Los sensores SAR satelitales hacen uso de diferentes bandas de frecuencia para la recogida datos. De forma general, consideramos que cada banda ofrece sus propias características y posibles aplicaciones. Utilizando esta información y gracias al uso de la tecnología InSAR, es posible identificar deformaciones milimétricas de la superficie del suelo.
En muchos casos, para obtener tasas de deformación precisas es necesario aplicar técnicas InSAR avanzadas. En este artículo profundizamos más sobre este tema e introducimos la técnica de interferometría basada en scatterers persistentes (conocida como PSI o PS-InSAR) y la basada en scatterers distribuidos (conocida como DSI os DS-InSAR).
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El problema del retrodispersado de radar
Una imagen óptica revela información sobre la composición, temperatura y otras propiedades físicas de un objeto, como la textura. Por otro lado, el SAR proporciona información sobre la intensidad, dirección, amplitud y fase de la señal.
La interacción de las señales transmitidas depende de la estructura y las propiedades dieléctricas del objetivo del SAR. Cuando las ondas de radar del satélite encuentran un objeto, son parcialmente absorbidas, dispersadas y reflejadas.
El retrodispersado de radar se refiere a la porción de energía de radar que es reflejada de vuelta a la antena de radar por un objeto objetivo. Cuando una señal de radar del satélite interactúa con un objeto en la tierra, una porción de la señal es dispersada de vuelta en dirección del radar, y esta energía retrodispersada es registrada por el radar.
La magnitud de la señal retrodispersada define el brillo de un píxel dado en la imagen. Esto repercute en la interpretación de imágenes de radar de apertura sintética (SAR) convirtiéndolo en una tarea para nada sencilla.
La interpretación de imágenes SAR es una tarea compleja. Esto es debe entre otras cosas a que el radar registra porciones de energía que son reflejadas de vuelta cuando se produce la interacción con objetos de la superficie terrestre.
La radiación SAR es coherente, porque la radiación de microondas se transmite con un conjunto preciso de longitudes de onda. Esto es útil, porque permite mediciones precisas de fase y amplitud de las ondas retrodispersadas y el uso de polarización.
Muchos factores influyen en la cantidad de retrodispersión recibida por el sensor SAR. Primordialmente, la longitud de onda utilizada por el SAR influye en la penetración de la señal y, por lo tanto, en lo que se está imaginando.
El siguiente factor influyente es la rugosidad de la superficie. Las superficies lisas como el agua tranquila hacen que la señal se refleje lejos del sensor y en las imágenes SAR estos píxeles aparecen oscuros. Mientras que las superficies rugosas dan un retorno mucho más fuerte hacia la plataforma de imágenes, haciendo que los píxeles aparezcan brillantes en la imagen SAR correspondiente.
El agua agitada por el viento puede retrodispersar con brillo cuando las olas resultantes son del tamaño adecuado para la longitud de onda del radar incidente.
Otro factor que influye en la fuerza de la retrodispersión es la composición volumétrica del objeto. Por ejemplo, en la vegetación, ocurre retrodispersión volumétrica cuando las señales rebotan dentro de la vegetación, lo que resulta en píxeles comparativamente más oscuros en la imagen SAR. Cuando los edificios de una ciudad están alineados de tal manera que los pulsos de radar entrantes pueden rebotar en las calles y luego rebotar nuevamente en los edificios, llamado doble rebote, y volver directamente hacia el radar, aparecen muy brillantes en las imágenes de radar.
Teniendo en cuenta toda esta información, en la mayoría de los casos, el área de terreno iluminada por el transmisor SAR no será homogénea. En cambio, estará compuesta por muchos tipos diferentes de dispersores individuales.
Existen múltiples factores que influyen en que la zona de terreno iluminado por el sensor SAR no sea homogénea
Las contribuciones de retrodispersión de objetos físicos individuales en una celda de resolución en el suelo se suman coherentemente para formar un píxel. Los dispersores pueden interferir entre sí, ya sea fortaleciendo la retrodispersión (interferencia constructiva) o debilitándola (interferencia destructiva).
Por ejemplo, la resolución de una imagen SAR Sentinel-1 con múltiples vistas es de aproximadamente 20 x 5 m. Esto significa que un rectángulo de 20 x 5 metros en el suelo está representado por un solo píxel en la imagen SAR. Y el brillo de este píxel será decidido por la retrodispersión de todos los objetos contenidos dentro de este rectángulo en el suelo. Entonces, al final, cada píxel en una imagen SAR contiene información de amplitud (caracterizada por la intensidad) y de fase (caracterizada por el cambio). Luego, combinamos dos imágenes SAR separadas de la misma escena para formar un interferograma que representa el cambio mostrando la diferencia de fase entre las dos imágenes SAR.
Algoritmos InSAR avanzados: En busca de tasas de deformación más precisas
El problema surge cuando la información en un interferograma contiene reflexión de las ondas de radar de un elemento en tierra que, aunque cambia, no puede ser interpretado como deformación (por ejemplo, cambio en la vegetación, variación en las condiciones atmosféricas).
Para obtener tasas de deformación precisas en áreas de baja deformación, es esencial estimar y eliminar otros componentes de fase, como las contribuciones atmosféricas. Por esta razón, se desarrollaron algoritmos específicos de InSAR.
En lugar de calcular el cambio de fase en todo el píxel, este enfoque utiliza una pila de interferogramas distribuidos en un período de tiempo para identificar aquellos puntos o dispersores que muestran un mecanismo de retrodispersión confiable y estable durante este período de tiempo y medir las deformaciones en dichos puntos. La señal retrodispersada de estos puntos debe ser estable y constante durante un período más largo.
Se busca localizar puntos confiables con tasas de retrodispersión estables
Para identificar estos puntos confiables, utilizamos Coherencia que es una medida del ruido de fase en el interferograma. Puede ser medido espacialmente, midiendo la estabilidad de la relación de fase entre píxeles vecinos y temporalmente, midiendo la estabilidad del comportamiento de fase de un píxel a lo largo del tiempo. Si los píxeles correspondientes en pares de imágenes son similares, la correlación es alta y la coherencia es alta. Lo contrario es cierto. Si los píxeles correspondientes no son similares, la fase variará significativamente y la coherencia será baja.
Para obtener un número significativo de puntos de medición, podemos aprovechar los retornos de señal de dos familias de puntos de medición en la superficie terrestre.
- Scatterers Permanentes (PS): son objetivos radar caracterizados por valores de reflectividad altos, generando píxeles muy brillantes en la escena SAR, generalmente correspondientes a estructuras individuales hechas por el hombre.
- Scatterers Distribuidos (DS): son objetivos radar que generalmente corresponden a muchos píxeles adyacentes en la imagen SAR, todos exhibiendo una firma de radar muy similar y donde los fenómenos de decorrelación temporal, aunque presentes, aún permiten la recuperación de datos de desplazamiento generalmente correspondientes a vastas áreas que exhiben un comportamiento de fase homogéneo.
PS-InSAR: Interferometría de scatterers persistentes o permanentes
La técnica de interferometría de scatterers persistentes (PSI) es uno de los primeros enfoques de InSAR que implica identificar píxeles que tienen una reflexión fuerte y constante durante un largo período, lo que se llama scatterers persistentes/permanentes (PS).
Los PS se identifican por alta coherencia o correlación.
La técnica PSI de InSAR utiliza una gran cantidad de interferogramas que cubren la misma área para identificar puntos terrestres estables que reflejan señales de radar de manera constante durante un largo período de tiempo, típicamente durante varios años. Estos puntos estables se encuentran generalmente en estructuras hechas por el hombre, como edificios, puentes o en características naturales como rocas, acantilados y rocas madre.
La técnica PS se basa en identificar una gran cantidad de reflexiones de radar desde el mismo punto y luego utilizar estas observaciones para estimar la deformación terrestre a lo largo del tiempo.
La técnica PS-InSAR es muy efectiva para medir la deformación superficial en áreas urbanas y otras estructuras hechas por el hombre. Las áreas caracterizadas por cambios físicos, como áreas vegetadas, cuerpos de agua, dunas móviles, zonas de construcción o distorsiones geométricas causadas por pendientes de terreno empinadas, tendrán inherentemente menos PS. Además, un PS muy brillante en un área urbana puede dominar sus píxeles adyacentes más allá del píxel correspondiente a su ubicación real.
La principal desventaja de este método fue la falta de densidad de puntos en áreas no urbanas. No es adecuado para áreas que sufren de decorrelación temporal, como áreas vegetadas o áreas que se urbanizan rápidamente.
PS-InSAR es ideal para medir deformaciones en áreas urbanas. No es recomendable sin embargo para áreas vegetadas o urbabizadas rápidamente.
Las áreas vegetadas o urbanizadas rápidamente carecen de puntos o estructuras estables que se puedan utilizar para la medición.
La falta de puntos donde se puede medir la deformación llevó al desarrollo de nuevos métodos con criterios menos estrictos para la inclusión de puntos de medición.
DS-InSAR: Interferometría de dispersión distribuida
La técnica de interferometría de dispersión distribuida (DS-InSAR) utiliza una red densa de dispersores, como la vegetación, para estimar la deformación del suelo.
Esta técnica es útil para medir la deformación en áreas grandes, como campos agrícolas y regiones boscosas, donde los reflectores estables son escasos.
DS-InSAR es ideal para medir deformaciones en áreas vegetadas
DS-InSAR utiliza un gran número de dispersores puntuales que se supone están distribuidos aleatoriamente en la escena. Al rastrear los cambios de fase de la señal de radar a lo largo del tiempo en cada dispersor, DS-InSAR puede estimar la deformación de la superficie terrestre.
A diferencia de los PS dominantes, el píxel DS normalmente contiene una suma coherente de pequeños dispersores individuales.
La interferencia de estos pequeños dispersores causa la variación en la señal devuelta del píxel, lo que da lugar a decorrelaciones temporales y geométricas. El DS convencional normalmente cubre varios píxeles con comportamientos estadísticamente homogéneos similares. Es posible obtener suficiente coherencia procesando estadísticamente estos DS.
Diferencia entre PS-InSAR y DS-InSAR
PS-InSAR es adecuado para medir la deformación en estructuras hechas por el hombre y otros puntos estables, mientras que DS-InSAR se utiliza para medir la deformación en áreas grandes con dispersores dispersos o aleatorios.
Podemos utilizar una combinación de PS y DS para aumentar significativamente la densidad de puntos de medición.
Fuentes bibliográficas
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