Η χρήση των δορυφορικών εικόνων έντασης SAR για την ανίχνευση των κατεστραμμένων οικοδομημένων περιοχών λόγω σεισμών (ΙΙ)
Από RemoteSensing Wiki
Η χρήση των δορυφορικών εικόνων έντασης SAR για την ανίχνευση των κατεστραμμένων οικοδομημένων περιοχών λόγω σεισμών (ΙΙ)
Masashi Matsuoka, α) M.EERI, και Fumio Yamazaki, β) M.EERI Earthquake Spectral, Vol.20, N. 3, pp 975 - 994, August 2004
ΟΙ ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ SAR
Το SAR, το οποίο είναι μια από τις ενεργές τεχνικές τηλεπισκόπησης, διαβιβάζει ένα σήμα μικροκυμάτων προς έναν στόχο και λαμβάνει την αντανάκλασή της (το εύρος και τη φάση) πίσω στον αισθητήρα ή την κεραία (Henderson και Lewis 1998). Κανονικά, το μήκος του κύματος είναι της τάξεως του 1 εκατ. σε 1 μ, που αντιστοιχεί σε ένα φάσμα συχνότητας περίπου 30 Ghz σε 300 MHZ. Ένα σύστημα SAR μπορεί να επιβιβαστεί και στις αερομεταφερόμενες και στις διαστημικές πλατφόρμες. Το SAR δημιουργεί σχετικά υψηλού εδάφους (εικονοκύτταρο) resolution (ψήφισμα) επειδή μιμείται μια μακριά κεραία συνδυάζοντας τα ηλεκτρικά σήματα που παραλαμβάνονται από τον αισθητήρα του καθώς κινείται κατά μήκος μιας ιδιαίτερης διαδρομής στον αέρα (πτήση).
Κάθε εικονοκύτταρο σε μια εικόνα εύρους (ένταση) αντιπροσωπεύει τη δύναμη ανάδρομης διάξυσης ραντάρ για εκείνη την περιοχή στο έδαφος. ``Ο συντελεστής ανάδρομης διάξυσης»» εξαρτάται από την τραχύτητα της επιφάνειας, το επίπεδο υγρασίας της περιοχής, και τη συναφή γωνία ενός μικροκύματος και του μήκους κύματός του. Σύμφωνα με τις προηγούμενες μελέτες μας για την αξιολόγηση της οπισθοδιασποράς στο σεισμό Kobe του 1995 (Aoki και λοιποί. το 1998, Matsuoka και Yamazaki 2000b), οι προκαλούμενες από τον άνθρωπο δομές παρουσιάζουν συγκριτικά υψηλή αντανάκλαση λόγω των πολλαπλάσιων αντανακλάσεων, αποκαλούμενων «`η βασική επίδραση»» ή «ανακλαστήρας γωνιών »» μεταξύ των δομών και του εδάφους.
Οι ανοιχτοί χώροι ή τα κατεστραμμένα κτήρια έχουν συγκριτικά χαμηλό συντελεστή ανάκλασης επειδή τα μικροκύματα είναι διεσπαρμένα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Ένα σχηματικό διάγραμμα των αντικειμένων επιφάνειας και οι ιδιότητες ανάδρομης διάξυσής τους παρουσιάζονται στο σχήμα 1. Τα κτήρια μπορούν να μετατραπούν σε συντρίμμια από έναν σεισμό, και σε μερικές περιπτώσεις, τα συντρίμμια των κτηρίων μπορούν να αφαιρεθούν, αφήνοντας το έδαφος εκτεθειμένο. Κατά συνέπεια ο συντελεστής ανάδρομης διάξυσης που καθορίζεται μετά από τη ζημία είναι πιθανό να μειωθεί, έναντι αυτού που λαμβάνεται πριν από το γεγονός. Για να συγκρίνουμε δύο στοιχεία αποκτήσεων, απαιτείται μια διαδικασία αντιστοίχησης των εικόνων με υψηλή ακρίβεια. Στην περίπτωση χρησιμοποίησης των αερομεταφερόμενων αισθητήρων, μια μικρή διαφορά σε δύο τροχιές αεροπλάνων προκαλεί δυσκολία στην αντιστοίχηση σε pixel (εικονοκύτταρο) με pixel (εικονοκυττάρου) λόγω της υψηλής χωρικής ανάλυσης. Εντούτοις, η αντιστοίχηση των εικόνων των δορυφορικών εικόνων SAR δεν δημιουργεί ένα σημαντικό πρόβλημα όταν χρησιμοποιούμε τις εικόνες που λαμβάνονται από ένα ίδιο δορυφορικό σύστημα.
Στο επόμενο μέρος, αξιολογούμε ποσοτικά τα χαρακτηριστικά ανάδρομης διάξυσης των περιοχών με τη ζημιά στις οικοδομές λόγω του σεισμού Kobe όπως τα λεπτομερή αποτελέσματα ερευνών ζημίας αυτού του γεγονότος αποθηκεύονται στο GIS.
ΣΥΝΟΛΟ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
ΔΕΔΟΜΕΝΑ SAR ΚΑΙ ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙΚΟΝΑΣ
Αρκετοί δορυφόροι παρατήρησαν την περιοχή Kobe πριν και μετά από το σεισμό Kobe (Sudo και λοιποί. 1995), που συνέβη στις 17 Ιανουαρίου 1995. Χρησιμοποιήσαμε τις ευρωπαϊκές δορυφορικές εικόνες τηλεπισκόπησης (ERS) που αποκτήθηκαν στις 23 Μαΐου 1995, την 1η Αυγούστου 1995, 27 Φεβρουαρίου 1996, 2 Απριλίου 1996, και 10 Σεπτεμβρίου 1997 ως τα στοιχεία μετα του γεγονότος και εκείνα που λήφθηκαν στις 12 Οκτωβρίου 1994, στις 3 Ιουνίου 1994, 8 Αυγούστου 1993 και 1 Νοεμβρίου 1992 ως στοιχεία πριν του γεγονότος, αντίστοιχα. Η κάλυψη των δορυφορικών εικόνων παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Με βάση αυτό το time-series σύνολο στοιχείων, εξετάσαμε και ελέγξαμε την αλλαγή στα χαρακτηριστικά ανάδρομης διάξυσης κατεστραμμένων και μη περιοχών. Η εικόνα που παρουσιάστηκε στο σχήμα 3 λήφθηκε κατά την πιό κοντινή ημερομηνία μετά από το σεισμό (δηλ., τέσσερις μήνες μετά από το γεγονός). Από το Δεκέμβριο του 1993 έως τον Μάρτιο του 1995, η τροχιά του δορυφόρου ERS άλλαξε και η περιοδική παρατήρηση έγινε αδύνατη. Η πρώτη εικόνα που παρατηρεί την κατεστραμμένη περιοχή λήφθηκε τέσσερις μήνες μετά από το σεισμό (Massonnet και λοιποί. 1996). Όταν ο δορυφόρος ERS έλαβε την τελευταία εικόνα προ-γεγονότος, επομένως, ήταν κατά τη διάρκεια της αλλαγής τροχιάς, δηλ., η τροχιά ήταν απολύτως διαφορετική από αυτή μετα του σεισμού.
Από την οπτική επιθεώρησή μας που χρησιμοποιεί τις αεροφωτογραφίες που λήφθηκαν τον Μαΐο του 1995, μερικά από τα σοβαρά κατεστραμμένα κτήρια είχαν ήδη κατεδαφιστεί και οι ανοιχτοί χώροι είχαν εκτεθεί σε αυτήν την περίοδο. Λόγω της παρερχόμενης περιόδου, μια άμεση σύγκριση μεταξύ των εικόνων SAR και τα στοιχεία στον τομέα έρευνας μπορούν να είναι ανακριβή, αλλά υποθέτουμε ότι η βασική αξιολόγηση είναι ακόμα δυνατή στη δυνατότητα των δορυφορικών εικόνων SAR να ανιχνεύσουν τις αλλαγές στη γήινη επιφάνεια των αστικών περιοχών.
Τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά των συστημάτων ERS/SAR παρατίθενται στον πίνακα 1.
Ένα εικονοκύτταρο είναι ισοδύναμο με μια επίγεια απόσταση 30 μ, και ο ψηφιακός αριθμός του μετατράπηκε σε μια δύναμη της φωτεινότητας του ραντάρ. Όλες οι εικόνες έντασης αντιστοιχήθηκαν με τα στοιχεία από τις 23 Μαΐου 1995. με τη μέθοδο της πιο κοντινής γειτονιάς, χρησιμοποιώντας διάφορα σημεία δεσμών που λήφθηκαν από τη βέλτιστη επιλογή ζευγαριού εικονοκυττάρου, ερευνώντας pixel με pixel, στη θέση που παράγει τον υψηλότερο συσχετισμό για την περιοχή του παραθύρου εικονοκυττάρου 7*7 μεταξύ των δύο εικόνων έντασης, δηλ., ταιριάζοντας με τεχνική προτύπων. Ο συσχετισμός και η διαφορά στο συντελεστή ανάδρομης διάξυσης των δύο αποκτήσεων χρησιμοποιήθηκαν ως δείκτες που αντιπροσωπεύουν τις αλλαγές στις επηρεασθείσες περιοχές. Ο συντελεστής συσχετισμού, ρ, μεταξύ δύο εικόνων έντασης, α και β, υπολογίστηκε μέσα σε ένα μικρό αντίστοιχο παράθυρο ως εξής:
όπου το ι είναι ο αριθμός δείγμα, τα Iai και Ibi είναι οι ψηφιακοί αριθμοί των δύο εικόνων, και το Ν είναι ο συνολικός αριθμός (pixels) εικονοκυττάρων μέσα σε ένα μικρό παράθυρο. Δημιουργήσαμε τις εικόνες συσχετισμού για τον υπολογισμό του μεγέθος του pixel, το οποίο αλλάζει από 3*3 - σε ένα παράθυρο εικονοστοιχείου 51*51. Η σειρά του συντελεστή συσχετισμού, ρ, είναι μεταξύ -1.0 και 1.0. Εάν υπάρχει οποιαδήποτε μεγάλη χωρική διαφορά μεταξύ των εικόνων δύο αποκτήσεων μέσα σε ένα τοπικό παράθυρο, ο συντελεστής συσχετισμού του κεντρικού εικονοστοιχείου κερδίζει μια μικρή αξία. Αντίθετα, εάν μια περιοχή δεν έχει εντελώς καμία αλλαγή μέσα σε ένα τοπικό παράθυρο, ο συντελεστής συσχετισμού πρέπει να είναι 1.0. Η διαφορά στο συντελεστή ανάδρομης διάξυσης, δ, για το ζευγάρι υπολογίστηκε με τον υπολογισμό μέσου όρου μέσα σε ένα μικρό αντίστοιχο παράθυρο, κατά τρόπο παρόμοιο με αυτόν του υπολογισμού συσχετισμού, ο οποίος παρουσιάζεται στην εξίσωση 2:
όπου το ι είναι ο αριθμός δείγμα, και I¯ai και I¯bi είναι οι αντίστοιχοι υπολογισμένοι κατά μέσο όρο ψηφιακοί αριθμοί πέρα από τα περίχωρα του εικονοκυττάρου ι μέσα σε ένα μικρό παράθυρο. Κατόπιν παρήχθησαν οι εικόνες της διαφοράς έντασης. Όλες οι εκτελεσμένες εικόνες ήταν καταχωρημένες χρησιμοποιώντας τη γεωμετρική διόρθωση που επιστρώνει με ζημιά τα στοιχεία ερευνών ζημίας όπως περιγράφονται σε ένα πιό πρόσφατο τμήμα.
Πρέπει να υπογραμμιστεί ότι κάτω από υπό τον όρο όπου οι πληροφορίες φάσης μπορούν να χρησιμοποιηθούν, χωρικά κομμάτια της σχετικά γήινου φλοιού μετακίνησης (Massonnet και λοιποί. 1993, Ozawa και λοιποί. 1997) είναι δυνατά με τη βοήθεια της interferometric επεξεργασίας. Οι περιοχές που περιέχουν λίγα κατεστραμμένα κτήρια μπορούν επίσης να ανιχνευθούν από τους δείκτες (συνοχή) που αντιπροσωπεύουν το βαθμό συσχετισμού των πληροφοριών φάσης (Matsuoka και Yamazaki 2000a, Ito και λοιποί. 2000, Yonezawa και Takeuchi 2001). Ο όρος είναι σε αυτήν την περίπτωση η απόσταση δύο δορυφόρων και το χρονικό διάστημα δύο παρατηρήσεων. Όταν ο κάθετος χωρισμός των δύο δορυφόρων (η βασική γραμμή), σημείο ζέσεως, που παρουσιάζεται στο σχήμα 1 είναι μακροχρόνιος, η συνοχή μιας εικόνας συνολικά μειώνεται, και οι χαμηλές περιοχές συνοχής (κατεστραμμένες περιοχές) γίνονται δύσκολο να ανακαλυφθούν. Όταν το διάστημα παρατήρησης είναι πολύ μακροχρόνιο, όχι μόνο η διαφορά στόχων αλλά και η κοσμική αλλαγή ανιχνεύονται, και γίνεται δύσκολο να διακριθούν τα δύο.
Για το τελευταίο πρόβλημα, ένα πρότυπο που υπολογίζει το επίπεδο ζημίας προτάθηκε αξιολογώντας τη μείωση της συνοχής με το χρόνο, εισάγοντας μια αναλογία συνοχής (Ito και λοιποί. 2000). Σε αυτό το πρότυπο, εντούτοις, η μείωση της αναλογίας συνοχής S/N που προκαλείται από την απόσταση δύο δορυφόρων είναι αναπόφευκτη. Ο αρχικός όρος να προσδιορίζει κατεστραμμένες και μη περιοχές από τη συνοχή, επομένως, είναι ότι οι τροχιές δορυφόρων δύο ημερομηνιών απόκτησης είναι στενές (Matsuoka andYamazaki 2000b, Yonezawa και Takeuchi 2001). Ικανονποιώντας αυτούς τους όρους, σε περίπτωση σεισμού όπως του hyogoken-Nanbu του 1995, είμαστε τυχεροί ότι το JERS (ιαπωνικός δορυφόρος των γήινων πόρων) παρατήρησε την επηρεασθείσα περιοχή είκοσι ημέρες μετά από το σεισμό (Ozawa και λοιποί. 1997), ενώ οι εικόνες ERS λήφθηκαν σχεδόν ένα έτος μετά από το σεισμό, λόγω της αλλαγής στο συγχρονισμό της τροχιάς των δορυφόρων.
Για το σεισμό Northridge του 1994, εικόνες κατάλληλες για τη μελέτη ιντερφερομετρίας λήφθηκαν από το JERS μισό χρόνο αργότερα (Massonnet και λοιποί. 1996, Murakami και λοιποί. 1996), και από το ERS ένα χρόνο και τρεις μήνες μετά από το σεισμό (Massonnet και λοιποί. 1996). Προς το παρόν, οι ευκαιρίες παρατήρησης των οποίων οι συνοχές είναι διαθέσιμες είναι μάλλον περιορισμένες. Εντούτοις, υπογραμμίζεται ότι οι δορυφόροι για να προωθηθούν στο μέλλον είναι ικανοί για υπερβολικά ακριβή έλεγχο τροχιάς, και οι εικόνες κατάλληλες για παρέμβαση θα αυξηθούν σημαντικά. Από την άλλη πλευρά, ως προς το συσχετισμό έντασης, η παραλλαγή των σχεδίων σύστασης είναι ισοδύναμη με τη συνοχή (Zebker και Villasenor 1992). Αποδεικνύεται ότι η επιρροή της απόστασης μεταξύ δύο δορυφόρων είναι μάλλον μικρή σε περίπτωση συσχετισμού έντασης στις αστικοποιημένες περιοχές από το γεγονός παρατήρησης (Yonezawa και Takeuchi 2001). Το θεωρούμε μια ουσιαστική προϋπόθεση για να χρησιμοποιήσουμε τους δείκτες που είναι ανεξάρτητοι από τους όρους παρατήρησης, προκειμένου να τεθεί η τεχνολογία τηλεπισκόπησης στην πρακτική χρήση στο να πιάνει τη ζημιά κατά την διάρκεια των φυσικών καταστροφών ή της έκτακτης ανάγκης. Επομένως, χρησιμοποιούμε μόνο τις πληροφορίες έντασης σε αυτήν την μελέτη.
