KGO munkatársával beszélgettünk, aki a november végi albániai földrengés radarfelvételeinek elemzésébe is beavatja az olvasókat.
A műholdas távérzékelés szerepe folyamatosan nő a tudományos és a gyakorlati életben, a műholdfelvételeket és az azokból származtatható információt újabb és újabb területeken, egyre sokrétűbben használják fel. A távérzékelés lehet passzív vagy aktív, az előzőnél a műhold érzékelője természetes forrásból származó elektromágneses sugárzást detektál, míg az utóbbinál a műholdon elhelyezett antenna bocsát ki adott frekvenciájú elektromágneses jelet, és ennek a földfelszínről vagy céltárgyról történő késleltetett visszaverődését érzékeli a szenzor. Ebbe az utóbbi kategóriába tartozik a műholdradarral történő távérzékelés is, amelynek egyik legkorszerűbb módja a műholdradar-interferometria, angolul Interferometric Synthetic Aperture Radar, rövidítve InSAR. A technológia részleteibe Magyar Bálint GNSS/InSAR kutató, a Lechner Tudásközpont Kozmikus Geodéziai Osztályának munkatársa vezet be minket.
Mi az InSAR lényege és miben áll az újdonsága?
Magyar Bálint: A távérzékelésben, az űrgeodéziában és a geofizikában gyakran használt InSAR technológia a szintetikus apertúrájú radarfelvételek (rövidítve SAR) fázisinformáció tartalmát vizsgáló tudományterület, amelyben a kutató eszköze az elektromágneses spektrum 109-1011 Hz tartományában kibocsátott radarhullám. Ennek során a SAR szenzor – felvételezési módtól és szenzortól függően – 1-100 méteres nagyságrendű térbeli felbontást tesz lehetővé, ami az úgynevezett apertúra szintézisnek köszönhető, ahol apertúrának a radarantenna méretét nevezzük.
A feldolgozás során két vagy több felvétel közötti relatív fáziskülönbségből származtatható az ún. interferogram, majd ebből számítható a felszín és műhold közötti (Line of sight – LOS) felszíndeformáció mértéke és sebessége. Több felvétel esetén ezek idősoros vizsgálata az adott felszínelem deformációtörténetét is feltárja előttünk, bizonyos sávokon (C-band) akár egészen 1992-ig visszamenően. A vizsgált felszíndeformációk lehetnek antropogén eredetűek (bányaművelés alatt álló területek, mélyépítési munkálatok által indukált felszínváltozások, folyadék-, például víz- vagy olajkivétel monitorozása stb.), vagy szeizmogenikus, vulkanikus valamint geomorfológiai folyamat által vezéreltek, ahol a deformáció mértéke a centiméterestől akár a 0,1 mm-es nagyságrendben is kimutatható.
Mik az előnyei ennek a technológiának?
MB: A technológia deformációérzékenysége és pontossága a korábbi mozgásvizsgálati tematikájú geofizikai és geodéziai térképezésekkel összevethető nagyságrendű, a térbeli felbontása viszont messze felülmúlja azokét, korábban elképzelhetetlen skálán biztosítva in-situ felszínmozgási i nformációt. Hatékonysága nemcsak az elméleti, hanem a gyakorlati szakemberek munkáját is segíti, nem igényel terepi munkát, fix infrastruktúra telepítést (maximum referenciapontként), engedélyezési folyamatot stb. Emellett a SAR fizikai tulajdonságaiból fakadóan óriási előnye a felvételezési technikának, hogy teljesen napszak- és időjárás-független. Emiatt, az előbbiek mellett a katasztrófa-elhárításban, a védelmi-ipari megfigyelésben (pl. EU-FRONTEX Vessel Detection, Military Vehicle Detection and Classification) is fontos szerepet játszik, amit szintén fontos megemlíteni.
Mikor kezdték el Magyarországon használni ezt az ezek szerint igazi 21. századi, újgenerációs űrgeodéziai technológiát?
MB: A műholdradar-interferometria hazai bevezetését és alkalmazásainak előkészítését 2000-ben – az akkor a FÖMI keretein belül működő – Kozmikus Geodéziai Obszervatórium kutatói kezdeményezték. A KGO mellett fontos megemlíteni az MTA Csillagászati és Földtudományi Kutatóközpont Geodéziai és Geofizikai Intézetének InSAR szakmai műhelyét is. Kiemelném, hogy a technológia egyre szélesebb körű elterjedését figyelhetjük meg mind hazai, mind nemzetközi viszonylatban. Már nemcsak az alapkutatási és elméleti kutatási projektek a jellemzőek, hanem az ipari alkalmazások is. Hazai példaként jelezném, hogy a technológia bekerült a Paks2 Telephely Engedélyezési Dokumentációba, valamint a Lechner Tudásközpontot közvetlenül érintő Földmegfigyelési Információs Rendszerhez (FIR) is készül egy kifejezetten InSAR monitoring modul. Különböző ESA-s fórumokon (Living Planet Symposium, Phi-Lab, és így tovább) gyakran felcsendülő téma, hogy a következő évtized a földmegfigyelési programokban gyűjtött adatok big-data fúziójáról és az arra épülő ground segment-ek jelentős fejlődéséről és bővüléséről fog szólni (pl. EPOS ERIC), illetve az azokban rejlő tudományos és piaci potenciál kiaknázásáról. Szóval rendkívül izgalmas időszak van még előttünk.
Mit jelent a ground segment kifejezés ebben az értelemben, és mit rövidít a példaként említett EPOS ERIC?
MB: A ground segment az adott űrmisszó földi szegmense, amely a data-bankoktól a data serviceken át a szolgáltatásokat nyújtó és/vagy kutatási-fejlesztési tevékenységet végző cégeket is jelenti. Az EPOS az European Plate Observing System, az ERIC pedig az European Research Infrastructure Consortia rövidítése. Ez egy multidiszciplináris páneurópai project, amely átfogja a földtudományok kapcsolódó összes szakterületét, egyesítve őket egy egységes keretrendszerű európai tudományos monitoring és szintézisrendszerben. Szeizmológusok, geodéták, geokémikus, geofizikusok és egyéb szakemberek dolgoznak együtt, ennek GNSS vonalon a KGO is tagja.
Honnan származnak azok a radarfelvételek, amelyeket a KGO felhasznál?
MB: A KGO a vizsgálatai kiindulási pontjaként leginkább az ESA Sentinel-1 missziójának radarfelvételeit használja fel. Ez a misszió az Európai Űrügynökség, angolul European Space Agency és az Európai Bizottság közös kezdeményezéseként létrejött GMES, vagyis Global Monitoring for Environment and Security égisze alatti újgenerációs földmegfigyelési projektek közé tartozik. A Sentinel-1 misszió keretében két műhold kering azonos, kvázipoláris, vagyis a Föld északi és déli pólusai közelében áthaladó pályán, de egymással átellenesen. Ez a két műhold, a Sentinel-1A és a Sentinel-1B folytatja azt a földmegfigyelést a SAR C-sávban, vagyis 5.4 GHz frekvenciatartományban, amit korábban az ERS-1/2 és a Radarsat-1/2 holdak végeztek. A gyakorlati alkalmazások szempontjából azonban a térbeli lefedettség, a visszatérési idő, a gyors adattovábbítás és a megbízhatóság terén a Sentinel-1 sokkal kedvezőbb feltételeket biztosít. Emellett természetesen több, más frekvenciatartományban üzemelő kereskedelmi űrmisszió felvételei is elérhetők mind a tudományos, mind az ipari partnerek számára, ilyen például a TerraSAR-X és a Cosmo-SKYMED. A nem-kommercionális, kifejezetten védelmi-ipari célból pályára állított műholdak közül a hamarosan két éves spanyol PAZ misszió említendő meg.
Hogyan tud az InSAR technológia a hazai geodéziai hálózatokba integrálódni?
MB: Az InSAR geodéziai integrációja és a geodéziai, GPS mozgásvizsgálati hálózatokban való alkalmazása céljából hoztuk létre a Sentinel-1 Geodéziai Alapponthálózatot, rövidítve a SENGA-t. A KGO ezt az Európai Űrügynökség PECS (Plan for European Cooperating States) projektje keretében valósította meg, és ellátja a rendszer üzemeltetéséhez, bővítéséhez és fejlesztéséhez kapcsolódó feladatokat is.
Miből áll ez a Sentinel-1 Geodéziai Alapponthálózat, vagyis a SENGA?
MB: A Magyar GPS Geodinamikai Alapponthálózat, vagyis az MGGA kiválasztott alappontjainak közvetlen közelében a KGO speciális sarokreflektorokat helyezett el, és GPS, valamint szintezési mérésekkel teremtette meg az MGGA, a GNSSnet.hu és az EOMA hálózatokkal való közvetett, InSAR kollokációt. Ez alatt azt értjük, hogy a relatív InSAR elmozdulási adatokhoz abszolút 3D koordináta és sebesség rendelhető, lehetővé téve, hogy az amúgy relatív technológia globálisan, geodéziai abszolút referenciarendszerben is alkalmazható és értelmezhető legyen.
A SENGA egy trihedrális sarokrekflektor-rendszer, ami egy passzív, 9 reflektorból álló hálózatot alkot, azaz a Sentinel-1 műholdról kibocsátott radarjelet szórja vissza a beeső jellel párhuzamosan – a fizikai optika szabályainak megfelelően – vissza a jelforrás, azaz a SAR szenzor felé. Ebből adódik, hogy egy műholdátvonulással – ami lehet leszálló (descending), vagy felszálló (ascending) irányú – csak egy műhold-felszín közötti (LOS) elmozdulás származtatható, a valós 3D-s elmozdulás megfigyeléséhez mindkét irány (ascending – descending) értelmezése szükséges. Meglátásunk, hogy a korábbi PECS projekt eredményei alapján, a tervezett nemzeti magassági hálózat modernizációjával együtt a SENGA is fejlesztendő.
Az InSAR-ral kapcsolatos igen jelentős kezdeményezések után mennyire van benne ez a technológia ma a Kozmikus Geodéziai Osztály szakmai munkájában a GNSS technológia mellett?
MB: Az eddigiekben bemutatott InSAR fejlesztések és implementációk ma is meghatározó elemei a KGO kutatási és fejlesztési tevékenységének, és a rövid, illetve hosszú távú stratégiában egyaránt kulcsszerepet játszanak. Csak néhány példát kiragadva, jelenleg zajlik a nemzetközi InSAR közösségben is – amelynek tagjai különböző országok, illetve különböző intézményi hátterű, az InSAR témakörben kutatás-fejlesztési és termelési feladatokat ellátó személyek, cégek és intézmények – újdonságnak számító transponder-technológia haza meghonosítása olasz és holland partnereinkkel együttműködésben, emellett a Sentinel-1 jelfeldolgozási rendszer folyamatainak fejlesztésén dolgozunk.
Gyakorlati szempontból hogyan néz ki egy ilyen feldolgozási folyamat?
MB: A műholdradar-interferometriának több ágát különböztethetjük meg. A legegyszerűbb, a differenciális műholdradar-interferometria (DnSAR) alapvetően két vagy több, különböző időben és/vagy különböző műholdpályáról felvételezett radarkép közötti relatív fáziskülönbség vizsgálatán alapul, ahol a referenciaképet master-nek, míg a vizsgált felvételeket slave-nek hívják. A következőkben a november 26-án hajnalban bekövetkezett tragikus Durazzo-Mamurras-i földrengésről készített analízis előzetes, átnézeti eredményei alapján mutatnám be az InSAR technológiát. Esetünkben egy-egy leszálló SAR felvételt használtunk, 2019. 11. 19. és 2019. 12. 01. időbélyegekkel.
A feldolgozás során az alapvető képfeldolgozási eljárások és kalibrálások után a komplex radarfelvételeket a saját koordinátarendszerükből áttranszformálják földrajzi koorinátarendszerbe, azaz geokódolják. Ez látható az első képen, ahol a bal oldalon a master felvétel intenzitásképét láthatjuk, középen a radar-koordinátarendszerben ábrázolt hamisszínes magasságmodellt, végül jobb oldalon a digitális magasságmodell alapján geokódolt, már földrajzi koordinátarendszerben megjelenített intenzitásképet figyelhetjük meg, a szűkebb vizsgálati területtel egyetemben, ami itt Albánia Adriai-tenger melletti területeit jelenti.
Hogyan haladunk ezután tovább?
MB: Ezt követi az egyik legkritikusabb lépés, az úgynevezett koregisztrálás, amelynek során a master-slave felvételpárost szubpixeli szinten, jelen esetben 1/10000 pixel pontossággal feleltetik meg egymásnak, így érve el azt a fázis koherenciát és zajcsökkentést, ami lehetővé teszi az interferenciákat ábrázoló úgynevezett interferogram előállítását. A következő képen láthatjuk a koregisztrálást követő eredményeket.
A radarkép egyes pontjainak fázisát a valóságtól eltérítő hatások számbavételét és korrekcióját, valamint az fáziskicsomagolást (phase unwrapping) követően az interferogramból levezethető a műhold-felszín közötti úgynevezett LOS (Line of sight) változás értéke, több felvétel esetén ezen változások idősora. A fel- és leszálló műholdpályákhoz tartozó LOS elmozdulásokból pedig meghatározható a valós, 3D-s földfelszíndeformáció mértéke és sebessége. Az InSAR koherencia pedig a további vizsgálatokhoz nyújt támpontot az alapján, hogy az adott pixelpár mennyire mutat időben koherens viselkedést.
Milyen következtetések vonhatók le mindebből?
MB: A LOS elmozdulástérkép alapján, az előzetes eredményekből levonható az a következtetés, hogy LOS irány rövidülés figyelhető meg Durazzo közelében, míg LOS irányú távolodó elmozdulás észlelhető a földrengés epicentrumától északkeletre levő hegyvidéki területeken. Az eredmények értelmezéséhez nyújthat segítséget az USGS általközzétett intenzitástérkép és shakemap térkép.
Itt jól látható, hogy az InSAR által észlelt LOS irányú elmozdulás területi eloszlása jelentős korrelációt mutat a magas intenzitású kontúrokkal, valamint a shakemappel. Természetesen a teljes feldolgozás és értelmezés ennél jóval komplexebb probléma, ami meghaladja a mostani beszélgetésünk kereteit. Pencen, a KGO-ban mindenkit szeretettel várunk, aki még további részleteket szeretne megtudni, vagy a helyszínen szeretne megismerkedni a munkánkkal.
