Χρήση των δορυφόρων SAR για την ανίχνευση ζημιών από σεισμούς

Από RemoteSensing Wiki

Χρήση των δορυφόρων SAR για την ανίχνευση ζημιών από σεισμούς

Masashi Matsuoka and Fumio Yamazaki Proc. of 6th International Conference on Seismic Zonation, EERI, 2000

Ο δορυφόρος Sar θεωρείται απο τις πιο σημαντικές τεχνολογίες τηλεπισκόπησης καθώς δεν επηρεάζεται από σύννεφα και φώτα. Η συμβολομετρική ανάλυση χρησιμοποιώντας πληροφορίες φάσεις από το σκανάρισμα από τα αντικείμενα της γης. Η ανάλυση αυτή χρησιμοποιείται επιτυχώς για να δείξει ποσοτικά τις μεταμορφώσεις στο εδαφος εξαιτίας φυσικών καταστροφών. Επίσης χρησιμοποιείται, είναι μια καλή και ευαίσθητη παράμετρος, για την ανίχνευση επιφανειακών αλλαγών και κατηγοροποιηση χρησεων γης. Στην εργασία αυτή θα ερευνήσουμε τα χαρακτηριστικά της σαρωσης με μικροκύματα των περιοχών που καταστράφηκαν το 99 των περιοχών στο Φοτσαλει της Τουρκίας από το σεισμό, χρησιμοποιώντας το δορυφόρο σαρ. Από τις διαφορές στην ένταση και στην συνοχή των σαρώσεων (backscater) εικόνων από την ανάλυση σαρ που πάρθηκαν σε διαφορετικές φάσεις βρέθηκε ότι υπήρξαν σημαντικές αλλαγές σε πολύ κατεστραμένες περιοχές σε σχέση με λιγότερο κατεστραμμενες περιοχές. Η σχέση μεταξύ κτιριακών καταστροφών και η διαφορά των εικόνων πριν και μετά το γεγονός έδειξε ότι σχετίζεται με το επίπεδο της καταστροφής. Αυτή η τάση στις χτυπημένες περιοχές υπήρξε λόγω του γεγονότος ότι η συσχέτιση συνοχής και έντασης των δύο εικόνων είναι μικρή. Ο βαθμός συσχέτισης αποδείχθηκε ένας καλός δείκτης για να ξεχωρίζουν μικρά έως μεσαία επίπεδα ζημιών.

Εισαγωγή

Η τηλεπισκόπηση που μπορεί να καταγράφει μία μεγάλη περιοχή, μπορεί να είναι σημαντική πληροφορία για τον καθορισμό της κατανομής των ζημιών στο χώρο σε περιπτώσεις σχεδιασμού της ανοικοδόμησης και ενέργειας διάσωσης των κτιρίων. Οι παρατηρήσεις μέσω σαρ γίνονται και ημέρα και νύχτα χωρίς να επηρέαζονται από τις καιρίκές συνθήκες. Το χαρακτηριστικό αυτό μπορεί να είναι χχρήσιμο για την εκτίμηση των ζημιών μετά την καταστροφή ειδικά όταν η οπτική τηλεπ ή επι τόπου έρευνα για μεγάλες περιοχές δεν είναι δυνατή. Αρκετοι ερευνητές ανέφεραν την ερμηνεία, περιγραφή τις κατανομής των κτιριακών ζημιών με χρήση πληροφοριών από σαρ και με πληροφορίες φάσης. Χρησιμοποιώντας την Προσέγγιση φάσης, που έχει μεγαλύτερη ευαισθησία, είναι πιο επιτυχής η καταγραφή των καταστροφών στο φλοιο εξαιτίας σεισμών απότι με την προσέγγιση έντασης. Σε ατυτή την εργασία τα χαρακτηριστικά απεικόνισης των κατεστραμενων περιοχών λόγω του σεισμού του 99 ερευνήθηκαν χρησιμοποιώντας δεδομένα ERS/SAR και αποτελέσματα επιτόπιας ερευνας. Μετά προσπάθησαμε να εξαγουμε κατανομή των κτιριακών ζημιών με μία τεχνική πολλαπλών επιπέδων χρησιμοποιώντας εικόνες σαρ πριν και μετά το γεγονός.

Απεικόνιση με μικροκύματα κτιριακών ζημιών

Συμφωνα με παλαιότερες έρευνες τα οικοδομήματα δείχνουν μεγάλη αντανάκλαση εξαιτίας των κατοπτρικών χαρακτηριστικών των κατασκευών και του εδάφους. Οι ανοιχτές περιοχές ή τα κατεστραμμένα κτίρια έχον σχετικά μικρή αντανάκλαση επιδή τα μικροκύματα διαχέονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Βλ σχήμα(Σχηματικό διαγραμμα για την ανίχνευση κτιριακών καταστροφών με τη χρήση επαναλαμβανόμενων παρατηρήσεων με ρανταρ). Τα κτίρια μποτούν να γίνουν συντρίμμια και σε μερικές περιπτώσεις τα συντρίμια μπορουν να καθαριστούν αφήνοντας το έδαφος εκτεθειμένο. Έτσι η ένταση μετα από έναν καταστροφικό σεισμό μπορεί να είναι χαμηλή σε σχέση με την ένταση πριν. Η σύνθετη συνοχή που προέρχεται από την ιντερφ ανάλυση είναι επίση κατάλληλη και ευαίστητα παράμετρος για την έρευση των επιφανειακών αλλαγών. Επιδή τα κατεστραμμένα κτίρια έχουν επιρροή στη φάση, ο βαθμός συνοχής των εικόνων πριν και μετά γίνεται μικρός.

Fig. 1: Σχηματικό διάγραμμα για την ανίχνευση ζημιών στα κτίρια, με τη χρήση πολλαπλών παρατηρήσεων ραντάρ

Στις 17 Αυγούστου 1999 ένας σεισμός μεγέθους 7.4 χτύπησε την βορειοδυτική περιοχή της Τουρκίας όπως φαίνεται στο σχ. 2 και προκάλεσε μεγάλες καταστροφές στις κατασκευές και πάνω από 14.000 θανάτους. Ο συνολικός αριθμός πλήρως κατεστραμμένων και μερικώς κατεστραμμένων κτιρίων είναι περίπου 66.000 και 67.000 αντίστοιχα. Σχεδόν 67.000 σπίτια κατηγοριοποιήθηκαν ως ελαφρώς κατεστραμμένα. Μία λεπτομερής και συστηματική επιτόπια έρευνα στις κτιριακές ζημιές έγινε από μια ιαπωνική ομάδα στο Γκολτσούκ και στο Ντερκιμεντερεμ. Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα της έρευνας υπολογίσθηκε η αναλογία καταστροφής των κτιρίων σε επίπεδο οικοδομικών τετραγώνων. Ο λόγος κατάρρευσης των κτιρίων υπολογίσθηκε για κάθε τετράγωνο στο Γκολτσούκ, ορίσθηκε ως ο λόγος ανάμεσα στον αριθμό των κατεστραμμένων κτιρίων και τον συνολικό αριθμότων κτιρίων σε κάθε τετράγωνο. Η σειρά καταστροφής χωρίστηκε σε 5 κατηγορίες ως Α, Β, Γ, Δ και Ε και αντιστοιχούν στο λόγο κατάρρευσης από 0-6.25, 6,25-12.5, 12,5-25, 25-50, και 50-100% αντίστοιχα.

Fig. 2: Η βορειοδυτική περιοχή της Τουρκίας

ERS/SAR εικόνες και επεξεργασία

Μια σειρά παρατηρήσεων με ραντάρ συμπεριλαμβανομένων διαδοχικών πτησεων χρησιμοποιώντας ERS-1 και ERS-2 διενεργήθηκε πάνω από την περιοχή πριν και μετά το σεισμό. Το ζεύγος εικόνων το οποιο απότελείται απο 13 Αυγούστου και 17 Σεπτεμβριου 99 με 34 μέρες διαφορά και 80 μέτρα απόσταση από το έδαφος και το ζεύγος εικόνων που αποτελείται από τις 12 και 13 Αυγούστου 1999 με μία μέρα διαφορά και 240 μέτρα απόσταση χρησιμοποιήθηκαν για να ερευνηθεί η διαφορά στην απεικονισμένη περιοχή των καταστροφών. Όλες οι εικόνες καταχωρηθηκαν στα δεδομένα 13/08/99 από την πιο κοντικνή μέθοδο χρησιμοποιώντας τα κομβικά σημεία που προέρχονται από την βέλτιστη προσδιορισμό των ζευγων των ψηφιδων , ψάχνωντας ψηφίδα ψηφίδα στη θέση που αποφέρειτην υψηλότερη συσχέτιση μεταξύ των δύο εικόνων.

Fig. 3: Πολλαπλές απεικονίσεις πλάτους του Gulcuk, Σεπτέμβριος 1999

Το σχήμα 3 δείχνει μια ψευδοεικόνα πολλαπλών απεικονίσεων πλάτους που δημιουγήθηκε υπολογίζοντας κατά μέσο όρο 5 αζιμουθια και ένα εύρος ψηφίδων. Η τιμή διαφοράς πλάτους υπολογίστηκε για κέθε ζεύγος και μετά παραχθηκσαν οι εικονές διαφοράς έντασης. Ο συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των δύο εικόνων μονής απεικόνησης πλάτους υπολογίστηκε μέσα σε ένα μικρό παράθυρο με ψηφίδες μεγέθους 15 για το ζιμούθιο και 3 για την κατέυθυνση φάσματος. Ακολουθώντας αυτή τη διαδικάσία δημιουργήσαμε τις εικόνες συσχέτισης που έχουν το ίδιο μέγεθος όπως περιγράφηκε χρησιμοποιώντας το χωρικό μέσο όρο. Ο βαθμός συσχέτισης ο οποίος δείχνει τη συσχέτιση μεταξύ δύο εικόνων σαρ υπολογίζοντας την φάση της διασποράς της επιστροφής ηχούς απεικονισης. Χρησιμοποιήθηκε επίσης ως δείκτης για τις αλλαγές στην πληγείσα περιοχή. Τα μεγέθη του παραθύρου για τον υολογισμό της συσχέτιση και ο μο ήταν τα ίδια, όπως για τον υπολογισμό της συσχετισης της έντασης.

Τα χαρακτηριστικά της αντανάκλασης στις κατεστραμμένες περιοχής.

Οι ψηφίδες που αντιστοιχούν στην περιοχή κάθε βαθμού καταστροφής συλλέχθηκαν από τις εικόνες SAR για να εξεταστούν τα χαρακτηριστικα της διαφοράς έντασης, της συσχέτισης έντασης και του βαθμού της σύνθετης συνοχής στις κατεστραμμένες περιοχές. Ο βαθμός των συλλεχθέντων ψηφίδων ήταν περιπου 1800,840,720,1000 και 80 για τους βαθμούς καταστροφης αβγδε αντίστοιχα. Τα χαρακτηριστικά της μέσης τιμής και της τυπικής απόκλισης της διαφοράς έντασης σε κάθε βαθμό καταστροφής για τα δύο ζεύγη φαίνεται στο σχεδιο 4. Αν και υπάρχει ένας διασκορπισμός στη διαφορά έντασης για κάθε βαθμό καταστροφής. Η μέση τιμή σε κάθε βαθμίδα μειώνεται καθω΄ς ο βαθμός καταστροφής αυξάνεται για το ζεύγοα 13/8-17/9. Αυτή τη τάση είναι αξιοσημείωτη στις αναλογίες σοβαρών ζημιών (δ και ε). Στο ζεύγος εικόνων 12/8 και 13 πριν το σεισμό, αυτή η τάση δεν μπορεί να παρατηρηθεί, επειδή δεν επηρεάζονται από την καταστροφή εξαιτίας του σεισμού. Η ίδια συμπεριφορά στην περίπτωση της συσχέτισης ετνασης σύνθετης συνοχής φαίνεται στο σχημα5 και 6 αντίστοιχα. Καθώς το επίπεδο ζημιών αυξάνεται η σευσχέτιση έντασης μει΄νωςται σταδιακά για το ζεύγος 13 και 17/9, το οποίο συμφωνει με τα επίπεδα της μελέτης ΚΟΜΠΕ. ΄Οπως φαίνεται στο σχήμα 6 οι βαθμοί συσχέτισης στην ελαφρώς κατεστραμμ΄νεη περιοχη Α είναι σχετικά υψηλή σε σύγκριση με αυτούς της μεσαίας καταστροφής ( β και γ)βαριας καταστροφής (δ και ε) για το ζεύγος 13/8 και 17/9. Αν και η τυπική απόκλιση είναι μεγάλη. για το ζεύγος 12/8 και 13/8 πριν το σεισμό η συσχέτιση της έντασης αντανάκλασης και του επιεπδου καταστροφής δεν υπάρχει. Μία παρόμοια τάση για τα δύο ζεύγη παρατηρείται στην σύνθετη συσχέτιση του σχήματος 6.

Fig. 4,5: Διαφορά της μέσης τιμής και της τυπικής απόκλισης της διαφοράς έντασης σε κάθε βαθμό καταστροφής

Fig. 6: Βαθμός συσχέτισης μεταξύ δύο χρονικών σταθερών για διαφορετικούς βαθμούς καταστροφής

Fig. 7: Διαδικασία για την εκτίμηση της ζημιάς

Εκτίμηση της κατανομής των καταστροφών

Σύμφωνα με τα παραπάνω αποτελέσματα παρατηρείται ότι η διαφορά έντασης μπορέι να δείξει μεγάλες αλλαγές στην επιφάνεια και ότι η συσχέτιση έντασης είναι ευαίσθητη σε έσνα μεγάλο εύρος αλλαγών στην επιφάνεια της γης ενώ ο βαθμός της συσχέτισης είναι ευαίσθητος μόνο σε μικρές αλλαγές της επιφάνειας. Μία απλή διαδικασία που φαίνεται στο σχήμα 7 μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξάγουμε της περιοχές καταστροφής βασισμένοι στη μέθοδο πολλαπλών επίπέδων.Ορίσαμε και αναθέσαμε τις οριακές τιμές Cht (η τιμή είναι 0.35), Dft (-2.0) kaai Crt (0.2) στην συσχέτιση, τη διαφορά πλάτους και τις εικόνες συσχέτισης. Πρώτα τα ψηφία των οποίων οι τιμές συσχέτισης είναι μικ΄ροτερα από το cht αντιστοιχούν ως μή κατεστραμμένα. Τα ψηφία των οποίων οι τιμές συσχέτισης είναι μεγαλύτερη ή ίση με το Cht μεταφέροντας το επόμενο βήμα της διαδικασίας διαχωρισμού. Έπειτα ελαφρώς κατεστραμμένες περιοχές εξάγονται χρησιμοποιώντας το Dftστην εικονα διαφοράς. Τα ψηφία των οποίων οι τιμές συσχέτισης έιναι μικρότερες απο το crt αντιστοιχούν σε βαριά κατεστραμμένη περιοχή. Τα υπόοιπα ψηφία αντιστοιχούν σε μέτρια κατεστραμμένα. Το αποτέλεσμα φαίνεται στο σχημά8. Στην περιοχή Γκολτσούκ η κατανομή των καταστροφών από τις εικονες σαρ αντιστοιχεί σχεδόν με τα αποτελεσματα της επιτόπιας έρευνας. Ωστόσο καθώς τα αποτελέσματα αυτά παρήχθησαν από τα ζεύγη με μικρές αποστάσεις από το έδαφος και χρησμιοποιώντας μικρκύματα C-band, μία επιπλέον μελέτη βασισμένη σε εικόνες σαρ και δορυφόρους είναι απαραίτητη για ένα γενικό συμπέρασμα στην κατανόηση της κατανομής καταστροφών από το διάστημα.

Fig. 8: Εκτιμώμενη κατανομή των ζημιών

Συμπεράσματα

Αυτή η εργασία παρουσίασε μία ποσοτική εκτίμηση των χαρακτηριστικών αντανάκλασης των εικόνων σαρ όπως η διαφορά των εντάσεων, τη συσχέτιση της έντασης και τη σύνθετη συνοχή μεταξύ διαφορετικών ευρημάτων από τις περιοχές που χτύπησε ο σεισμός το 1999. ERA/SAR εικόνεςπου λήφθησαν πριν και μετά το γεγονός και τα αποτελέσματα από την επιτόπια έρευνα χρησμιποιήηκαν για να εξετάσουν την πιθανότητα σύλληψης της κατανομής των ζημιών. Η αναλογία των κτιριακών καταστροφών για τα οικοδομικά τετράγωνα από την επιτόπια έρευνα, τα ευρήματα αντανάκλασης από τις εικόνες σαρ συγκρίθηκαν. Στις περιοχές με μεγάλη καταστροφή, η ένταση της αντανάκλασης και η συσχέτιση της έντασης μεταξύ των εικόνων πριν και μετά το γεγονός βρέθηκαν να είναι χαμηλλές. Ο βαθμός της σύνθετης συνοχής υπήρξε χρήσιμος στην κατηγοριοποίηση των επιπέδων μικρών καταστροφών. Η κατανοή καταστροφών από εικόνες σαρ σχεδόν αντιστοιχεί στα αποτελέσματα της επιτόπιας έρευνας, παρά τα αποτελέσματα αυτή σε σχέση μετα χαρακτηριστική τν εικόνων σαρ υπάρχει ένας μεγάλος βαθμός τυχαιότητας στα ευρήματα αντανάκλασης για κάθε κατηγορία ζημιών. Συστήνεται επιπλέον μελέτη μέχρι να πραγματοποιηθεί μια γενική δήλωση για την έρευνα ζημιών από σεισμούς στις αστικές περιοχές χρησιμοποιώντας δορυφόρο SAR.