Measuring long-term and constant rate ground motion by satellite radar interferometry: Avcılar case

Uzun sürede ve sabit hızda oluşan yer hareketlerinin uydu radar interferometrisiyle ölçülmesi: Avcılar örneği

Abstract

Radar interferometry (InSAR) is a technique that calculates the phase difference between two radar images acquired by slightly different viewing geometries (Massonnet and Feigl, 1998; Hanssen, 2001; Madsen and Zebker, 1998; Burgmann et al., 2000; Rosen et al., 2000; Gens and van Genderen, 1996). The resultant interference pattern is called an “interferogram”. If certain conditions are met, the phase differences form spatially coherent fringes. Each fringe represents a difference of one cycle of the two-way travel time between the radar aboard the satellite and the target on the ground. Interpreted in units of distance, each fringe represents half the radar wavelength in change of distance, or 28 mm for C-band radars aboard ERS and ENVISAT satellites. While conventional InSAR has been proven to be a very effective technique to measure ground motion, its applicability is limited mainly by radar signal correlation and atmospheric effects. Therefore, to measure slow ground motion occurring over long times requires a challenging effort if conventional InSAR techniques are to be used. If one of the scatterers contributing to the pixel is much more stable than the others, then its contribution to the phase and amplitude measurements will dominate those from the other scatterers. If we can identify these pixels represented by a single strong scattarer, then we can simplify the process of interpreting the interferograms. These persistent scatterers (hence called “PS pixels”) are more reliable because they are less susceptible to all processes causing decorrelation. Accordingly, they have less noise then other pixels. Once the data set has been reduced in size by several orders of magnitude by selecting only the reliable PS pixels in the interferograms, the subsequent interpretation and analysis involving unwrapping and modeling are considerably simpler. Several approaches have been proposed for identifying PS pixels since 2000 (e.g. Hanssen and Usai, 1997; Ferretti et al., 2000, 2001; Colesanti et al., 2003a, 2003b; Lyons and Sandwell, 2003; Hooper et al., 2004; Hooper, 2006). In this study, we establish a radar data selection and processing flow for measuring slow ground motion occuring over long times. We combine different methodologies in raw radar data processing and post-processing. All the steps presented in the study are repeatable and applicable to ERS SAR data for measuring slow motion deformation. We use the entire radar data set of ERS-1 and ERS-2 satellites for the data frame titled as Track 336 and Frame 2783 (T336/F2783). This frame covers all Istanbul metropolitan area and contains 48 epochs between 1992 and 2000. For the deformation analysis, we choose a data frame of 4x5 km2 that covers the Avcılar vicinity of Istanbul. We process the raw SAR data using DIAPASON software (Differential Interferometric Automated Process Applied to Survey of Nature) (version 4.1) developed at the French Space Agency (Massonnet et al., 1994; CNES, 1998; CNES, 2003a). The PS pixels persistent to phase decorrelation are selected through their “amplitude dispersion index” DA, as defined by Ferretti et al. (2000, 2001) and multicoherence γ, as described by Colesanti (2003). We use “General Inversion for Phase Technique” (GIPhT) developed by Feigl and Thurber (2009) for modeling interferograms. GIPhT defines a misfit cost C between the model and the phase observations. By minimizing the cost C, this approach can solve simultaneously for both linear and non-linear parameters. Analysis of 14 image epochs between 1992 and 1999 has revealed downward ground motion around the Avcılar district of Istanbul. We have analyzed a set of 24 interferometric pairs with PS coverage of 7 PS/km2. The PS coverage corresponds to 1% of the image pixels. Three subsidence sources with a constant subsiding rate have been modeled by using a simple 4-parameter Mogi source (easting, northing, volume, depth). Also, a tropospheric parameter (vertical gradient) for each epoch has been included to the parameter set. The final model fits the phase data significantly better than the prior model based on F-test with 95 % confidence. We find a maximum displacement rate of -7 mm/yr at a point located at latitude 40.98ºN and longitude 28.71ºE. Akarvardar et al. (2007) and Akarvardar (2007) suggest that most of the downward ground motion occurs in the landslide areas. It seems likely that the soils once displaced after landslides have continued to slide and settle down with a constant rate between 1992 and 1999.

Özet

Radar interferometrisi (InSAR), birbirine çok yakın görüntüleme geometrileriyle elde edilmiş iki farklı radar görüntüsü arasında oluşan faz farkını hesaplayan bir tekniktir. Faz farkı, uydu platformunda bulunan radar ile yeryüzünde görüntülenen nokta arasındaki uzaklığa karşılık gelmektedir. Günümüzde InSAR, yüzey deformasyonunun ölçülmesinde etkili bir teknik olarak kabul edilmektedir. Diğer yandan, tekniğin uygulanabilirliği radar sinyalinin korelasyonu ve atmosferik etkilerle sınırlıdır. Bu çalışmada, uzun zamanda oluşan yüzey deformasyonunu ölçmek için, ERS-1 ve ERS-2 uydularından elde edilen radar görüntüleri kullanılarak bir strateji geliştirilmiştir. Yöntem, ham SAR verilerinin seçimi, SAR veri-işleme ve post-veri-işleme adımlarını içermektedir. Veri-işleme adımları, 2000’lerin başından beri geliştirilen çeşitli yöntemlerden oluşmaktadır. InSAR tekniğiyle yer hareketlerinin ölçülmesi çalışmaları için İstanbul’un Avcılar semti seçilmiştir. Çalışmada, Avrupa Uzay Ajansı’nın (ESA) 1992-2002 yılları arasında ERS uydularıyla elde ettiği radar görüntüleri kullanılmıştır. Radar görüntü çiftleri, çeşitli veri-seçimi kriterleriyle belirlenmiştir. Radar görüntülerindeki faz ölçmelerinin yoğunluğu, “permanent saçıcılar” (PS) tekniği kullanılarak azaltılmıştır. 1992 ve 1999 yılları arasındaki maksimum yerdeğiştirme hızı, Avcılar’ın batısında bir noktada -7 mm/yıl olarak belirlenmiştir. Birinci yazarın diğer çalışmalarında detaylı olarak belirtildiği üzere; Avcılar’da uzun zamandır sabit hızda oluşan yer hareketleri, bölgede var olduğu bilinen toprak kaymalarıyla ilişkilidir. Yerdeğiştime hızlarının dağılımı, yağışlı mevsimde süreksiz olarak oluşan toprak kaymalarının, kayma ve oturma şeklinde bütün sene boyunca sürdüğünü göstermektedir.