Giáo trình Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật insar trong xác định sự thay đổi bề mặt địa hình - Nguyễn Minh Hải

Nội dung text: Giáo trình Nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật insar trong xác định sự thay đổi bề mặt địa hình - Nguyễn Minh Hải

1. T¹p chÝ KHKT Má - §Þa chÊt, sè 48, 10/2014, (Chuyªn ®Ò §o ¶nh - ViÔn th¸m), tr.20-24 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KỸ THUẬT INSAR TRONG XÁC ĐỊNH SỰ THAY ĐỔI BỀ MẶT ĐỊA HÌNH NGUYỄN MINH HẢI, TRẦN VÂN ANH, Trường Đại học Mỏ - Địa chất Tóm tắt: Trong những năm gần đây, kỹ thuật SAR giao thoa (Synthetic Aperture Radar Interferometry - InSAR) được ứng dụng ngày càng nhiều và mang lại kết quả đáng tin cậy trong đó có xác định mô hình số địa hình, xác định biến dạng bề mặt trái đất theo chiều thẳng đứng và chiều ngang. Tất cả những ứng dụng này đều dựa trên việc phân tích sự lệch pha của Radar giao thoa. Để xác định biến dạng bề mặt đất thì có thể sử dụng 2 ảnh hoặc 3 ảnh để tạo thành hai cặp giao thoa, trong đó có một cặp giao thoa địa hình còn cặp giao thoa kia có chứa địa hình và sự biến dạng địa hình. Biến dạng địa hình sẽ được xác định bằng cách loại bỏ phần giao thoa địa hình hoặc giảm nhỏ đến mức không còn đáng kể ở trên cặp giao thoa có chứa biến dạng. Bài báo nhằm giới thiệu khả năng ứng dụng kỹ thuật InSAR trong xác định lún bề mặt địa hình và minh họa kết quả thực nghiệm đạt được tại khu vực Hà Nội với ảnh TeraSAR- X đã xác định được khu vực KCN Bắc Thăng Long lún (-41mm/năm) trong khoảng thời gian 2012 đến 2013. 1. Mở đầu định biến dạng địa hình. Ở Việt Nam đã có một Trước đây, việc xác định thay đổi bề mặt địa số công trình nghiên cứu như là: “Nghiên cứu hình được thực hiện bằng việc đo thủy chuẩn và ứng dụng phương pháp INSAR vi phân trong tính toán giá trị độ cao giữa các chu kỳ quan trắc. quan trắc lún đất do khai thác nước ngầm” của Việc quan trắc như vậy chỉ thực hiện cho các Viện Địa lý năm 2008-2009; “Nghiên cứu cơ sở công trình mang tính chất cục bộ mà không xác khoa học và đề xuất giải pháp dự báo lún mặt định được sự thay đổi ở khu vực rộng lớn. Trong đất thành phố Hà Nội bằng kỹ thuật ra-đa giao những năm gần đây, Radar độ mở tổng hợp SAR thoa"; mã số: ĐTĐL.2012-T/28 của viện Địa (Synthetic Aperture Radar) được phát triển khá chất – Viện Hàn lâm và Khoa hoc Việt Nam mạnh với ưu thế cho phép thu ảnh có độ phân 2. Kỹ thuật InSAR giải cao và từ ba ảnh thu được bởi kỹ thuật SAR, Kỹ thuật InSAR là công nghệ xử lý tín hiệu có thể xác định được xác định được sự thay đổi có thể liên kết hai ảnh được ghi nhận ở hai thời bề mặt địa hình dựa trên việc sử dụng thông tin điểm khác nhau của cùng một khu vực để tạo pha của tín hiệu Radar. thành pha giao thoa. Pha giao thoa đó sẽ bao Trong trường hợp phân tích độ cao của địa gồm pha địa hình, pha tham chiếu và pha biến hình chúng ta có thể xác định đường đáy ảnh động. Vì vậy để có thể xác định được sự biến đổi chính là khoảng cách giữa hai lần ghi nhận ảnh của địa hình ta cần phải tìm cách nào đó để tách và xác định giao thoa của cặp ảnh để tính ra độ riêng pha biến động ra. Có một số phương pháp cao địa hình. Trong những trường hợp khác như để tách riêng pha biến động (hay còn gọi là pha xác định biến dạng bề mặt đất thì có thể sử dịch chuyển của địa hình) ví dụ như các phương dụng 2 ảnh hoặc 3 ảnh để tạo thành hai cặp giao pháp Two-pass, Three-pass hay Four-pass. thoa, trong đó có một cặp giao thoa địa hình còn Phương pháp Two-pass sử dụng 1 DEM và 1 cặp cặp giao thoa kia có chứa địa hình và sự biến ảnh giao thoa (thời điểm trước khi biến động và dạng địa hình. Biến dạng địa hình sẽ được xác thời điểm sau biến động), phương pháp Three- định bằng cách loại bỏ phần giao thoa địa hình pass là phương pháp sử dụng 3 ảnh ở 3 thời kỳ hoặc giảm nhỏ đến mức không còn đáng kể ở khác nhau trong đó có hai ảnh tạo thành cặp giao trên cặp giao thoa có chứa biến dạng. thoa dùng để tạo DEM, còn phương pháp Four- Trên thế giới có rất nhiều công trình khoa pass sử dụng 4 ảnh ở 4 thời điểm khác nhau. học nghiên cứu và ứng dụng ảnh Radar trong Trong phần thực nghiệm chúng tôi sử dụng việc thành lập mô hình số độ cao DEM và xác phương pháp InSAR vi phân Three-pass. 20
2. Pha địa hình sẽ nhận được bằng việc trừ hai pha giao thoa tạo được từ 3 ảnh được thu nhận tại 3 thời điểm nêu ở trên. 44  BBsin(  ) , (1) 12 II 4 4 4  B'sin(  ') r ( B ' r ) , (2) 13    II trong đó: 1 2  1  2 chứa pha địa hình và không có sự thay đổi địa hình 1 3  1  3 có chứa pha biến đổi địa hình α là góc nghiêng của đường đáy ảnh B α là góc nghiêng của đường đáy ảnh B B là hình chiếu của B trên hướng nhìn II Hình 1. Nguyên lý của phương pháp InSAR vi B'II là hình chiếu của B trên hướng nhìn phân Three-pass Δr là thành phần dịch chuyển song song với Phương pháp InSAR vi phân Three-pass lần nguồn phát radar đầu tiên được đề xuất bởi Zebker và cộng sự Nếu gọi Δ là pha thay đổi của địa hình ta (1994)[7]. Trên hình 1 S1, S2, S3 là ba thời điểm sẽ có công thức ghi nhận ảnh của vệ tinh Radar. Từ 3 ảnh ghi B'II nhận này chúng ta có thể tạo được ra 2 cặp giao  1 3  1 2 . (3) B thoa. Giả sử rằng chỉ có một cặp giao thoa bị II ảnh hưởng bởi dịch chuyển của địa hình, ví dụ Sau đó ta sẽ có được mối quan hệ giữa pha như pha 12 là pha giao thoa chỉ chứa yếu tố thay đổi  và khoảng thay đổi địa hình do vậy địa hình (bởi vì thời gian ghi nhận ảnh của hai chúng ta thu được r như sau: thời điểm này rất gần nhau), còn  là pha có    13 r  . (4) chứa sự thay đổi của địa hình. 4 2 2 Ảnh SLC 2 Ảnh SLC 1 Ảnh SLC 3 Tạo ảnh giao thoa Tạo ảnh giao thoa Lọc nhiễu Lọc nhiễu Loại bỏ pha phẳng Loại bỏ pha phẳng Giải mở pha Giải mở pha Geocoding Tạo DEM KẾT QUẢ Geocoding Hình 2. Sơ đồ quy trình xử lý kỹ thuật xác định sự thay đổi địa hình 21
3. - Hai ảnh SAR kết hợp tạo ảnh SAR giao vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' thoa để cung cấp thông tin về chiều thứ ba (độ đến 106°02' kinh độ Đông, tiếp giáp với các cao) của vật thể và đo sự dịch chuyển của vật tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc; Hà thể giữa các lần thu nhận ảnh. Nam, Hòa Bình phía Nam, Bắc Giang, Bắc - Lọc nhiễu và làm phẳng pha cho ảnh giao Ninh và Hưng Yên phía Đông; Hòa Bình cùng thoa nhằm giúp cho việc giải bài toán mở pha Phú Thọ phía Tây. dễ dàng hơn. Địa hình Hà Nội nghiêng thấp dần từ tây - Giải mở pha: khi giao thoa làm mất đi một bắc xuống phía Đông Nam, đó cũng là hướng số nguyên lần chu kỳ trong giá trị pha đo được, dốc chung của vùng sườn núi Ba Vì và Tam nên việc phục hồi chính xác số chu kỳ bị mất là Đảo. Nếu không kể vùng đồi - núi thuộc dãy vấn đề quan trọng cho các nghiên cứu về biến Tam Đảo và Ba Vì thì bề mặt Hà Nội chủ yếu là dạng, thành lập mô hình đô cao số, thành lập địa hình vùng đồng bằng thấp, trong đó khu vực bản đồ địa hình độ chính xác phụ thuộc vào trung tâm thành phố có địa hình khá thấp. phương pháp giải bài toán mở pha. 3.2. Kết quả 3. Kết quả thực nghiệm Ba ảnh được chụp vào ngày 10/04/2012, 3.1. Giới thiệu về khu vực nghiên cứu 26/06/2012 và 30/04/2013 của vệ tinh TeraSAR- Nằm chếch về phía tây bắc của trung tâm X của Đức (2007) được lựa chọn đưa vào xử lý vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, Hà Nội có bằng phần mềm SARscape 4.3. -41mm +30mm Hình 3. Kết quả xác định sự thay đổi bề mặt địa hình Một số khu vực có màu đen, không có giá trị do khu vực đó bị mất tương quan giữa các ảnh, còn một số khu vực tương quan tốt chỉ ra kết quả thực nghiệm khu vực Hà Nội có sự thay đổi bề mặt địa hình tương đối nhỏ, ví dụ lún (-41mm/năm) của khu vực KCN Bắc Thăng Long (hình 4) trong khoảng thời gian 2012 đến 2013. 22
4. KCN Bắc Thăng Long Hình 4. Xuất vị trí có sự thay đổi bề mặt địa hình sang Google Earth Hình 5. Khu đô thị Đồng Tàu lún 14 mm năm 2012- 2013 Trong quá trình tiến hành thực nghiệm Các công trình nghiên cứu trước đây tại khu nhóm nghiên cứu có kết hợp kết quả nghiên cứu vực thực nghiệm chủ yếu sử dụng tư liệu ảnh lún khu vực Hà Nội giai đoạn 2007- 2011 của Radar của vệ tinh ALOS PALSAR [5] và nghiên cứu sinh Đặng Vũ Khắc. Kết quả tìm ra ENVISAT đã cho thấy ưu điểm của kỹ thuật cho thấy những vị trí lún trên khu vực Hà Nội InSAR trong xác định biến dạng bề mặt địa năm 2012- 2013 tương đối giống với dự đoán hình. Từ kết quả nghiên cứu trong phần thực mà nghiên cứu sinh Đặng Vũ Khắc đưa ra trong nghiệm thấy rằng có thể sử dụng ảnh Radar nghiên cứu của mình. kênh X cho việc xác định biến dạng bề mặt địa hình. 23
5. Kênh X với bước sóng từ 2,4- 3,8 cm trong Application to an Antartic ice stream, Science, kỹ thuật InSAR thì cho mức độ chi tiết về địa 262, 1525-1530. hình cao hơn so với những ảnh ở bước sóng dài [3]. Goldhirsh, J., and J.R. Rowland, 1982. A nhưng chúng lại rất dễ bị mất tương quan giữa tutorial assessment of atmospheric height các ảnh, do đó cần phải lựa chọn các cặp ảnh uncertainties for heigh-precision satellite gần giống nhau về các điều kiện (khí quyển, altimeter mission to monitor ocean currents, thời gian, ). IEEE Trans, Geosci. Remote sens, GE-20(4), 4. Kết luận 418-433. Kỹ thuật InSAR đã mở ra khả năng quan [4]. Lee, J. S., Hoppel, K. W., Mango, S. A. and trọng cho việc xác định thay đổi bề mặt địa Miller, A. R., 1994. Intensity and phase hình. Kết quả ban đầu thu được sau xử lý cho statistics of multilook polarimetric and thấy có thể sử dụng ảnh Radar kênh X. Tuy interferometric SAR imagery, IEEE nhiên, sự thành công của kỹ thuật phụ thuộc Transactions on Aerospace and Electronic vào nhiều yếu tố khác như bộ cảm SAR, đường System, 32(5), pp. 1017-1028. đáy, sự tương quan, lời giải bài toán mở pha [5]. Tran. V. A, Shinji. M, Venkatesh. R and Bài báo đã chỉ ra kết quả thực nghiệm khu vực Kiyoji. S, 2007. Spatial Distribution of Hà Nội có sự thay đổi bề mặt địa hình tương đối subsidence in Hanoi detected by JERS-1 SAR nhỏ, ví dụ lún (-41mm/năm) của khu vực KCN Interferometry. Geoinformatics, vol.18. no.1, pp Bắc Thăng Long trong khoảng thời gian 2012 3-13. đến 2013, những kết quả đạt được hy vọng góp [6]. Zebker, H.A., Rosen, P.A. and Hensley, S., phần đáng cho các cơ quan quản lý và các tổ 1997. Atmospheric effects in interferometric chức xã hội. synthetic aperture radar surface deformation and topographic maps, Journal of Geophysical TÀI LIỆU THAM KHẢO Research, 102(B4), pp.7547-7563. [7] Zebker, H. A., Rosen, P. A., Goldstein, R. [1]. Ahrens, C. D., 1994. Meteorology Today, 5th M., Gabriel, A. and Werner, C. L., 1994. On the ed., West Publ., Minneapolis/St.Paul, Minn. derivation of coseismic displacement fields [2]. Goldstein, R. M, H. Engelhardt, B. Kamb, using differential radar interferometry: The and R. M. Frolieh, 1993. Satellite radar Landers earthquake, Journal of Geophysical interferometry for monitoring ice sheet motion, Research, 99(B), pp.19617-1963. SUMMARY Research application of the InSAR technology for determining changes in surface topography Nguyen Minh Hai, Tran Van Anh, Hanoi University of Mining and Geology In recent years, the Synthetic Aperture Radar Interferometry (InSAR) is widely applied and it provides reliable results for determining Digital Elevation Model, and vertical and horizontal land deformation. All these applications are based on the analysis of the phase difference between two pairs of Radar interferometry. To determine the surface deformation, we can use 2 or 3 photo images to form two pairs of interference, including a pair for determining interference topography while the another pair for determining interferometer containing topography and topography deformation. Topography deformation will be determined by removing the interference pattern topography or minimized to the extent not substantially interfering in the pair contains deformation. This paper introduces InSAR technique in determining surface subsidence and experimental result in Hanoi city with TeraSAR-X images has identified areas of North Thang Long Industrial subsidence (-41mm/ year) during the period 2012 to 2013. 24