Korzyści wynikające ze wspólnego opracowania. z wynikami uzyskanymi techniką GNSS

Transkrypt

1 Korzyści wynikające ze wspólnego opracowania wyników pomiarów PSInSAR z wynikami uzyskanymi techniką GNSS Łukasz Żak, Jan Kryński, Dariusz Ziółkowski, Jan Cisak, Magdalena Łągiewska Instytut Geodezji i Kartografii

2 PLAN PREZENTACJI Wstęp Metody wyznaczania zmian wysokości - GNSS - Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (Persistent Scatterer Interferometry - PSI) Obszar badań oraz dane Metoda integracji Wyniki integracji PSI i GNSS Podsumowanie i wnioski

3 Wprowadzenie (1) PSI i GNSS całkowicie niezależne techniki wyznaczania przemieszczeń pionowych różnią się o: - źródła danych - metody przetwarzania - rozdzielczość przestrzenną - rozdzielczość czasową - pewność uzyskanych wyników z określoną dokładnością Przemieszczenia wyznaczone z GNSS (stacje permanentne) bardzo mała rozdzielczość przestrzenna wysoka rozdzielczość czasowa (najczęściej 24 godziny) wysoka dokładność (na poziomie 1 cm) określenia przemieszczeń pionowych niezależnie od odległości pomiędzy stacjami nie ma konieczności walidacji Przemieszczenia wyznaczone z PSI bardzo wysoka rozdzielczość przestrzenna (10 3 /km 2 ) mała rozdzielczość czasowa (średnio co 11 dni) błąd rozwijania fazy rośnie wraz ze wzrostem odległości od punktu referencyjnego i epoki początkowej konieczna zewnętrzna kontrola wyników

4 Różny charakter technik GNSS i PSI, w szczególności różne wady i zalety, wykorzystane w tym samym celu mogą się wzajemnie uzupełniać Wspólne stosowanie technik GNSS i PSI może być korzystne dla każdej z nich w szczególności pod względem zwiększenia wiarygodności wyników Celem pracy jest Wprowadzenie (2) Pokazanie, że wyniki uzyskane z PSI mogą być wykorzystane do zwiększenia wiarygodności wyznaczenia zmian wysokości stacji GNSS uzyskanych z obserwacji GNSS Połączenie obu technik może umożliwić wyodrębnienie dodatkowego sygnału zmian wysokości poniżej pozornego szumu obserwacyjnego

5 Metody (1) Precyzyjne wyznaczanie zmian wysokości z danych GNSS (1) Najdokładniejsze zmiany wysokości z obserwacji GNSS można wyznaczyć dla permanentnych stacji GNSS wykorzystując dzienne lub dobowe rozwiązania sieciowe, np. IGS, EPN lub sieci regionalne dzienne lub dobowe rozwiązania krótkich wektorów Te rozwiązania dostarczają - lokalnych deformacji skorupy ziemskiej lub - lokalnych zmian sezonowych związanych z hydrosferą lub atmosferą Wysoka dokładność wyznaczenia zmian współrzędnych stacji rozwiązania sieciowe dokładność centymetrowa rozwiązania krótkich wektorów dokładność na poziomie pojedynczych milimetrów Błędy są często na poziomie sygnału obserwacyjnego Deformacje wyznaczane przy użyciu techniki GNSS odnoszą się do stacji permanentnych mała rozdzielczość przestrzenna

6 Metody (2) Precyzyjne wyznaczanie zmian wysokości z danych GNSS (2) Zmiany wysokości stacji JOZE otrzymane z dziennych oraz tygodniowych rozwiązań krótkiego wektora BOGO JOZE (stacja referencyjna BOGO)

7 Metody (3) Precyzyjne wyznaczenie zmian wysokości z danych GNSS (3) Porównanie zmian wysokości z tygodniowych rozwiązań sieciowych EPN oraz krótkiego wektora BOGO JOZE (stacja referencyjna BOGO) średnia max - min odch. std. rozwiązanie tygodniowe EPN (sinex) rozwiązanie tygodniowe krótkiego wektora rozwiązanie dobowe krótkiego wektora

8 Metody (4) Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (PSI) (1) Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (PSI) jest jedną z wielu metod interferometrycznych stosowana głównie do badania powolnych deformacji terenu wykorzystuje dane z satelitarnych czujników obrazowania SAR Interferometria radarowa (InSAR) początkowo wykorzystywana do tworzenia numerycznych modeli terenu DTM (1988) Po modyfikacji Różnicową Interferometrię Radarową (Differential Interferometry - DInSAR) zaczęto stosować do badania powolnych zmian deformacji terenu (początki ) Ograniczenia tej metody spowodowane przez tzw. dekorelację czasową Najlepsze wyniki uzyskuje się głównie na obszarach suchych, pół-suchych i kamienistych, charakteryzujących się wysoką stabilnością czasowego pokrycia terenu i warunków wilgotności gleby Punkt zwrotny Rozwój interferometrii trwałych reflektorów (PSI) W tej metodzie wykorzystuje się wyłącznie obiekty charakteryzujące się dużą stabilnością odbicia i spójnością fazy w długim okresie czasu. W strefie umiarkowanej są to głównie obiekty antropogeniczne

9 Metody (5) Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (PSI) (2) Zmiany odległości pomiędzy terenem i satelitą w dwóch różnych epokach czasu wyrażone są jako część długości fali zarejestrowanej przez czujniki satelity Czujniki rejestrują tylko ostatni cykl fazy Metoda pozwala określić tylko względne zmiany wysokości w obszarze badań, dokładność jest ściśle zależna od poprawności tzw. rozwinięcia fazy (rekonstrukcja całkowitej liczby cykli 2Pi dla każdego trwałego reflektora) Każdy piksel reprezentuje trwały reflektor pomiar fazy jest związany z określeniem cyklu fazy Faza jest zakłócona przez deformacje terenu inne czynniki (rzeźba terenu, opóźnienie sygnału w atmosferze, zmiany pokrycia terenu i zmiany stałej dialektycznej) generują szum, zwany dekorelacją czasową określenie rzeczywistej liczby cykli fazy - nie jest łatwe

10 Metody (6) Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (PSI) (3) W celu poprawnego określenia deformacji gruntu składnik fazy sygnału odpowiadający za deformacje gruntu musi zostać odseparowany od pozostałych składników Proces ten odbywa się za pomocą modelowania statystycznego Aby określić deformacje gruntu metodą PSI potrzeba minimum zdjęć radarowych zarejestrowanych z tej samej orbity w różnym czasie Z przetworzenia zdjęć radarowych otrzymuje się dwa produkty: średnie deformacje (w badanym okresie czasu) historię deformacji dla każdego trwałego reflektora pokazujące zmiany wysokości odniesione do epoki zerowej

11 Metody (7) Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (PSI) (4) W metodzie PSI w wyniku opracowania zdjęć radarowych otrzymuje się mapę deformacji oraz historię deformacji dla każdego punktu będącego trwałym reflektorem, która pokazuje zmiany wysokości względem przyjętej daty zerowej

12 Metody (8) Interferometria Radarowa Trwałych Reflektorów (PSI) (5) Dokładność średnich deformacji może być lepsza niż 1 mm/rok historii deformacji zakłada się, że jest kilka razy niższa Ostateczna dokładność zależy od kilku czynników: rozdzielczości zdjęć długości fali radarowej rodzaju deformacji (zakres przestrzenny, prędkość i nieliniowość) typu terenu oraz jakości trwałych reflektorów poprawności opracowania danych Wyniki z metody PSI powinny być walidowane niezależnymi metodami pomiarowymi, np. niwelacja precyzyjna lub GNSS niwelacja precyzyjna lokalnie, pojedyncze inwestycje GNSS na większym obszarze

13 Obszar badań oraz dane (1) Aglomeracja Warszawy i okolice (centralna część województwa mazowieckiego w obrębie Kotliny Warszawskiej, przecięta doliną Wisły) geologicznie stabilna obserwowane deformacje związane głównie ze zmianami hydrologii w dolinie Wisły oraz skarpy wiślanej Deformacje lokalne związane z budową metra wpływem innych inwestycji Obszar badań

14 Obszar badań oraz dane (2) Dane i wyniki GNSS Dane z lat (interwał 30 s) stacje BOGO i BOGI (Obserwatorium Geodezyjno-Geofizyczne Borowa Góra, IGIK) stacje JOZE i JOZ2 (Obserwatorium Astronomiczno-Geodezyjne w Józefosławiu, PW) stacje CBKA i WAT1 (ASG-EUPOS) BOGO - BOGI BOGO - CBKA Wektory BOGO - JOZE BOGO - WAT1 BOGO - JOZ2 opracowane programem Bernese v.5.0 z użyciem - efemeryd precyzyjnych i parametrów ruchu obrotowego Ziemi (IGS) - ziemskich modeli pływowych (IERS) - oceanicznych modeli pływowych (FES2004 model) - absolutnych wartości PCV anten obliczono zmiany wysokości stacji BOGI, JOZE, JOZ2, CBKA, WAT1 w odniesieniu do BOGO

15 Obszar badań oraz dane (3) Dane radarowe i wyniki PSI 21 obrazów z satelity Envisat z lat (pasmo C; l = 5.5 cm; rozdzielczość 5 m 20 m) 96 obrazów z satelity Cosmo SkyMed z lat (pasmo X; l = 3.3 cm; rozdzielczość niecałe 3 m) Opracowane programem Gamma Remote Sensing Epoka odniesienia: dla obrazów Envisat dla Cosmo SkyMed Punkt referencyjny (punkt początkowy rozwinięcia fazy) dla opracowania danych z obu satelitów - trwały reflektor na terenie Filtrów Warszawskich >10 6 sztucznych reflektorów

16 Metoda integracji (1) Deformacje - wynik rozwijania fazy od punktu centralnego do trwałych reflektorów dla wszystkich obrazów w okresie czasu Przykłady względnych deformacji uzyskanych z metody PSI dla Borowej Góry i Józefosławia

17 Metoda integracji (2) Wspólna epoka odniesienia dla wyników z obu metod (PSI i GNSS) Przykład porównania zmian wysokości na stacjach BOGI, JOZ2 otrzymanych z dobowych rozwiązań GNSS z wynikami PSI odniesione do epoki zero ( )

18 Metoda integracji (3) Porównanie względnych zmian wysokości po między Borową Górą a Józefosławiem otrzymanych z dobowych rozwiązań GNSS i PSI

19 Wyniki połączenia PSI i GNSS (1) Porównanie względnych zmian wysokości pomiędzy Borową Górą a Józefosławiem otrzymanych z tygodniowych rozwiązań GNSS i średniego rozwiązania PSI [mm] Statystyka porównania względnych zmian wysokości pomiędzy Borową Górą i Józefosławiem otrzymanych z rozwiązań GNSS i PSI [mm]

20 Wyniki połączenia PSI i GNSS (2) Porównanie zmian wysokości na stacjach permanentnych otrzymanych z tygodniowych rozwiązań GNSS i rozwiązań PSI w latach [mm]

21 Wyniki połączenia PSI i GNSS (3) Różnice pomiędzy względnymi zmianami wysokości między stacjami BOGI i JOZ2 otrzymanymi z GNSS i PSI oraz ich statystyka [mm] max-min 6.1 odch. std. 1.7 średnia Wartość średniej bliskiej zeru wskazuje na brak błędu systematycznego w różnicach wyników pomiędzy PSI i GNSS.

22 Podsumowanie i wnioski Zastosowanie wzajemnie uzupełniających się technik obserwacyjnych do monitoringu odkształceń na badanym obszarze, jakimi są GNSS i PSI może w istotny sposób zwiększyć wiarygodność interpretacji uzyskanych wyników Łączne użycie obu metod pozwala w szumie obserwacyjnym wyodrębnić bardzo niewielkie pionowe zmiany wysokości znajdujące się poniżej granicy błędu pomiarowego Analiza wyników uzyskanych z obu całkowicie niezależnych metod pomiarowych pozwala każde z nich dodatkowo uwiarygodnić Wyniki opracowania danych z Cosmo-SkyMed są obarczone błędem i podlegają ponownemu przetwarzaniu, jednak uzyskane trendy zmian wysokości są zgodne z trendami obserwowanymi na podstawie danych GNSS Wyniki opracowania archiwalnych danych Envisat o relatywnie mniejszej rozdzielczości przestrzennej i czasowej niż dane z Cosmo-SkyMed są jednak obiecujące. Należy się spodziewać, że porównanie wyników GNSS z danymi PSI o większej rozdzielczości przestrzennej i czasowej, np. dane z Cosmo-SkyMed lub Sentinel-1, pozwolą lepiej wyodrębnić sygnał zmian wysokości obserwowanych przez GNSS

23 Podziękowania Badania wykonano w ramach projektu PBS2/B2/13/2014 Zintegrowany system monitoringu deformacji podłoża gruntowego z wykorzystaniem interferometrii radarowej trwałych reflektorów DefSAR finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Programu Badań Stosowanych koordynowanego przez Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie przy udziale Instytutu Techniki Budowlanej w Warszawie Warszawskiego Przedsiębiorstwa Geodezyjnego WPG S.A.