Interferometria Diferencial com dados SAR: princípios básicos e aplicações em geociências.

Autores

¹Negrão, P.; ²Gerente, J.; ³Gama, F.F.; ⁴Mura, J.C.

¹INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE) Email: priscila.negrao@inpe.br
²INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE) Email: jessica.gerente@inpe.br
³INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE) Email: fabio@dpi.inpe.br
⁴INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS (INPE) Email: mura@dpi.inpe.br

Resumo

A interferometria com dados de radar de abertura sintética (Interferometry Synthetic Aperture Radar - InSAR) é a técnica baseada na diferença de fase entre pixels homólogos de duas imagens SAR adquiridas com diferentes geometrias e/ou em instantes distintos. Para a aquisição dessas imagens, duas antenas podem ser transportadas na mesma plataforma ou uma única antena pode sobrevoar duas vezes a mesma área. O princípio básico da InSAR foi demonstrado na década de 1970, e atualmente essa técnica é disseminada pela geração de modelos digitais de elevação globais SRTM e TanDEM-X. Derivada da InSAR, a interferometria diferencial SAR (DInSAR) permite a detecção de deslocamentos ocorridos na superfície entre as aquisições das imagens com precisão centimétrica e até milimétrica. Sendo assim, é necessário que as imagens sejam adquiridas em instantes distintos para a realização da DInSAR. A DInSAR proporciona uma visão abrangente do fenômeno da deformação e por isso tem sido amplamente aplicada em estudos de sismologia, vulcanologia, glaciologia, deslizamentos de terra e outros estudos geotécnicos e geofísicos de fenômenos que ocorrem em largas escalas. Devido à acurácia obtida com a DInSAR, essa técnica se tornou uma ferramenta de monitoramento quantitativo, e não apenas qualitativo e, dependendo da aplicação, é uma alternativa aos métodos topográficos e geodésicos clássicos. Tendo em vista sua alta empregabilidade nas geociências, o objetivo deste trabalho é apresentar uma revisão dos princípios básicos envolvidos na técnica, a disponibilidade de imagens para a sua realização e alguns exemplos de trabalhos desenvolvidos. A DInSAR apresenta limitações que se dão essencialmente pelas descorrelações temporal e geométrica e heterogeneidades atmosféricas. A descorrelação temporal torna as medidas interferométricas impraticáveis em áreas de vegetação ou em áreas compostas por alvos cujas propriedades elétricas ou cujas posições se alteram com o tempo. A descorrelação geométrica limita o número de pares de imagens adequados para interferometria e impede a total exploração do conjunto de dados disponíveis. A heterogeneidade atmosférica em cada aquisição pode comprometer a acurácia do monitoramento da deformação. Os primeiros resultados da técnica em sua forma padrão, isto é, com apenas um par de imagens SAR para a detecção de deslocamentos, foram apresentados no final da década de 1980. Com o lançamento do satélite ERS-1 da Agência Espacial Europeia (ESA) em 1991, uma grande quantidade de dados SAR adequados para interferometria se tornou disponível, o que permitiu o desenvolvimento das técnicas avançadas com utilização de séries temporais de dados SAR. As técnicas avançadas de interferometria diferencial (A-DInSAR) representam um progresso em relação às técnicas simples de DInSAR, tanto em termos de capacidade de modelagem da deformação quanto em termos de qualidade das estimativas. A melhora na qualidade das estimativas ocorre pela sua capacidade de minimizar as limitações da DInSAR. Diversas abordagens foram desenvolvidas para a realização da A-DInSAR podendo elas divergir em termos de critério de seleção de pixel de baixo nível de ruído, configurações de linhas de base e modelos de deformação. Dentre essas abordagens destaca-se a denominada PSI (Persistent Scatterers Interferometry), que seleciona pixels com amplitudes constantes ao longo do tempo, isto é, seleciona alvos cujas propriedades pouco variam com o tempo e com a geometria de aquisição das imagens. Esses alvos são denominados espalhadores persistentes. Há várias missões ativas de satélites com sensores SAR que fornecem dados para interferometria. Os quatro satélites Cosmo Sky-Med e o satélite TerraSAR-X possuem sensores que operam na banda X, de comprimento de onda de 3,1cm. Operando na banda C, de comprimento de onda de 5,6cm, há a constelação de dois satélites Sentinel-1 e o satélite Radarsat-2. Já operando na banda L, de 23,6cm de comprimento de onda, tem-se o ALOS PALSAR-2. Além dos dados provenientes dessas missões espaciais ativas, é possível também realizar a técnica A-DINSAR com dados de SAR aerotransportados, no entanto, para trabalhos em larga escala e com alta amostragem do fenômeno da deformação o custo é elevado. As aplicações das técnicas DInSAR e A-DInSAR são variadas, como monitoramentos de movimentações em ambientes de mineração, deformações vulcânicas e causadas por terremotos, subsidência em cidades populosas devido à retirada de água subterrânea, entre outras. As aplicações exploram as principais vantagens da técnica que são: cobertura espacial de áreas extensas (por exemplo, 100x100km); alta sensibilidade a pequenas deformações; capacidade de medir deformações passadas a partir de séries históricas de imagens SAR; redução na quantidade de observações terrestres, o que simplifica as operações logísticas, o tempo e os custos operacionais; e a possibilidade de trabalhar com os dados gratuitos dos satélites Sentinel-1. Diversos trabalhos foram e estão sendo desenvolvidos utilizando DInSAR e A-DInSAR, tanto no Brasil como em outros países. No Brasil, pesquisadores do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) e colaboradores realizaram diversos trabalhos utilizando séries temporais de imagens TerraSAR-X para detecção de deslocamentos em minas de ferro e manganês a céu aberto na Província Mineral de Carajás. Por fim, percebe-se que os avanços significativos das técnicas A-DINSAR que ocorreram na última década e o lançamento de satélites SAR com tempos de revisita cada vez menores e de alta resolução, bem como acesso a dados gratuitos SAR (Sentinel 1A e 1B) permitirá ter um leque cada vez maior de aplicações da DInSAR. Fatores como alta precisão, curto período de tempo para obtenção da informação, a não necessidade de trabalhos de campo e a possibilidade de trabalhar com grandes extensões de áreas (e não pontualmente) tornam positivos e cada vez mais atrativos o uso destas técnicas para aplicações em geociências.

Keywords

DInSAR; Geociências; Monitoramento

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