Gepubliceerd op 12 mei 2023
Het doel van het STEREO III-project ECTIC was het evalueren van ICEYE-beelden, met name gericht op hun vermogen om informatie te verschaffen voor twee belangrijke toepassingen:
- de detectie van hoogteveranderingen voor de monitoring van lavameren aan de hand van tijdreeksen, met de nadruk op de Nyiragongo-vulkaan in Oost-Congo in de Democratische Republiek Congo (DRC);
- de waarneming, door het meten van de spectrale coherentie, van veranderingen in het milieu zoals de ontbossing in de Goma-regio en veranderingen van antropogene oorsprong zoals het volgen van schepen op het Kivumeer
ICEYE is een Finse constellatie in een lage baan om de aarde (LEO) van meer dan 20 kleine SAR-satellieten (Synthetic Aperture radar), die werken in de X-band (~3 cm golflengte) en ontworpen zijn voor het observeren van de aarde met een fijne resolutie.
ESA heeft een ICEYE-gegevensquotum toegekend voor de uitvoering van dit project. In het kader van de eerste aanvraag werden zeven beelden bestudeerd: vijf beelden met hoge resolutie (1 meter resolutie, "Spotlight" acquisitiemodus) van de Nyiragongo krater en twee beelden met een resolutie van 3 meter ("Stripmap" acquisitiemodus) van het Goma gebied, genomen met een 1-jaar interval voor de analyse van spectrale coherentie.
Indicator van vulkanische activiteit
De eerste toepassing, de opsporing van variaties in de hoogte van het lavameer, gebeurt door het meten van de waargenomen veranderingen in de schaduwen die worden geworpen door de verticale structuren van de krater, door het hanteren van amplitudebeelden waarmee hoogteveranderingen kunnen worden opgespoord.
Veranderingen in het niveau van het lavameer zijn indicatoren van de vulkanische activiteit, die samen met andere gecontroleerde indicatoren worden gebruikt. Hun metingen worden gebruikt om drukveranderingen in het magmatische systeem van de vulkaan te detecteren. Tijdens periodes van hoge activiteit loopt het lavameer over, waardoor de subhorizontale kraterbodem wordt bedekt met een nieuwe lava-laag en de kraterdiepte na stolling dus korter wordt.
Het projectteam, samengesteld uit leden van het Centre spatial de Liège en het European Center for Geodynamics and Seismology (Luxemburg), testte de detectie van hoogteveranderingen op het lavameer van de Nyiragongo vulkaan in de Virunga vulkanische provincie van de DRC.
Metingen van het lavameerniveau worden uitgevoerd door de lengte van de SAR-schaduw te evalueren die wordt geworpen door de subverticale rand rond de krater. Het niveau van het lavameer wordt dan berekend met behulp van een eenvoudige trigonometrische berekening op basis van die schaduwlengte. Deze techniek werd reeds met succes toegepast op basis van beelden van CosmoSkyMed- en Radarsat-satellieten en wordt nu gebruikt voor routinebewaking met Sentinel-1.
Nyiragongo-krater en lavameer – Resultaten van de analyse van 7 ICEYE-beelden die voor, tijdens en na de uitbarsting van de vulkaan Nyiragongo (DRCongo) van mei 2021 zijn verkregen, gezamenlijk geanalyseerd met 41 beelden van andere SAR-sensoren.
Het team kon aantonen dat ICEYE-beelden vergelijkbare metingen van kraterdiepte en -diameter opleveren als die verkregen met andere sensoren. Alle resultaten die werden verkregen met ICEYE-metingen tijdens pre-eruptieve, eruptie- en post-eruptieve fasen (opnames tussen december 2019 en mei 2021) bevestigden wat reeds werd waargenomen met de andere soorten beschikbare SAR-satellietgegevens (meer dan 40 ALOS2-, CSK-, Capella-, RCM-, SAOCOM-, Sentinel-1- en TerraSAR-X-beelden). De submetrische resolutie die de nieuwe ICEYE Spotlight-gegevens bieden, maakt het nu echter mogelijk geomorfologische kenmerken met een betere resolutie in beeld te brengen. De ICEYE-metingen werden vervolgens geïntegreerd in de bestaande tijdreeksen die van andere sensoren werden verkregen.
Schepen en ontbossing opvolgen
De tweede toepassing was het toepassen van de interferometrische verwerking die door de projectpartners werd ontwikkeld (en reeds is aangepast aan de verwerking van beelden van vele sensoren) op beeldenparen die in een kort tijdsinterval zijn genomen. Het team heeft de verwerking eerst getest op beelden die vrij beschikbaar zijn op de ICEYE-website. De verwerking van een paar hoge-resolutie (Spotlight) opnames van de Rotterdamse haven, met een grondmonster van 2x2 meter (zie hieronder), toonde aan dat de ICEYE-data goed verwerkt werden tijdens het project door de beeldverwerker op maat gemaakt door het team.
HSV-kleurstelling van interferogram (H), coherentie (S) en amplitudebeeld (V) van de ICEYE InSAR-dataset van de Rotterdamse haven.
Vervolgens genereerde het team interferometrische producten van een set van 4 beelden die boven het Amazoneregenwoud in Brazilië waren verkregen, waardoor ontboste gebieden konden worden gemarkeerd (zie onderstaande afbeelding).
Brazilië, Amazonewoud: HSV-kleurcompositie van gegeoprojecteerde coherentie, interferogram en amplitude van ICEYE-paar 20210727 - 20210729 met heldere waarden in ontboste gebieden en gekleurde randen waar de coherentie voldoende behouden blijft. Tint (H): interferogram; Verzadiging (S): coherentiekanaal vermenigvuldigd met de inverse van de amplitude; Waarde (V): inverse van de amplitude.
Tot slot: de resultaten voor vaartuigdetectie met de door ESA toegekende gegevens (verworven in maart 2020 en mei 2021) waren minder overtuigend. Zoals blijkt uit onderstaande figuur, maakt de ruis op sommige beelden de detectie van schepen op het Kivumeer zeer ingewikkeld.
ICEYE-beeld van 2 maart 2020. Links: Spectraal coherentiekanaal met een splitsingsschema van 21 subbanden van elk 30 MHz bandbreedte, met gedetecteerde doelen binnen rode cirkels; Rechts: Amplitudebeeld met rode cirkels die de bijbehorende doellocaties tonen. Gele gestippelde cirkels geven vaten aan die vaag zichtbaar zijn in het amplitudebeeld, maar duidelijk worden gedetecteerd in het spectrale coherentiekanaal.
Het ECTIC-project heeft aangetoond dat ICEYE-beelden aanzienlijke voordelen bieden, zoals een hoge resolutie en verschillende waarnemingsgeometrieën. Het gebruik ervan is doeltreffend gebleken bij het meten van hoogteverschillen in lavameren en bij het markeren van ontboste gebieden. Voor het volgen van schepen hebben alleen vergelijkingen tussen beelden die in dezelfde waarnemingsgeometrie zijn verkregen, veranderingen aan het licht gebracht. Daarom is het belangrijk tijdreeksen te maken van beelden die in dezelfde kijkgeometrie zijn verkregen bij monitoring doorheen de tijd.
Meer informatie
STEREO-project ECTIC (Environmental change tracking using ICEYE constellation)
Voor meer informatie over de CSL InSAR Suite kunt u contact opnemen met de auteurs van het project, Anne Orban en Dominique Derauw.