Παρακολούθηση της εδαφικής παραμόρφωσης του ηφαιστείου της Σαντορίνης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο συμβολομετρίας ραντάρ (InSAR)

Από RemoteSensing Wiki

Παρούσα αναθεώρηση της 19:32, 19 Φεβρουαρίου 2013

Παρακολούθηση της εδαφικής παραμόρφωσης του ηφαιστείου της Σαντορίνης χρησιμοποιώντας τη μέθοδο συμβολομετρίας ραντάρ (InSAR)

Πρωτότυπος τίτλος : Evaluation of RADARSAT-1 data for identification of burnt areas in Southern Europe

Συγγραφείς : E. Lagios, Is. Parcharidis, M. Foumelis & V. Sakkas

Πηγή : Laboratory of Remote Sensing, National and Kapodistrian University of Athens

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Εικόνα 1 : Χάρτης τοποθεσίας της υπό μελέτη περιοχής.

Η παρούσα εργασία αναφέρεται στην παρακολούθηση της εδαφικής παραμόρφωσης της Σαντορίνης χρησιμοποιώντας εικόνες ραντάρ ERS1, ERS2 και ENVISAT από το 1993 έως το 2004. Χρησιμοποιήθηκαν συνολικά τέσσερις ERS1&2 SLC εικόνες ραντάρ καλύπτοντας την περίοδο 1993 - 1999 και δύο ENVISAT ASAR εικόνες για την περίοδο 2003 - 2004. Η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε ήταν η συμβολομετρία ραντάρ διπλής διέλευσης (InSAR) με τη συνεισφορά Ψηφιακού Μοντέλου Εδάφους (ΨΜΕ ή DEM) υψηλής ανάλυσης. Τα αποτελέσματα της μεθόδου δείχνουν ότι αν και το ηφαίστειο βρίσκεται σε φάση ηρεμίας, στα δύο ηφαιστειακά κέντρα της Παλαιάς και Νέας Καμμένης ανιχνεύθηκε εδαφική παραμόρφωση (υποχώρηση) 62mm κατά μήκος της γραμμής όρασης του δορυφόρου.

Το νησιωτικό σύμπλεγμα της Σαντορίνης βρίσκεται στο κεντρικό τμήμα του Ελληνικού ηφαιστειακού τόξου στο νότιο Αιγαίο (Εικ. 1). Το ηφαιστειακό αυτό σύμπλεγμα αποτελείται από τα πέντε νησιά Θήρα, Θηρασιά, Παλαιά Καμμένη, Νέα Καμμένη και Ασπρονήσι, τα οποία σχηματίζουν καλδέρα 83 km2 με 390m βάθος. Η τελευταία σημαντική ηφαιστειακή δραστηριότητα συνέβη μεταξύ 1925 και 1950. Παρόλα αυτά, το ηφαίστειο είναι σε φάση ηρεμίας κατά τη διάρκεια των τελευταίων 50 ετών και η ηφαιστειακή δραστηριότητα περιορίζεται σε υδροθερμικές εκφορτίσεις στα ηφαιστειακά νησιά.

ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΑ

Η συμβολομετρία ραντάρ έχει ήδη χρησιμοποιηθεί στη χαρτογράφηση εδαφικής παραμόρφωσης, όπως την συνσεισμική παραμόρφωση καθώς και στις μακροπρόθεσμες κινήσεις όπως η εδαφική παραμόρφωση σε ηφαίστεια,οι κατολισθήσεις και οι υποχωρήσεις.

Η συμβολομετρία ραντάρ επαναλαμβανόμενης διέλευσης βασίζεται στην επεξεργασία δύο δορυφορικών εικόνων ραντάρ, του ίδιου τμήματος της επιφάνειας της γης που αποκτάται από ελαφρώς εκτοπισμένα περάσματα της κεραίας SAR σε διαφορετικές στιγμές. Η μέθοδος InSAR μετράει την παραμόρφωση χαρτογραφώντας τις αλλαγές στην απόσταση γης - δορυφόρου ανάμεσα στις δύο δορυφορικές εικόνες, δημιουργώντας ένα συμβολογράφημα. Η αλλαγή στην απόσταση φαίνεται χρησιμοποιώνταε έναν επαναλαμβανόμενο κύκλο χρωμάτων (κάθε κύκλος ονομάζεται κροσσός συμβολής) φτιάχνοντας έναν υψομετρικό χάρτη της μετατόπισης του εδάφους στην κατεύθυνση που καταγράφει ο δορυφόρος.

Η συμβολομετρία ραντάρ μπορεί να παρακολουθήσει τις τοπικές μετακινήσεις επιφανείας με το πλεονέκτημα γεωγραφικής κάλυψης μεγάλων περιοχών.

Για την επιλογή των κατάλληλων εικόνων, έτσι ώστε να δημιουργηθούν κατάλληλα ζεύγη συμβολομετρίας χρησιμοποιήθηκαν:

• Κάθετη γραμμή βάσης μικρότερη από 50 m (για καλύτερα αποτελέσματα όσον αφορά τον τροχιακό διαχωρισμό)
• SAR και ASAR λήψεις της ίδιας εποχής για την αποφυγή εποχιακών αλλαγών στις χρήσεις γης που επηρεάζουν τη συνοχή των εικόνων
• Χρονική κάλυψη των ERS και ENVISAT.

Αν και κάποια ζευγάρια έχουν αποδεκτές τιμές γραμμής βάσης, η επεξεργασία τους δεν απέδωσε ικανοποιητικά αποτελέσματα , επειδή οι εικόνες είναι από διαφορετικές γωνίες λήψης και η περιοχή μελέτης απεικονίζεται με διαφορετική γεωμετρία.

Στην παρούσα εργασία εφαρμόστηκε η μέθοδος διαφορικής συμβολομετρίας διπλής διέλευσης (ή μέθοδος εξάλειψης DEM). Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί δύο εικόνες SAR για την παραγωγή ενός συμβολογράμματος. Για την εκτέλεση του διαφορικού συμβολογραφήματος, ένα άλλο συμβολόγραμμα πρέπει να δημιουργηθεί ή να συντεθεί. Το συντεθέν συμβολόγραμμα δημιουργείται από ένα υπάρχον ψηφιακό υψομετρικό μοντέλο (DEM) της περιοχής και στη συνέχεια αφαιρείται από το αρχικό συμβολόγραμμα. Με αυτόν τον τρόπο αφαιρώντας όλους τους κροσσούς που σχετίζονται με ανύψωση του εδάφους, μόνο οι κροσσοί που αντιπροσωπεύουν μετατοπίσεις επιφάνειας παραμένουν. Οι διαφορές φάσεως που παραμένουν ως κροσσοί στο διαφορικό συμβολόγραμμα είναι αποτέλεσμα των αλλαγών εύρους οποιασδήποτε εκτοπισμένων σημείων στο έδαφος. Στην διαφορική συμβολομετρία, κάθε κροσσός σχετίζεται άμεσα με το μήκος κύματος του ραντάρ (56 mm για ERS και Envisat) και αντιπροσωπεύει μια μετατόπιση κατά μήκος της γραμμής σκόπευσης (line of sight - LOS) του μισού μήκους κύματος του ραντάρ (28 mm).

Οι διαφορικές εικόνες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τους παρακάτω παράγοντες:

• Στην τοπογραφία, αφού ένα διαφορικό συμβολογράφημα επεξεργάζεται εξ ορισμού σε συνδυασμό με ένα ψηφιακό μοντέλο ανύψωσης (DEM). Το μέγεθος των σχετικών τοπογραφικών σφαλμάτων είναι συνάρτηση της ποιότητας του DEM
• Το σφάλμα RMS της συνεπεξεργασίας μεταξύ των εικόνων SAR και μεταξύ της κύριας εικόνας SAR και του DEM.
• Την ποιότητα της συνοχής (Εικ. 2). Η χρονική απόσταση μεταξύ των δύο εικόνων που σχηματίζουν τα ζευγάρια πρέπει να είναι σχετικά υψηλή. Συνεπάγεται από τη συνοχή των εικόνων ότι η Σαντορίνη και η Θηρασιά δείχνουν μια αρκετά καλή συνοχή, ενώ η συνοχή στην Παλαιά και Νέα Καμμένη είναι συνεχώς υψηλή, ακόμα και για μεγάλους χρονικούς διαχωρισμούς λόγω του τύπου κάλυψης γης (γυμνά λάβες).
• Πιθανές ατμοσφαιρικές επιδράσεις, σχετικά με τις επιδράσεις που οφείλονται σε αλλαγές στις ιδιότητες της ατμόσφαιρας. Σύμφωνα με την ΕΜΥ η περιοχή ήταν απαλλαγμένη από σύννεφα κατά τη διάρκεια των ημερών λήψης και της προηγούμενης ημέρας. Επιπρόσθετα, η παραγωγή περισσοτέρων του ενός συμβολογραφημάτων που δίνουν παρόμοια αποτελέσματα είναι μια επιπλέον ένδειξη ότι οι κροσσοί που εμφανίζονται ανταποκρίνονται στην πραγματική μετατόπιση και θεωρούμε ότι οι κροσσοί οφειλόταν κυρίως στην παραμόρφωση του εδάφους που σχετίζεται με την ηφαιστειακή δραστηριότητα.

ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Εικόνα 2 : Συμβολογράμματα (αριστερή στήλη) και οι αντίστοιχες εικόνες συνοχής (δεξιά στήλη) για τις περιόδους, α) Ιούνιος 1993 - Ιούνιος 1995, β) Μάιος 1995 - Οκτώβριος 1999 και γ) Σεπτέμβριος 2003 - Μάρτιος 2004.

Συμβολόγραμμα Ιουνίου 1993 – Ιουνίου 1995

Μια σημαντική ένδειξη της παραμόρφωσης της επιφάνειας στην περιοχή αναγνωρίζεται στη Νέα Καμμένη. Ένας πλήρης σχεδόν κροσσός παραμόρφωσης ανιχνεύθηκε στην Νέα Καμμένη υποδεικνύοντας περίπου 28 mm (LOS) κίνηση της επιφάνειας μακριά από τον αισθητήρα, με μέγιστη παραμόρφωση στο νότιο κεντρικό τμήμα της (Εικ. 2, α).

Συμβολόγραμμα Μαίου 1995 – Οκτωβρίου 1999

Παρά το μακρύ χρονικό διάστημα μεταξύ των λήψεων η συνεκτικότητα τη εικόνας ήταν σχεδόν παρόμοια με εκείνη του 1993 - 1995. Η μέγιστη παρατηρούμενη παραμόρφωση εμφανίζεται ως παραλλαγές φάσης μεγαλύτερης από ένα κροσσό που ισοδυναμεί με αλλαγές φάσματος LOS των 44 mm περίπου, σχεδόν στην ίδια θέση με το συμβολογράφημα του 1993-1995 (Εικ. 2, β).

Συμβολόγραμμα Σεπτεμβρίου 2003 – Μαρτίου 2004

Παρά το γεγονός ότι το συμβολόγραμμα δείχνει υψηλή συνοχή στην Νέα Καμμένη (η συνοχή σε όλα τα άλλα νησιά εξακολουθεί να είναι χαμηλή) κανένα συμβολομετρικό μοτίβο παραμορφώσης δεν αναγνωρίζεται σε αυτό. Πιθανόν, ο χρονικός διαχωρισμός των δύο λήψεων (211 ημέρες), είναι πολύ μικρός και έτσι η ποσότητα της παραμόρφωσης σωρευτικά σε αυτές τις 211 ημέρες δεν ήταν ανιχνεύσιμη από την εφαρμοζόμενη μέθοδο συμβολομετρίας (Εικ. 2, γ).

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

Συμπερασματικά, οι παραμορφώσεις InSAR, που εντοπίζονται στη Νέα Καμένη, αποκάλυψαν υποχώρηση μέχρι 6,2 cm. Αυτή η μέτρηση είναι σημαντική καθώς το ηφαίστειο τα τελευταία χρόνια βρίσκεται σε κατάσταση ηρεμίας. Λαμβάνοντας υπόψη τη συνολική παραμόρφωση των 6,2 cm που εκτείνεται σε μια περίοδο επτά ετών, μπορεί να υποτεθεί ότι η μέση ετήσια παραμόρφωση είναι περίπου 9 mm. Επιπλέον, η μελέτη αυτή δείχνει την ικανότητα παρακολούθησης της συμβατικής παραμόρφωση του εδάφους που συσσωρεύεται αργά σε περιοχές ενδιαφέροντος, όπως είναι η Νέα Καμμένη, με τη μέθοδο InSAR . Τέλος, η μελλοντική εφαρμογή των πιο προηγμένων συμβολομετρικών τεχνικών που ξεπερνούν τα ελαττώματα της συμβατικής συμβολομετρίας, θα μπορούσαν να αποκαλύψουν μοτίβα παραμορφώσεων και στα υπόλοιπα ηφαιστειακά νησιά.