Hva er InSAR?

InSAR Norge er en karttjeneste som bruker satellittbilder fra en Syntetisk Apertur Radar (SAR) ved en teknikk kalt SAR Interferometri (InSAR). I de neste avsnittene er hovedprinsippene bak SAR og InSAR forklart, slik at alle kan ta i bruk de tilgjengelige InSAR-datasettene. (Siden er under oppdatering)
InSAR Norge bruker blant annet radarbilder som er tatt av satellittene Sentinel-1A og Sentinel-1B. Disse inngår i The European Space Agency (ESA) romprogram Copernicus. Illustrasjon: ESA

Hva er et Syntetisk Apertur Radar-bilde (SAR)?

Syntetisk Apertur Radar (SAR) er en aktiv radar som bruker mikrobølger til å ta bilder av jordoverflaten. SAR radaren sender ut et elektromagnetisk signal og tar imot signalet som reflekteres tilbake fra jordoverflaten. En SAR trenger gjennom skyer og er heller ikke avhengig av sollys. 

Det reflekterte signalet gjøres så om til et to-dimensjonalt bilde som består av radarkoordinater. Den ene dimensjonen består av retning langs satellittens bane (engelsk: «azimuth dimension»). Den andre dimensjonen består av avstanden fra satellitten til bakken (engelsk: «slant range dimension»). Bakkeoppløsningen av SAR-bilder varierer fra satellitt til satellitt: For Sentinel-1 (EUs Copernicus-program) er det cirka 5 x 20 meter (ca 5 meter i range (ca. øst-vestlig retning) og 20 meter i slant range (ca. nord-sørlig retning).

Hver pikselverdi i et radarbilde består av summen av reflekterte signaler fra alle de individuelle reflektorene som befinner seg i denne pikselen. Signalet i hver piksel er en kompleks verdi som består av to typer informasjon:

  • Amplitude: Et mål på styrken av signalet som er avhengig av egenskaper på jordoverflaten, slik som materiale, helning og fuktighet. Et sterkt signal vil for eksempel kunne være reflektert tilbake fra et hardt materiale som stein i ei fjellside eller et hustak vendt mot radarsignalet. Et svakt signal vil kunne være fra et område uten tydelige reflektorer og høyt vanninnhold slik som et myrområde.
  • Fase: Radarbølgen er syklisk. Fasen tilsvarer en andel av bølgen innenfor denne syklusen, dvs en brøkdel av bølgelengden (som typisk er ca 5.6 cm for SAR satellittene brukt i InSAR Norge). Fasen er relatert til avstanden mellom satellitt og jordoverflaten. Det er hovedsakelig denne komponenten av SAR bildene som benyttes for å beregne bevegelser på bakken.

Hva er målegeometrien av en SAR-satellitt?

De fleste jordobservasjonssatellitter går i polare baner rundt jorden, og passerer da over nord- og sørpolen. Langs halve dens bane går satellitten mot nord i det vi kaller stigende bane (engelsk: ascending). Andre halvdel av banen, som går fra nord til sør, kalles den synkende banen (engelsk: descending).

SAR-geometrier: Satellittene tar opp bilder ved stigende bane (ascending) og synkende bane (descending).

De fleste SAR-radarer ser ned mot høyre i satellittbanens retning, derfor er sikteretning (engelsk: azimuth angle) forskjellig i ascending og descending data. I hver overflyvning skanner radaren en 250 km bred stripe av jordoverflaten (engelsk: swath). Innfallsvinkelen mellom radarens sikteretning og vertikalen (engelsk: incidence angle) varierer fra cirka 30° på den siden av stripen som er nærmest ved satellitten, til cirka 45° på den andre siden av stripen som er lengst fra satellitten. SAR-målinger er endimensjonale, langs radarens sikteretning (engelsk: line-of-sight (LOS)). I karttjenesten kan man finne informasjon om satellittgeometrien for et punkt øverst i plottvinduet med tidsserien.

SARs satellittgeometri og innfallsvinkel. Til venstre: Datasettet deles som beskrevet ovenfor inn i to - ascending og descending - avhengig av om satellittbanen går mot nord eller mot sør. Til høyre: Den blå pilen viser gjennomsnittlig sikteretning (line-of-sight (LOS) i dette bildet.

SARs satellittgeometri. Viser de ulike parametrene som er tilgjengelge for hvert punkt med bevegelsesmålinger i karttjenesten.

Hva er Syntetisk Apertur Radar Interferometri (InSAR)?

InSAR er en forkortelse for Syntetisk Apertur Radar Interferometri. Med denne teknikken kan vi med centimeter til millimeter nøyaktighet estimere den relative bevegelsen mellom to punkter på bakken som skjer i tidsrommet mellom to radarbildeopptak. 

Ved å måle faseforskjellen (en brøkdel av bølgelengden) mellom to radarbilder som er tatt over samme område ved ulike tidspunkter, kan man estimere bevegelsen. Fasen tilsvarer stadiet av bølgen innenfor denne syklusen, dvs en brøkdel av bølgelengden. Når et punkt på bakken beveger seg, vil avstanden mellom dette punktet og radarsensoren endre seg. Slik endres også fasesignalet som registreres av sensoren. Et kart som viser den romlige fordelingen av faseforskjellene mellom to tidspunkter kalles et interferogram.

Med InSAR måler vi endring av avstand mellom satellitt og bakken (ΔR) mellom to målinger tatt på ulike tidspunkter (R1 og R2). Endringen måles langs radarens retningslinje (engelsk: Line-of-sight LOS), som stemmer ikke alltid overens med den reelle bevegelsesretningen. A) Huset, i dette eksempelet, har en ren vertikal bevegelsesretning (innsynkning). Likevel er InSAR kun et mål på endringen langs satellittens LOS. B) I dette eksempelet beveger fjellskredet seg tilnærmet parallelt med satellittens LOS. Dermed fanger InSAR målingene opp en stor andel av den reelle bevegelsen.

InSAR er et mål på faseendringen mellom to forskjellige radarbilder (R1: grå linje og R2: blå linje) tatt ved to ulike tidspunkter over samme område. Endringen kan skyldes at et punkt på bakken har flyttet på seg i tiden mellom radarbilder.

InSAR-resultatene gjøres om fra syklisk faseforskjell til kontinuerlige avstandsforskjeller. På grunn av de sykliske bølgene vil en endring i avstand med et heltall ganger av bølgelengden gi akkurat den samme fasen. Denne fasetvetydigheten er en av de største utfordringene som prosesseringen av interferometrisk data står ovenfor. Dette bestemmer også den maksimale bevegelsen som kan detekteres i et tidsintervall mellom to radarbildeopptak til å være på en halv bølgelengde av sensoren (som er ca 2.8 cm for satellittene brukt i InSAR Norge). 

Fasen av SAR-signalet er påvirket av flere elementer enn bare bevegelse på bakken:

  • Atmosfæriske variasjoner: Endring i atmosfære fører til faseendringer. Data fra værmodeller kan brukes til å fjerne påvirkningen av atmosfæriske variasjoner, men noen atmosfærebidrag kan ikke forutsies av modeller. Ved å anta at disse variasjonene ikke er avhengig av tid, kan man filtrere dem bort når man bruker lange dataserier.
  • Topografisk komponent: Påvirkningen av topografien kan fjernes ved å bruke for eksempel en digital terrengmodell (DTM). Rester av topografiske bidrag på grunn av unøyaktige DTM, som for eksempel bygninger som ikke er inkludert i modellen må estimeres for å gi en korrekt 3D-posisjon av hver piksel.
  • Andre feilkilder: kvaliteten av fasemålinger kan påvirkes av endringer av egenskaper av overflaten, slik som bevegelser i vegetasjon, våt overflate, snø eller plutselige og store endringer på bakken. 

Siden flere ukjente variabler påvirker fasen, ligger problemet i å skille disse fra hverandre. For å isolere bevegelsen, må de andre elementene av faseforskjellen fjernes. For å få til dette er det ofte ikke nok med kun ett interferogram. Det trengs flere interferogrammer basert på en tidsserie av SAR-bilder fra samme satellittgeometri for å kunne:

  • Fange opp variasjoner i bevegelsen over tid.
  • Redusere støynivå, blant annet ved å filtrere bort atmosfærebidraget.
  • Identifisere punkter med stabile overflateegenskaper der målingskvaliteten er bedre.

InSAR Norge Sentinel-1 nasjonale datasett er prosessert med en metode som kalles Persistent Scatterer Interferometry (PSI), ved bruk av programvare utviklet av NORCE Norwegian Research Centre AS (tidligere Norut) i Tromsø. PSI utnytter små og tydelige punkter på bakken, som reflekterer svært stabile verdier over tid. Slike punkter kan være for eksempel hustak, brostein, konstruksjoner og andre harde flater. Metoden fungerer derfor godt i byområder og på bart fjell. Radarsat-2 regionale datasett ble prosessert med en annen teknikk kalt Small Baseline Subset (SBAS), som summerer bidrag av flere elementer i en piksel for å forbedre signalkvaliteten. Den fører til en redusert romlig oppløsning i forhold til opprinnelige SAR bilder.

Hvilke bevegelser måler vi med InSAR?

InSAR-resultater gir oss en database av målepunkter. For hvert punkt er det estimert en gjennomsnittlig bevegelseshastighet. Målingene er endimensjonale langs sikteretning (engelsk: line-of-sight (LOS)) og oppgis i millimeter pr. år (mm/år). For hvert målepunkt er det også en tidsserie som består av LOS målinger av bevegelsen for hver tilgjengelig opptaksdato. Til hvert punkt hører det også til annen informasjon, som posisjonen til punktet i tre dimensjoner, LOS-vektor, kvalitetsmålinger, osv. 

En beskrivelse av informasjonen som er gitt for de enkelte punkter finnes her. 

InSAR bevegelsene er relative til et lokalt referansepunkt og et referansetidspunkt. Dataene er ennå ikke koplet til en fast romlig referanse. Inntil videre prosesseres data i mindre områder der hver tile (20km x 86 km) har hvert sitt egne referansepunkt. Før områdene settes sammen til de landsdekkende datasett, justeres hvert område slik flesteparten av punktene i et område har bevegelse på 0 mm/år. Det betyr at kartet bare viser relativ og lokal deformasjon. På sikt vil InSAR-dataene bli koblet sammen med data fra GNSS (Global Navigation Satellite Systems) stasjoner fra Kartverket for å få alt inn i samme, absolutte referanseramme. Bevegelsen er også relativ til et referansetidspunkt som varierer fra datasett til datasett og fra område til område. Det kan for eksempel være det første opptak av hele serien. 

Videre forklaringer om InSAR-dataegenskaper og begrensinger finnes her. 

Hvordan påvirker ascending og descending geometrier InSAR-data?

Siden radaren måler kun bevegelse i radarens sikteretning (engelsk: line-of-sight (LOS)), vil horisontal bevegelse på jordoverflaten gi forskjellige resultater avhengig av satellittgeometrien.

Radaren måler kun bevegelse langs siktelinjen. Derfor kan den målte bevegelsen være annerledes enn den reelle bevegelsen.

En bevegelse mot øst kan gi negativ verdi i ascending og positiv verdi i descending data. Omvendt vil en bevegelse mot vest gi positiv verdi i ascending og negativ verdi i descending data.
Dette kan illustreres med et eksempel på to ustabile fjellsider på hver sin side av Sørfjorden i Troms og Finnmark. Fjellpartiet til venstre i bildet har bevegelse mot sør-øst, og viser negative verdier (røde punkter) i ascending og positive verdier (blå punkter) i descending data. Fjellpartiet til høyre i bildet har bevegelse mot nord-vest og viser det motsatte, positive verdier i ascending og negative verdier i descending.

Kartutsnitt som illustrerer effekten av forskjellig siktevinkel fra ascending og descending data. Pilene viser bevegelsen av de to ustabile fjellpartier i henholdsvis sørøstlig og nordvestlig retning. I den horisontale planen er det hovedsakelig den østlige-vestlige komponenten av bevegelsen som er detektert av InSAR.

Hvor ofte får man målinger?

Sentinel-1 programmet består av to satellitter. Den første satellitten ble skutt opp i 2014 og den andre skutt opp i 2016. Hver satellitt bruker 12 dager fra en posisjon til den er tilbake til samme posisjon relativt til jorda. Derfor er oppløsningen på 12 dager fram til den andre satellitten ble skutt opp. Med to satellitter i bane rundt jorda blir oppløsningen på 6 dager. Til regionale Radasat-2 datasett er temporal oppløsning 24 dager. I hver overflyvning skanner radaren en 250-km bred stripe av jordoverflaten. Siden Norge ligger langt nord på jordkloden vil disse overlappe. Det betyr i praksis at bilder tas oftere, opp mot tre ganger i uken i de nordligste fylkene. 

InSAR fungerer ikke på snø. Data brukes bare fra måneder med lite snødekke, dvs. ca juni – oktober til de landsdekkende datasettene. I en fremtidig utgave av karttjenesten vil det bli brukt data fra hele året i byområder. Datasettene oppdateres én gang om året på høsten/vinteren, når data fra sommerhalvåret er innsamlet og prosessert. 

Videre forklaringer om tidsmessig oppløsning og datahull finnes her.