Χωροχρονική εξέλιξη παραμόρφωσης του ρήγματος Ρίου – Πάτρας μέσω interferometry radar συνθετικού ανοίγματος μεταξύ 1993 - 2017

Από RemoteSensing Wiki

Πρωτότυπος τίτλος: Spatio-temporal evolution of the deformation around the Rio-Patras fault (Greece) observed by synthetic aperture radar interferometry from 1993 to 2017

Συγγραφείς: Alexandros Papadopoulos, Issaak Parcharidis, Panagiotis Elias, Pierre Briole

Πηγή: International journal of remote sensing 2019, vol. 40, no. 16, 6365–6382 [1]

Αντικείμενο

Ο κύριος στόχος της παρούσας εργασίας είναι η εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου κοντά στην πόλη της Πάτρας και για αυτό τον λόγο έγινε ανάλυση της παραμόρφωσης εδάφους δια μέσου δύο οικοδομικών τετραγώνων που ορίζονται από το ρήγμα μεταξύ Ρίου και Πάτρας στο χρονικό διάστημα 1993 και 2017, με την χρήση πολύ-χρονικών τεχνικών radar interferometry συνθετικού ανοίγματος ( InSAR ). Χρησιμοποιήθηκαν πολλές βάσεις δεδομένων, όπου η κάθε μια κάλυπτε διαφορετικές χρονικές περιόδους, φθίνοντα και αύξοντα αποκτήματα που παρέχουν διαφορετικές γεωμετρικές προβολές συνεισφέρουν για τον πλήρη καθορισμό της εδαφικής μετατόπισης σε 3D.

Εικόνα 1. Η περιοχή έρευνας σε εικόνα Sentinel-2A επιπέδου 1, προσβάσιμη από την ηλεκτρονική πύλη του USGS Earth Explorer, με τα ρήγματα να έχουν επανασχεδιαστεί

Μεθοδολογία

Οι τωρινές γεωλογικές και γεωφυσικές γνώσεις υποδεικνύουν τουλάχιστον δύο μεγάλες τεκτονικές δομές κοντά στην περιοχή της Πάτρας, ικανές να παράγουν σεισμούς πολύ μεγάλου μεγέθους ( άνω των 6 Ρίχτερ ): το ρήγμα του Ψαθοπύργου ( PF ) που βρίσκεται 10 χιλιόμετρα βορειανατολικά της Πάτρας και το ρήγμα του Ρίου – Πατρών ( RPF ) που βρίσκεται κάτω από την πόλη. Στην παρούσα εργασία, παράγονται και αναλύονται δείγματα μετρήσεων παρεμβολής κυμάτων της περιόδου 1993 – 2017 από δεδομένα που λήφθηκαν από 4 επιτυχημένες διαστημικές αποστολές που χρησιμοποίησαν ραντάρ συνθετικού ανοίγματος ( SAR ): European Remote Sensing ( ERS ), Environmental Satellite ( ENVISAT ), TerraSAR-X και SENTINEL-1. Οι στόχοι ήταν, αρχικά, να παραχθεί με συναφή προσέγγιση λογισμικού μια βάση δεδομένων από ταχύτητες line of sight ( LOS ) για τις 4 αποστολές και, δεύτερον, να αναλυθεί η χωρο-χρονική εξέλιξη των ταχυτήτων κατά την περίοδο δειγματοληψίας 1993 – 2017 και η αναζήτηση για τυχόν χρονικές αλλαγές.

Χρησιμοποιήθηκαν εικόνες SAR από 4 αποστολές: οι ESA C-Band αποστολές ERS, ENVISAT, SENTINEL και η DLR X-band αποστολή TerraSAR-X. Για την πρόσβαση στις εικόνες ERS και ENVISAT, χρησιμοποιήθηκε ο κατάλογος ESA από προϊόντα δεδομένων Earth Observation και την διαδραστική πλατφόρμα Earth Observation Link – Stand Alone (EOLiSA). Τα δεδομένα του Copernicus SENTINEL-1 ανακτήθηκαν από το Alaska Satellite Facility (ASF). Οι εικόνες TerraSAR-X προμηθεύτηκαν από το DLR, με χρήση του συστήματος EOWEB. Για τις 4 αποστολές, χρησιμοποιήθηκαν προϊόντα Single Look Complex επιπέδου 1 και Single Look Slant range Complex. Οι εικόνες 2 και 3 παρέχουν λεπτομέρειες για τα αποκτήματα που χρησιμοποιήθηκαν.

Εικόνα 2. Χαρακτηριστικά των εικόνων που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία

Εικόνα 3. Αποστολές δορυφόρων, διάρκεια ζωής και τύπος band. Τα κίτρινα κουτιά υποδεικνύουν την χρονική περίοδο των δεδομένων που αναλύθηκαν

Ακριβή διανύσματα σε κατάσταση τροχιάς αποκτήθηκαν για τον υπολογισμό για τις βασικές γραμμές μετρήσεων παρεμβολής κυμάτων των 2 παλαιότερων δορυφόρων. Για την παραγωγή των διαγραμμάτων παρεμβολής κυμάτων χρησιμοποιήθηκε μοντέλο ψηφιακής ανύψωσης ( DEM ) μεγέθους κελιού 5 x 5 μέτρων, παραγόμενο από το Ελληνικό Κτηματολόγιο με εναέρια φωτογραμμετρία. Το αυθεντικό DEM εκδόθηκε σε εγκάρσια προβολή Mercator Datum τύπου GGCS87. Για να είναι χρησιμοποιήσιμο από λογισμικό μετρήσεων παρεμβολής κυμάτων Gamma, μετατράπηκε σε προβολή Universal Transverse Mercator (UTM), ζώνης 34.

Με την χρήση μεγάλης ποσότητας εικόνων SAR από την ίδια περιοχή, η χρονική σειρά μεγάλων παραμορφώσεων μπορεί να αναλυθεί χρησιμοποιώντας τεχνικές διαφορικής πολυχρονικής SAR interferometry, που ξεπερνά αρκετούς περιορισμούς επαναληπτικής μέτρησης παρεμβολής κυμάτων. Αυτές οι συναφείς μέθοδοι εκμεταλλεύονται είτε μόνιμους συναφείς επίμονους διασκορπιστές ( PSs ) ή προσωρινούς συναφείς διαδεδομένους διασκορπιστές ( DSs ). Οι μέθοδοι PS που έχουν αναπτυχθεί περιέχουν το Persistent or Permanent Scatterer Interferometry ( PSI ). Το PSI παρέχει μια παραμετρική εκτίμηση της τοποθεσίας και ταχύτητας 3D κάθε PS, συνδέοντας το με δορυφόρο. Οι μέθοδοι DS περιλαμβάνουν αλγορίθμους όπως τον SBAS. Ένα αντικείμενο DS ανακλά μικρότερη ενέργεια ραντάρ σε σύγκριση με το PS και συνήθως καλύπτει αρκετά εικονοστοιχεία σε εικόνες SAR υψηλής ανάλυσης. Αυτά τα εικονοστοιχεία εκθέτουν παρόμοιες ιδιότητες διασκόρπισης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν μαζί για εκτίμηση παραμόρφωσης. Το SBAS εκτιμά την χρονική σειρά παραμορφώσεων ακόμα και σε αγροτικές περιοχές, όπου η πυκνότητα των PS είναι χαμηλή. Με την άφιξη των αισθητήρων SAR στους δορυφόρους, επετεύχθη καλύτερη επίδοση στην χωρική και χρονική ανάλυση, το οποίο δικαιολογεί την σημασία των δεδομένων SAR στις εφαρμογές διαστημικής γεωδαισίας. Για την πολυχρονική ανάλυση, χρησιμοποιήθηκαν προσεγγίσεις Singular Value Decomposition ( SVD ) και Interferometric PointTarget Analysis ( IPTA ). Η βασική θεωρία του IPTA είναι παρόμοια με του PSI, εφαρμόζεται σε δεδομένα πλήρης ανάλυσης και βασίζονται στην μέτρηση της παραμόρφωσης σε χωρικό πλέγμα σε υποψήφιους εύρους μόνιμου διασκορπιστή.

Όλα τα διαγράμματα παρεμβολής κυμάτων παρήχθησαν μέσω λογισμικού τηλεπισκόπησης GAMMA και μετεπεξεργάστηκαν μέσω του ArcGIS. Η μέση κάθετη γραμμή βάσης ανά βάση δεδομένων αναλυόμενη μέσω IPTA, όπως φαίνεται στην εικόνα 4, είναι α) -23.379 μέτρα για 24 ζεύγη, β) 12.683 μέτρα για 20 ζεύγη, γ) -25.208 μέτρα για 33 ζεύγη, δ) 53.347 μέτρα για 27 ζεύγη, ε) -26.617 μέτρα για 31 ζεύγη. Για την μέγιστη διαφορά αριθμού εικόνων μεταξύ περασμάτων των τριών, η εικόνα 5 απεικονίζει 132 ζεύγη μέσης κάθετης γραμμής βάσης 59.095 μέτρων για φθίνων και 81 ζεύγη μέσης κάθετης γραμμής βάσης 46.136 μέτρων για αύξων.

Εικόνα 4. Ημερομηνίες απόκτησης σε σχέση με τις γραμμές βάσης των διαγραμμάτων για το IPTA a) ERS φθίνων, b) ERS αύξων, c) Envisat φθίνων, d) Envisat αύξων, e) TerraSAR-X αύξων

Εικόνα 5. Ημερομηνίες απόκτησης σε σχέση με τις γραμμής βάσεις των διαγραμμάτων για το SVD a) Sentinel-1 φθίνων, b) Sentinel-1 αύξων

Αποτελέσματα

Τα αποτελέσματα απεικονίζονται σε χάρτες, με τον καθένα να περιέχει πληροφορίες περί του LOS του συγκεκριμένου δορυφόρου είτε σε αύξουσε είτε σε φθίνουσες τροχιές. Το σημείο αναφοράς είναι το ίδιο για όλες τις αναλυμένες βάσεις δεδομένων, ο μόνιμος σταθμός GNSS EUREF του Πανεπιστημίου Πατρών, ώστε να χρησιμοποιηθεί ύστερα σε μετρήσεις GNSS.

ERS φθίνοντα διαγράμματα ( 1993 – 2000 )

Το τετράγωνο στα βόρεια του ρήγματος Ρίου – Πατρών είναι ελαφρώς απομακρυσμένο από τον δορυφόρο και απρόσμενα βυθισμένο σε σχέση με το σημείο αναφοράς και φαίνεται να απομακρύνεται σταθερά προς τον βορρά. Περισσότερα σημεία φαίνονται σταθερά στο λιμάνι ( εικόνα 6 ).

Εικόνα 6. Αποτελέσματα IPTA για τη βάση δεδομένων φθίνοντος ERS

ERS αύξοντα διαγράμματα ( 1993 – 2000 )

Το συγκεκριμένο ρήγμα χωρίζει εμφανώς ένα σχετικό σταθερό νότιο τετράγωνο και ένα απομακρυσμένο στα βόρεια. Τα κτίρια πέριξ του λιμανιού λειτουργούν άψογα ως δαισκορπιστές και εκείνα κοντά στο ρήγμα και νοτίως του, μένουν σταθερά στα χρόνια παρακολούθησης τους ( εικόνα 7 ).

Εικόνα 7. Αποτελέσματα IPTA για τη βάση δεδομένων αύξοντος ERS

ENVISAT φθίνοντα διαγράμματα ( 2003 – 2010 )

Το ρήγμα Ρίου – Πατρών ευθυγραμμίζεται με τα όρια των τετραγώνων που κινούνται ανεξάρτητα, με ένα να ορίζεται από την ζώνη του ρήγματος μέχρι την βορειοδυτική ακτή. Το τετράγωνο βόρεια του ρήγματος απομακρύνεται από τον δορυφόρο, με μεγαλύτερη τάση κίνησης στο κέντρο του. Επιπροσθέτως, στο νοτιοδυτικό κομμάτι του βόρειου τετραγώνου, μια διαφορά στον βαθμό κίνησης υποδεικνύει την ύπαρξη πιθανού κάθετου ρήγματος στο RPF ( εικόνα 8 ).

Εικόνα 8. Αποτελέσματα IPTA για τη βάση δεδομένων φθίνοντος ENVISAT

ENVISAT αύξοντα διαγράμματα ( 2003 – 2010 )

Νοτίως του ρήγματος Ρίου – Πατρών, τα σημεία είναι πιο σταθερά ή βυθίζονται σε μικρότερο βαθμό από τα σημεία βορείως της ζώνης του ρήγματος. Περισσότερη κίνηση εμφανίζεται στο κεντρικό σημείο του βόρειου τετραγώνου ( εικόνα 9 ).

Εικόνα 9. Αποτελέσματα IPTA για τη βάση δεδομένων αύξοντος ENVISAT

TerraSAR-X αύξοντα διαγράμματα ( 2011 – 2012 )

Νοτίως του ρήγματος Ρίου – Πατρών, τα σημεία είναι σχετικά σταθερά ή απομακρύνονται προς τους δορυφόρους σε σχέση με το σημείο αναφοράς στο LOS. Βορείως του ρήγματος, τα σημεία απομακρύνονται και κατευθύνονται προς τους δορυφόρους, ωστόσο τα σημεία που απομακρύνονται ξεπερνούν αυτά που πλησιάζουν τους δορυφόρους ( εικόνα 10 ).

Εικόνα 10. Αποτελέσματα IPTA για τη βάση δεδομένων αύξοντος TerraSAR-X

Sentinel-1 φθίνοντα διαγράμματα ( 2015 – 2017 )

Η κίνηση του έδαφους έρχεται σε συμφωνία με την βιβλιογραφική αναφορά. Το ρήγμα Ρίου – Πατρών και τα άλλα φαίνονται καθαρά από τα μοτίβα που δημιουργούνται από τις διαφορές του βαθμού κίνησης. Ωστόσο, περισσότερο έντονη απομακρυσμένη κίνηση παρατηρείται μεταξύ χαμηλότερου υψομέτρου, στην ακτή ( εικόνα 11 ).

Εικόνα 11. Αποτελέσματα SVD για τη βάση δεδομένων φθίνοντος SENTINEL-1

Sentinel-1 αύξοντα διαγράμματα ( 2015 – 2017 )

Το ρήγμα Ρίου – Πατρών χωρίζει ένα πιο σταθερό νότιο τετράγωνο από ένα απομακρυσμένο βόρειο. Στο νοτιοδυτικό κομμάτι του απομακρυσμένου τετραγώνου, φαίνεται ένα ρήγμα κάθετο στο εξεταζόμενο ρήγμα ( εικόνα 12 ).

Εικόνα 12. Αποτελέσματα SVD για τη βάση δεδομένων αύξοντος SENTINEL-1

Τετράγωνο βορείως του ρήγματος Ρίου – Πατρών

Οι καμπύλες διανομής για την κίνηση του εδάφους, παρακολουθούμενη από όλους τους δορυφόρους, δείχνουν ότι το τετράγωνο απομακρύνεται από τους δορυφόρους. Εντούτοις, τα αποτελέσματα που ανακτήθηκαν από τις αύξοντες τροχιές έχουν καμπύλες διανομής με σημεία να υποδεικνύον μεγαλύτερη κίνηση μακριά από τους δορυφόρους σε σχέση με τα σημεία των δεδομένων των φθινουσών. Επίσης, αξίζει να σημειωθεί ότι η κίνηση μακριά από τους δορυφόρους αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου ( εικόνα 13 ).

Εικόνα 13. Καμπύλες διανομής πιθανής έντασης κίνησης εδάφους, όπως φαίνεται από τις αύξουσες και φθίνουσες τροχιές του βορείου τετραγώνου του ρήγματος Ρίου – Πατρών. Οι καμπύλες επιστρέφουν την % πιθανότητα της κίνησης εδάφους που συνέβη στο βόρειο χαρακτηριστικό PRFZ στη δοθείσα περίοδο των αποκτήσεων

Συμπεράσματα

Οι τελικοί χάρτες απεικονίζουν κυρίως κίνηση εδάφους μεταξύ – 8 και 8 χιλιοστών ανά έτος στο LOS με σεβασμό στο σημείο αναφοράς, με καλύτερη συνοχή να παρατηρείται στις αστικές και ημιαστικές περιοχές, όπου τα κτίρια γίνονται διασκορπιστές των κυμάτων που εκλύονται από δορυφόρους. Το ρήγμα Ρίου – Πατρών έιναι μια λοξή δεξιώς πλευρική ζώνη ρήγματος με άλλα ενεργά ρήγματα να το περικλείουν. Από την κίνηση που παρατηρήθηκε εκ του συστήματος LOS, τα ρήγματα που βρίσκονται κοντά στην πόλη είναι μόνο μία από τις αιτίες της κίνησης εδάφους. Παρόλο που επεξεργάστηκε ένα μεγάλο σύνολο δεδομένων για την περιοχή, υπάρχει περιθώριο για μελλοντικές έρευνες. Το έδαφος βορείως του ρήγματος Ρίου – Πατρών φαίνεται να επιταχύνει την κίνηση του. Μέσα από την εργασία, αποδείχτηκε ότι το InSAR αποτελεί ένα ενδιαφέρον και σημαντικό εργαλείο για την βοήθεια των κατοίκων και των αρμόδιων αρχών για την καλύτερη εκτίμηση του σεισμικού κινδύνου στην ευρεία περιοχή των Πατρών.