Método para monitorizar desplazamientos de terreno y de elementos creados por el hombre usando datos de radar de apertura sintética terrestre (GBSAR).

Un método para monitorizar desplazamientos de terreno y de elementos creados por el hombre que comprende preprocesar conjuntos de imágenes SAR complejas adquiridas en una primera campaña y en una campaña posterior por medio de un instrumento GBSAR para obtener una imagen SAR media incoherente para cada campaña;seleccionar, en cada una de las imágenes SAR medias incoherentes, píxeles que son representativos de objetivos respectivamente en cada uno de dichos conjuntos de datos de imágenes SAR, seleccionándose dichos objetivos de reflectores angulares artificiales, si los ha desplegados en el área de interés, y reflectores naturales en el área de interés;realizar una correlación global de imágenes sobre los píxeles seleccionados para obtener un conjunto de pares de desviaciones globales expresadas en píxeles y seleccionar una pluralidad de pares de desviaciones globales con puntuación de calidad;estimar efectos de reposicionamiento GBSAR obteniendo una máscara que comprende píxeles de área estable correspondientes a áreas estables en el área de interés, calculando un subconjunto de desviaciones globales que entran en la máscara, estimando una transformación de corregistro basándose en el subconjunto de desviaciones globales, y produciendo un conjunto de parámetros de corregistro que modela los efectos de reposicionamiento GBSAR;estimar pares de desplazamientos para cada campaña extrayendo los efectos de reposicionamiento GBSAR modelados por los parámetros de corregistro del conjunto de pares de desviaciones globales, obteniendo de este modo una pluralidad de pares de desviaciones de desplazamientos expresadas en píxeles que, convirtiendo las desviaciones de desplazamiento expresadas en píxeles en desplazamientos expresados en una unidad de desplazamiento, y obteniendo un conjunto de pares de desplazamientos estimados definidos en un espacio de objeto mediante geocodificación que implica una transformación imagen a objeto

Método para monitorizar desplazamientos de terreno y de elementos creados por el hombre usando datos de radar de apertura sintética terrestre (GBSAR).

Campo técnico de la invención

La presente invención se enmarca en el campo técnico de la monitorización de desplazamientos de terreno y de elementos creados por el hombre en áreas de interés y, en particular, en el campo de métodos de monitorización que hacen uso de datos de radar de apertura sintética terrestre (GBSAR).

Antecedentes de la invención

Un radar de apertura sintética terrestre (GBSAR) es un sensor de adquisición de microondas activo que proporciona su propia iluminación y mide la señal reflejada por objetivos. En este contexto los objetivos son, normalmente, el terreno, los elementos creados por el hombre y cualquier otro elemento que forme parte de la escena observada. Al proporcionar su propia iluminación permite la adquisición de datos de día y de noche, independientemente de la luz natural. El radar de apertura sintética (SAR) es en la actualidad una técnica relativamente madura, con numerosos sistemas operativos a borde de satélites y aeronaves. En la última década, la técnica SAR se ha implementado en plataformas terrestres o con base en tierra, ofreciendo herramientas de monitorización de desplazamiento flexibles que pueden iluminar un área de interés desde un punto de vista óptimo y adquieren imágenes con una frecuencia temporal no correlacionada.

A diferencia de otros instrumentos de medición de deformación terrestres, el GBSAR es un sistema de formación de imágenes (es decir que genera imágenes) que permite cubrir, de manera continua, la superficie observada hasta extensiones de aproximadamente 1 km² desde una única posición de medición. La técnica GBSAR se ha usado en una amplia gama de aplicaciones de monitorización: monitorización de deslizamiento de tierras, monitorización de glaciares, predicción de avalanchas, monitorización frontal de volcanes, monitorización de presas y monitorización de subsidencias. El uso de esta técnica para estas aplicaciones se ha descrito en diferentes documentos, véase por ejemplo Bernardini, G., Pasquale, G., Bicci, A., Marra, M., Coppi, F., y Ricci, P. (2007): "Microwave interferometer for ambient vibration measurement on civil engineering structures: 1. principies of the radar technique and laboratory tests", en Proc. Experimental Vibración Analysis for Civil Engineering Structures (EVACES'07); D. Tarchi, H. Rudolf, G. Luzi, L. Chiarantini, P. Coppo, y A. J. Sieber (1999): "SAR interferometry for structural changes detection: A demonstration test on a dam", en Proc. IGARSS 1999, págs. 1522-1524; M. Pieraccini, D. Tarchi, H. Rudolf, D. Leva, G. Luzi, y C. Atzeni (2000): "Interferometric radar for remote monitoring of building deformations" en Electron. Lett., vol. 36, n.º 6, págs. 569-570, marzo de 2000; M. Pieraccini, D. Mecatti, L. Noferini, G. Luzi, G. Franchioni, y C. Atzeni (2002): "SAR interferometry for detecting the effects of earthquakes on buildings" en NDT Int., vol. 35, págs. 615-625, agosto de 2002; D. Leva, G. Nico, D. Tarchi, J. Fortuny, y A. J. Sieber (2003): "Temporal analysis of a landslide by means of a ground-based SAR interferometer", en IEEE Trans. Geosci. Remote Sens., vol. 41, n.º 4, págs. 745-752, abril de 2003; y M. Pieraccini, N. Casagli, G. Luzi, D. Tarchi, D. Mecatti, L. Noferini, y C. Atzeni (2002): "Landslide monitorization by ground-based radar interferometry: Afield test in Valdarno (Italia)", en Int. J. Remote Sens., vol. 24, n.º 6, págs. 1385-1391, septiembre de 2002.

El método habitualmente empleado para estimar desplazamientos a partir de datos GBSAR ha sido la interferometría SAR que requiere dos componentes fundamentales. En primer lugar, necesita un sensor GBSAR coherente, que mide tanto la fase como la amplitud de la señal SAR. En segundo lugar, necesita adquisiciones SAR repetidas de la misma escena a lo largo del tiempo, empezando, al menos, por dos adquisiciones. Los eventuales desplazamientos de la escena observada entre dos adquisiciones SAR separadas en el tiempo se derivan calculando y analizando la fase interferométrica, que viene dada, en píxeles, por la diferencia entre la fase SAR adquirida en la primera campaña, menos la fase SAR de la segunda campaña. La principal ventaja de este enfoque es su alta sensibilidad a pequeños desplazamientos, que pueden medirse con una precisión que es una fracción de la longitud de onda SAR usada. Teniendo en cuenta que los sistemas GBSAR funcionan a longitudes de onda en la región de 1-5 cm, esto implica, para objetivos que son buenos dispersores, que puede conseguirse habitualmente una precisión de desplazamiento de submilímetros.

La condición sine qua non para usar la interferometría SAR es que un número suficiente de objetivos se mantengan coherentes durante el periodo de observación, que puede ser de varios meses o años, especialmente para fenómenos de deformación muy lentos. La primera limitación de la interferometría SAR viene dada por la pérdida de coherencia que los datos SAR pueden experimentar a lo largo del tiempo. Esto puede ser particularmente grave en áreas con vegetación y boscosas, y en escenas que cambian continuamente a lo largo del tiempo.

Una segunda limitación crítica es el solapamiento (aliasing). Debido a la naturaleza ambigua de las mediciones de fase interferométricas, el desplazamiento sufrido por una escena dada sólo puede estimarse correctamente, es decir sin ambigüedad, si satisfacen esta condición: los desplazamientos relativos que se producen realmente entre objetivos coherentes adyacentes provocan una diferencia de fase interferométrica de hasta medio ciclo de fase. En términos de desplazamientos esta condición impone un límite muy restrictivo que oscila desde aproximadamente 5 mm en la banda Ku hasta aproximadamente 15 mm en la banda C. Desde un punto de vista operativo, el riesgo de derivar estimaciones de desplazamiento ambiguas representa una limitación muy grave de la técnica.

Una tercera limitación se refiere a la componente atmosférica de la fase interferométrica, que está provocado por heterogeneidades, en el momento de las adquisiciones de imágenes SAR, en la atmósfera entre el sensor y el objetivo. La componente atmosférica puede degradar la calidad de la estimación de desplazamiento. En el peor de los casos, cuando fuertes señales atmosféricas están asociadas con objetivos coherentes dispersos espacialmente, puede provocar la estimación con ambigüedad de fase (esta operación se denomina desenvolvimiento de fase).

Finalmente, una cuarta limitación se debe a la naturaleza monodimensional de las mediciones interferométricas GBSAR, que son a lo largo de la línea de visión (LOS) del radar. De las tres posibles componentes de un desplazamiento en 3D genérico, la interferometría GBSAR sólo puede proporcionar una componente de desplazamiento, la componente LOS.

Descripción de la invención

La presente invención pretende proporcionar mejoras con respecto a las limitaciones anteriormente mencionada de la técnica anterior proporcionando un método para la monitorización de desplazamientos de terreno y de elementos creados por el hombre usando datos de radar de apertura sintética terrestre. El método comprende estimar desplazamientos de objetivos ubicados en un área de interés que han tenido lugar entre una primera campaña y al menos una campaña posterior por medio de una comparación de un primer conjunto de datos de imágenes GBSAR adquiridas en la primera campaña en el área de interés con un conjunto posterior de datos de imágenes GBSAR adquiridas en la campaña posterior, originándose dichos datos de imágenes SAR a partir de imágenes SAR complejas obtenidas respectivamente en dichas campañas por medio de un instrumento GBSAR situado en una posición según parámetros de sensores que comprenden la posición y la orientación del instrumento GBSAR e iluminando dicha área de interés y una pluralidad de objetivos presentes en dicha área de interés, comprendiendo además el método

someter un primer conjunto de imágenes SAR complejas de calidad comprobada que se originan a partir de un primer conjunto de imágenes SAR complejas adquiridas en dicha primera campaña, a un preprocesamiento de datos mediante promediado temporal incoherente para obtener una primera imagen SAR media incoherente, y someter un segundo conjunto de imágenes SAR complejas de calidad comprobada que se originan a partir de un segundo conjunto de imágenes SAR complejas adquiridas en dicha campaña posterior, a preprocesamiento de datos... [Seguir leyendo]

1. Un método para monitorizar electrónicamente desplazamientos de terreno y de elementos creados por el hombre usando datos de radar de apertura sintética terrestre, comprendiendo el método estimar desplazamientos de objetivos ubicados en un área de interés que han tenido lugar entre al menos una primera campaña y al menos una campaña posterior por medio de una comparación de un primer conjunto de datos de imágenes SAR adquiridos en la primera campaña en el área de interés con un conjunto posterior de datos de imágenes GBSAR adquiridos en la campaña posterior en el área de interés, originándose dichos datos de imágenes SAR a partir de imágenes SAR complejas obtenidas respectivamente en dichas campañas por medio de un instrumento GBSAR situado en una posición según parámetros de sensores que comprenden la posición y la orientación del instrumento GBSAR e iluminando dicha área de interés y una pluralidad de objetivos presentes en dicha área de interés, caracterizado porque el método comprende

someter un primer conjunto de imágenes SAR complejas de calidad comprobada que se originan a partir de un primer conjunto de imágenes SAR complejas adquiridas en dicha primera campaña, a un preprocesamiento de datos mediante promediado temporal incoherente para obtener una primera imagen SAR media incoherente, y someter un segundo conjunto de imágenes SAR complejas de calidad comprobada que se originan a partir de un segundo conjunto de imágenes SAR complejas adquiridas en dicha campaña posterior, a preprocesamiento de datos mediante promediado temporal incoherente para obtener una segunda imagen SAR media incoherente;

seleccionar, en la primera imagen SAR media incoherente, primeros píxeles que son representativos de dichos objetivos en dicho primer conjunto de datos de imágenes SAR adquiridas en la primera campaña, y seleccionar, en la segunda imagen SAR media incoherente, segundos píxeles que son representativos de dichos objetivos en dicho segundo conjunto de datos de imágenes SAR adquiridas en la segunda campaña, seleccionándose dichos objetivos a partir de reflectores angulares artificiales, si los ha desplegados, y reflectores naturales en el área de interés;

realizar una correlación global de imágenes por los píxeles seleccionados para obtener un conjunto de pares de desviaciones globales expresadas en píxeles y que son representativas de una desviación de imagen necesaria para hacer coincidir un píxel dado de dicha primera imagen SAR con un píxel homólogo de dicha segunda imagen SAR, y seleccionar una pluralidad de pares de desviaciones globales con puntuación de calidad entre los pares de desviaciones globales, aplicando una puntuación de correlación que mide la calidad de la correlación de las imágenes SAR medias incoherentes;

estimar efectos de reposicionamiento GBSAR debidos a diferencias entre la posición y la orientación del instrumento GBSAR en dicha primera campaña y en dicha segunda campaña, obteniendo una máscara que comprende píxeles de área estable correspondientes a áreas estables en el área de interés, calculando un subconjunto de desviaciones globales que entran en la máscara, estimando una transformación de corregistro de dichos subconjuntos de desviaciones globales, y produciendo un conjunto de parámetros de corregistro que modela los efectos de reposicionamiento GBSAR;

estimar pares de desplazamientos para dicha primera campaña y dicha campaña posterior extrayendo los efectos de reposicionamiento GBSAR modelados por los parámetros de corregistro del conjunto de pares de desviaciones globales, obteniendo de este modo una pluralidad de pares de desviaciones de desplazamientos expresadas en píxeles que se refieren a desplazamientos con respecto a la totalidad de los píxeles de área estable, convirtiendo las desviaciones de desplazamiento expresadas en píxeles en desplazamientos expresados en una unidad de desplazamiento, y obteniendo un conjunto de pares de desplazamientos estimados definidos en un espacio de objeto mediante geocodificación, que implica una transformación imagen a objeto.

2. Un método según la reivindicación 1, caracterizado porque las imágenes SAR complejas de calidad comprobada se obtienen sometiendo cada imagen SAR compleja a una comprobación de calidad y descargando las imágenes con problemas.

3. Un método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el promediado temporal incoherente comprende someter cada imagen con calidad comprobada a un filtrado temporal para mejorar imágenes de amplitud SAR reduciendo los efectos de moteado.

4. Un método según la reivindicación 1, 2 ó 3, caracterizado porque dichos reflectores naturales se seleccionan de rocas, estructuras creadas por el hombre, estructuras metálicas y combinaciones de las mismas que están al descubierto.

5. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque dichos primeros píxeles y dichos segundos píxeles se seleccionan tomando los píxeles que tienen un valor de amplitud por encima de un valor umbral dado.

6. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la correlación global de imágenes se lleva a cabo sobre la amplitud de los píxeles seleccionados.

7. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la puntuación de correlación que mide la calidad de la correlación es un coeficiente de relación cruzada o un sigma cero de correlación de mínimos cuadrados.

8. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicha máscara que comprende píxeles de área estable se obtiene recopilando información externa sobre las áreas estables en un espacio de objeto, y mapeando dicha información externa en el espacio de imagen SAR teniendo en cuenta dichos parámetros de sensores.

9. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque dicha máscara que comprende píxeles de área estable se obtiene analizando dichos pares de desviaciones globales obtenidas después de realizar la formación de imágenes global.

10. Un método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende una estimación de una serie de tiempos de desplazamiento mediante

la obtención de un conjunto de pares de desplazamientos estimados para cada par de campañas que van a analizarse, e identificar un conjunto común de desplazamientos estimados llevando a cabo una intersección de todo el conjunto de desplazamientos estimados, obteniendo de este modo un subconjunto de desplazamientos estimados para cada par de campañas;

el cálculo de la serie de tiempos de desplazamiento mediante integración directa de los subconjuntos de desplazamiento estimado y definiendo la serie de tiempos de desplazamiento en un espacio de objeto.

11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque comprende una estimación de una serie de tiempos de desplazamiento mediante

la obtención de un conjunto de pares de desplazamientos estimados para cada par de campañas que van a analizarse, e identificar un conjunto común de desplazamientos estimados llevando a cabo una intersección de todo el conjunto de desplazamientos estimados, obteniendo de este modo un subconjunto de desplazamientos estimados para cada par de campañas;

estimar la serie de tiempos de desplazamiento por medio de un procedimiento de estimación de mínimos cuadrados, rechazando resultados atípicos en el subconjunto de pares de desplazamientos estimados;

definir la serie de tiempos de desplazamiento en un espacio de objeto.

12. Un método según la reivindicación 11, caracterizado porque la estimación de la serie de tiempos de desplazamiento se lleva a cabo de manera iterativa.