InSAR maanmuutosten seurantaan: Kattava opas ja sovellukset

Interferometrinen synteettisen apertuurin tutka (InSAR) on tehokas kaukokartoitustekniikka, jolla voidaan mitata maanpinnan muodonmuutoksia erittäin tarkasti laajoilla alueilla. Tarkastelemalla Maan pinnasta eri aikoina otettuja tutkasatelliittikuvia, InSAR kykenee havaitsemaan hyvinkin pieniä korkeuseroja – senttimetrien tai jopa millimetrien luokassa – jotka osoittavat maanpinnan liikkeet en.wikipedia.org. Tässä kattavassa oppaassa kerrotaan, miten InSAR toimii, esitellään sen erilaiset menetelmät, tärkeimmät InSARia mahdollistavat satelliittimissiot sekä laaja kirjo sovelluskohteita maanpinnan liikkeiden seurantaan. Vertailemme myös InSARia muihin deformaatioseurannan menetelmiin kuten GNSS ja optinen kaukokartoitus, käsittelemme sen etuja ja rajoituksia, esittelemme käytännön tapaustutkimuksia sekä tuomme esiin tulevaisuuden kehityssuuntia ja innovaatioita InSAR-teknologiassa.

Mikä on InSAR ja miten se toimii?

InSAR on tutkapohjainen menetelmä maanpinnan muutosten kartoittamiseen hyödyntämällä kahden tai useamman synteettisen apertuurin tutkan (SAR) kuvan vaihe-eroja samalta alueelta en.wikipedia.org. SAR-satelliitti lähettää mikroaaltopulssin kohti maan pintaa ja vastaanottaa takaisin heijastuneet signaalit. Jokainen pikseli SAR-kuvassa sisältää signaalin amplitudi- (voimakkuus) ja vaihe-informaation. Kun samasta paikasta kerätään kaksi SAR-kuvaa eri aikoina, voidaan laskea jokaisen pikselin vaihe-ero. Tämä vaihe-ero – kun tunnetut tekijät kuten satelliitin sijainti ja maastonmuodot on korjattu – voidaan muuntaa interferogrammiksi, joka paljastaa miten paljon maa on liikkunut kuvien ottovälissä usgs.gov. Interferogrammin värilliset juovat vastaavat samansuuruista liikettä (jokainen juova merkitsee usein usean senttimetrin liikettä satelliittiin päin tai siitä poispäin). Jos maa on liikkunut satelliittia kohti (nousu) tai siitä pois (vajoaminen), syntyy vaihe-ero, joka näkyy interferenssikuviolla usgs.gov usgs.gov. Näitä juovia laskemalla ja tulkiten tutkijat voivat mitata maanpinnan muutoksia senttimetristä millimetrin tarkkuuteen laajoilla alueilla.

InSAR voidaan toteuttaa käyttämällä repeat-pass satelliittihavaintoja (sama satelliitti kuvaa saman alueen uudelleen myöhemmin) tai single-pass -menetelmää kahden antennin yhtäaikaisella mittauksella (kuten Shuttle Radar Topography Missionissa käytettiin korkeusmallin tuottamiseen). Repeat-pass InSARissa kaksi kuvaa otetaan päivien tai viikkojen välein, ja kaikki välissä tapahtuneet pinnanmuutokset (esim. tektoninen liike tai painuminen) näkyvät vaihe-erona. Haasteena on, että alkuperäisessä interferogrammissa on mukana vaihe-eroja paitsi maan liikkeestä, myös maastonmuodoista, satelliitin radan eroista, ilmakehän viiveistä ja kohinasta earthdata.nasa.gov. Deformaatiovaikutuksen erottamiseen käytetään usein menetelmää nimeltä differentiaalinen InSAR (D-InSAR), jossa tunnetun korkeusmallin (DEM) tai lisä-SAR-kuvan avulla maaston aiheuttama vaihe erotetaan, jolloin jäljelle jää vain muodonmuutoksesta johtuva vaihe-ero earthdata.nasa.gov. Tällaisen käsittelyn jälkeen (mukaan lukien latistaminen maapallon kaarevuuden poistamiseksi, maaston vaikutuksen vähentäminen, kohinan suodatus sekä vaiheen aukaisu suhteellisesta vaiheesta todelliseen liikkeeseen) lopputuloksena saadaan kartta maanpinnan liikkeistä kuvien ottovälillä.

InSAR-tekniikoiden tyypit

InSAR on kehittynyt perinteisistä kahden kuvan vertailuista monimutkaisempiin usean kuvan algoritmeihin, jotka parantavat tarkkuutta ja voivat ylittää rajoitteita kuten kohina ja decorrelaatio. Keskeisiä InSAR-menetelmiä ovat:

Differentiaalinen InSAR (D-InSAR): Klassinen menetelmä, jossa käytetään kahta SAR-kuvaa (ennen ja jälkeen tarkasteltavan tapahtuman) ja usein korkeusmallia (DEM) muutosten havainnointiin. Simuloimalla ja poistamalla maaston vaikutus interferogrammista D-InSAR tuottaa differentiaalisen interferogrammin, joka korostaa maanpinnan liikkeet kuvausajankohtien välillä ltb.itc.utwente.nl. Tämä menetelmä sopii hyvin yksittäisiin muutostilanteisiin (esim. maanjäristys tai tulivuorenpurkaus) ja saikin kansainvälistä huomiota ensimmäisenä kalifornialaisen Landersin vuoden 1992 maanjäristyksen yhteydessä, jolloin InSARilla kartoitettiin ensimmäistä kertaa maanjäristyksen aiheuttama maanpinnan siirtymä en.wikipedia.org. D-InSAR on käsitteellisesti yksinkertainen ja laajasti käytetty, mutta sen suurin rajoite on decorrelaatio (signaalin koherenssin häviäminen), joka ilmenee, jos maapinta muuttuu liikaa tai kasvillisuuden peittävyys vaihtelee kuvien välillä.
Persistent Scatterer InSAR (PS-InSAR): Kehittynyt moniaikainen menetelmä, jossa analysoidaan pino – kymmeniä tai jopa satoja SAR-kuvia – ja etsitään niin kutsuttuja ”persistent scatterereita” eli maanpinnan pisteitä (usein rakennetut rakenteet tai paljaat kallioalueet), jotka heijastavat tutkasignaaleja jatkuvasti ajan myötä en.wikipedia.org en.wikipedia.org. Keskittymällä näihin pysyviin pisteisiin PS-InSAR pystyy mittaamaan hyvin pieniä liikkeitä, millimetrien tarkkuudella jopa useiden vuosien ajalta earthdata.nasa.gov. Tämä 1990-luvun lopulla kehitetty menetelmä ylittää monet perinteisen InSARin rajoitteet välttämällä alueet, joilla koherenssi katoaa. PS-InSAR erottaa deformaation ilmakehän viiveistä ja kohinasta tilastollisen analyysin avulla laajasta monikuva-aineistosta earthdata.nasa.gov earthdata.nasa.gov. Menetelmää käytetään erityisesti kaupunkialueilla, joissa on paljon vakaita rakenteita, ja sillä on onnistuneesti seurattu hitaasti liikkuvia prosesseja, kuten maaperän painumista, maanvyöryjä ja rakenteiden painumista millimetrin tarkkuudella vuodessa earthdata.nasa.gov earthdata.nasa.gov.
SBAS-InSAR (Small Baseline Subset): Myös moniaikainen menetelmä, jossa luodaan interferogrammien verkosto useista SAR-kuvista, mutta rajoitetaan yhdistelmät vain niihin, joissa erot satelliitin sijainnin ja ajan suhteen ovat pieniä (eli kuvat on otettu lähes samalta radalta ja lähellä toisiaan ajallisesti). Yhdistämällä vain sellaiset kuvat, jotka eivät ole liian kaukana toisistaan, SBAS vähentää decorrelaatiota ja ilmakehän vaikutuksia ltb.itc.utwente.nl. Menetelmä yhdistää nämä pienibasaaliset interferogrammit ja tuottaa aikajaksollisia muodonmuutoskarttoja jokaiselle koherentille pikselille ltb.itc.utwente.nl. SBAS soveltuu hyvin hitaan, pitkäaikaisen muodonmuutoksen jatkuvaan mittaamiseen laajoilla alueilla, jopa kasvillisuuden peittämillä tai harvaan rakennetuilla seuduilla, sillä se hyödyntää kaikki koherentin signaalin antavat pisteet (ei vain muutamaa pysyvää scattereria). SBASin tuloksena syntyy tyypillisesti keskimääräinen muodonmuutosnopeuskartta ja kunkin pikselin muodonmuutoksen aikajana. Yhteenvetona: kun PS-InSAR keskittyy harvoihin erittäin luotettaviin pisteisiin, SBAS-InSAR hyödyntää kaikkia koherentteja pisteitä valitsemalla kuvaparit viisaasti ja kykenee havaitsemaan myös epälineaarista muodonmuutoksen kehittymistä mdpi.com researchgate.net.

Näitä tekniikoita (ja niiden muunnelmia) kutsutaan usein yhteisnimellä aikasarja-InSAR tai moniaikainen InSAR. Ne edustavat InSAR-menetelmien ”toista sukupolvea” en.wikipedia.org en.wikipedia.org ja ovat merkittävästi laajentaneet InSARin mahdollisuuksia yksittäistapahtumien havaitsemisesta jatkuvaan ja hidaskulkuisen muodonmuutoksen seurantaan vuosien yli.

Keskeiset satelliittimissiot ja teknologiat InSAR:ssa

Satelliittitutkamissiot muodostavat InSAR:n selkärangan. Viime vuosikymmenten aikana on laukaistu lukuisia avaruuspohjaisia SAR-antureita, jotka tuottavat interferometriaan tarvittavaa tutkamateriaalia. Jokaisella missiolla on omat taajuuskaistansa, kuvaustilansa ja uudelleenkuvausintervallinsa, jotka vaikuttavat sen InSAR-suorituskykyyn. Alla on yleiskatsaus tärkeimmistä SAR-missioista, joita tyypillisesti hyödynnetään maanmuodonmuutosten seurannassa:

Satelliittimissio	Virasto	Tutkakaista	Toistoväli	Toiminta	Huomiot
ERS-1/ERS-2 (European Remote Sensing)	ESA (Eurooppa)	C-kaista (5,6 cm)	35 päivää	1991–2000 (ERS-1); 1995–2011 (ERS-2)	Ensimmäiset satelliitit, jotka osoittivat InSAR-teknologian toimivuuden tektonisissa ja vulkaanisissa muodonmuutoksissa earthdata.nasa.gov. 35 päivän intervalli rajoitti nopeasti etenevien muutosten havaitsemista, mutta loi perustan InSAR-menetelmille.
Envisat	ESA (Eurooppa)	C-kaista	35 päivää	2002–2012	Jatkoi ERS:n perinnettä parannetuilla laitteilla. Tarjosi aineistoa useisiin varhaisiin InSAR-tutkimuksiin painumisesta ja maanjäristyksistä usgs.gov.
ALOS-1 (Daichi) / ALOS-2	JAXA (Japani)	L-kaista (23,6 cm)	46 päivää (ALOS-1); 14 päivää (ALOS-2) earthdata.nasa.gov	2006–2011 (ALOS-1); 2014–nykyhetki (ALOS-2)	Pitkäaaltoinen L-kaista läpäisee kasvillisuutta paremmin, säilyttäen koherenssin metsäisillä alueilla earthdata.nasa.gov. ALOS-2:n 14 päivän toistoväli ja PALSAR-2-anturi paransivat trooppisten alueiden seurantaa.
TerraSAR-X / TanDEM-X	DLR (Saksa)	X-kaista (3,1 cm)	11 päivää (TerraSAR-X)	2007–nykyhetki (TSX); 2010–nykyhetki (TDX)	Korkean resoluution X-kaistan SAR (jopa ~1 m). TerraSAR-X ja sen kaksoissatelliitti TanDEM-X lentävät muodostelmassa tuottaen tarkkoja globaaleja korkeusmalleja. Usein käytetty yksityiskohtaisiin paikallisiin tutkimuksiin (esim. kaupunkiympäristöt).
COSMO-SkyMed (Tähtikuvio)	ASI (Italia)	X-kaista	N. 4–16 päivää (vaihtelee 4 satelliitin tähtikuviossa)	2007–nykyhetki (1. sukupolvi); 2019–nykyhetki (2. sukupolvi)	Neljän satelliitin taajuinen kuvantaminen, erityisen hyödyllistä nopeaan reagointiin tapahtumiin. X-kaista tarjoaa korkean yksityiskohtaisuuden, mutta koherenssi katoaa nopeasti kasvillisuusalueilla.
Sentinel-1A/B (Copernicus)	ESA (Eurooppa)	C-kaista	12 päivää satelliittia kohden (6 päivää yhteensä) en.wikipedia.org	2014–nykyhetki (1A laukaistu 2014; 1B 2016; 1C laukaistu 2024)	InSAR:n työjuhta maailmanlaajuisesti. Vapaa ja avoin data, laaja kuvauskaista (250 km) ja säännöllinen uudellenkuvaus mahdollistaa toimintaperusteisen muodonmuutosten kartoituksen globaalisti. Sentinel-1:n 6–12 päivän toistoväli (kahdella satelliitilla) mahdollistaa tiheät aikasarjat ja koko maan kattavat seurantaohjelmat esa.int.
RADARSAT-2 / RCM (Radarsat Constellation)	CSA (Kanada)	C-kaista	24 päivää (Radarsat-2); 4 päivää (RCM, 3 satelliittia)	2007–nykyhetki (R-2); 2019–nykyhetki (RCM)	RCM (Radarsat Constellation Mission) mahdollistaa tiheän kuvantamisen Kanadassa ja muualla operatiivisiin tarkoituksiin (esim. ikirouta, infrastruktuuri).
NISAR (NASA-ISRO SAR)	NASA/ISRO (USA/Intia)	L- & S-kaista, kaksi taajuutta	12 päivää (suunniteltu)	Suunniteltu laukaisu n. 2025	Tuleva missio, jossa kaksi taajuutta. Tavoitteena maailmanlaajuinen 12 päivän kattavuus sekä L- että S-kaistoilla parantaen muodonmuutosten mittausta sekä kasvillisuusalueilla että kaupungeissa. Odotetaan merkittävästi lisäävän InSAR-datan määrää tieteisiin ja yhteiskunnallisiin sovelluksiin.

Teknologiavihje: Eri tutkakaistoilla on kompromisseja. C-kaista (aallonpituus ~5–6 cm, käytössä mm. ERS, Envisat, Sentinel-1, Radarsat) tarjoaa hyvän tasapainon resoluution ja kasvillisuuden läpäisyn välillä, mutta koherenssi voi heiketä tiheän kasvillisuuden tai lumiolosuhteiden vallitessa. X-kaista (~3 cm, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed) mahdollistaa erittäin korkean spatiaalisen erotuskyvyn, mutta koherenssi katoaa nopeammin kasvillisuusalueilla ja sitä käytetään usein kohdennettuun paikalliseen seurantaan. L-kaista (~23–24 cm, käytössä mm. ALOS ja tuleva NISAR-L) pidempi aallonpituus läpäisee kasvillisuutta ja maaperää tehokkaammin, säilyttäen koherenssin pidemmissä ajanjaksoissa ja kasvillisuuden läpi earthdata.nasa.gov. L-kaista on erinomainen valinta muodonmuutosten seurantaan metsä- ja maatalousalueilla, vaikka sen kuvat ovatkin natiivisti matalampiresoluutioisia.

Satelliitin rata ja uudelleenkuvausväli ovat keskeisiä InSAR:ssa: lyhyemmät toistointervallit mahdollistavat tiheämmät päivitykset maan liikkeisiin ja vähentävät muutosten mahdollisuutta välillä (mikä tukee koherenssia). Esimerkiksi Copernicus Sentinel-1 -tähtikuvio (kahdella satelliitilla ja 6 päivän yhdistetyllä toistolla) tuottaa vakaan datavirran, jonka ansiosta maapallon liikkeen jatkuva seuranta on mullistunut esa.int earthscope.org. Toisaalta aikaisemmat missiot kuten ERS tai ALOS-1 35–46 päivän toistolla saattoivat ohittaa nopeat muutokset tai menettää koherenssia pitkillä aikaväleillä. Viimeaikainen suuntaus on monisatelliittisten tähtikuvioiden ja lyhyempien uudelleenkuvausvälien suuntaan – jotkut kaupalliset tarjoajat (Capella Space, ICEYE jne.) käyttävät X-kaistan mikrosatelliittilaivastoja, jotka voivat kuvata tiettyjä alueita päivittäin tai jopa useita kertoja päivässä, tosin kapeammalla kuvauskaistalla.

Yhteenvetona voidaan todeta, että nykyinen InSAR-maailma toimii julkisten satelliittien (esim. Sentinel-1, ALOS-2) ja kaupallisten missioiden yhdistelmänä, tarjoten monikaistaista dataa maailmanlaajuisella kattavuudella. Sentinel-1:n kaltaisten missioiden avoin datalinjaus on erityisesti edistänyt InSAR-sovelluksia, mahdollistaen tutkijoille ja viranomaisille ympäri maailmaa pääsyn säännölliseen tutkamerkittelyaineistoon muodonmuutosten seurantaan ilman kustannuksia esa.int.

InSAR:n tärkeimmät käyttökohteet maaperän muodonmuutosten seurannassa

Yksi InSAR:n suurimmista vahvuuksista on sen monipuolisuus erilaisten maanmuodonmuutosten havaitsemisessa. Alla ovat merkittävimmät sovellusalueet, joissa InSAR:sta on tullut korvaamaton työkalu, sekä esimerkkejä tosielämästä:

Maanjäristykset ja tektoninen liike

InSAR tunnetaan ehkä parhaiten maanjäristysten aiheuttamien maanmuodonmuutosten kartoittamisesta. Vertaamalla SAR-kuvia ennen ja jälkeen järistyksen (ko-seisminen InSAR) tutkijat voivat tuottaa interferogrammeja, jotka näyttävät järistykseen liittyvän muodonmuutoksen kuvion. Nämä ”viuhkakuviot” tarjoavat suoran mittauksen siitä, kuinka paljon maa on liikkunut satelliitin näkymälinjalla, paljastaen tyypillisesti laajoja kohoumia ja painumia murtuneen siirroksen alueella. InSAR kykenee mittaamaan sekä vaakasuuntaisia että pystysuuntaisia komponentteja (projektio tutkan näkymälinjalle) maanjäristyksen siirtymistä senttimetrin tarkkuudella koko vaikutusalueella – jotakin, mihin harvalukuiset maassa olevat anturit eivät pysty. Ensimmäinen suuri demonstraatio oli vuoden 1992 Landersin maanjäristys (M7.3) Kaliforniassa, jossa InSAR paljasti ko-seismisen siirtymäkentän ja avasi geofysiikan alan silmät tälle teknologialle en.wikipedia.org. Sittemmin InSAR:ia on käytetty lähes kaikissa merkittävissä maanjäristyksissä ympäri maailmaa maaliikkeiden kartoittamiseen ja siirroksen liukuman mallintamiseen syvyyssuunnassa.

Esimerkiksi vuoden 1999 İzmitin maanjäristys (M7.6) Turkissa tuotti klassisen interferogrammin, jossa siirroksen läheisyydessä oli tiheästi vierekkäisiä viuhkoja – jokainen värisykli vastaa muutamaa senttimetriä maan liikkumista – mahdollistaen tutkijoiden arvioida siirroksen tarkkaa liukua. Viime aikoina eurooppalaiset Sentinel-1 -satelliitit ovat mahdollistaneet nopeat interferogrammit heti maanjäristysten jälkeen. Syyskuun 2015 Illapelin maanjäristyksen (M8.3) Chilessä jälkeen tutkijat tuottivat InSAR-kuvan vain muutamassa päivässä, ja siinä näkyi selvästi rannikon kohoaminen ja sisämaan vajoama, jotka järistys aiheutti earthdata.nasa.gov. Tässä interferogrammissa yksi viuhka (täysi värisykli) vastasi noin 8,5 cm maan liikettä satelliitin näkymälinjalla earthdata.nasa.gov. Tällaiset kartat ovat korvaamattomia sen ymmärtämisessä, mitkä alueet kokivat suurimmat siirtymät ja siirroksen mallintamisessa. InSAR:ia käytetään myös interseismin venymän kertymisen seurantaan (hidas maanliike siirrosten varrella maanjäristysten välillä) sekä postseisminen muodonmuutoksen seurantaan (jälkiliukuminen ja viskoosinen relaksaatioliike järistyksen jälkeen). Kaikkiaan InSAR tarjoaa synoptisen näkymän tektoniseen muodonmuutokseen, täydentäen maa-pohjaista seismologiaa ja GNSS-verkkoja täyttämällä spatiaalisen aukon koko siirrosvyöhykkeellä.

Tulivuoritoiminnan seuranta

Tulivuorissa tapahtuu pinnanmuodonmuutoksia, kun magmaa liikkuu niiden alla, ja InSAR on osoittautunut mullistavaksi näiden muutosten havaitsemisessa ja seuraamisessa. Tulivuoren muodonmuutokset esiintyvät usein kohoumina (inflationa), kun magmaa kerääntyy kammioihin tai juoniin, tai painumina (deflaationa), kun magmaa poistuu tai purkautuu. InSAR voi etäseurata näitä hienovaraisia kohoamisia tai painumia tulivuoren pinnalla, jopa hyvin syrjäisillä alueilla. Monet tulivuoret, joita aiemmin pidettiin sammuneina, on InSAR-satelliittitutkien ansiosta havaittu hengittävän säännöllisesti (pullistuvan/littyvän).

Varhaiset InSAR-tutkimukset onnistuivat tallentamaan suuria purkauksiin liittyviä muutoksia (purkauksen aikaisia muodonmuutoksia). Esimerkiksi 1990-luvulla InSARIA käytettiin kartoittamaan maanpinnan muutoksia Andien ja Alaskan tulivuorilla purkausten yhteydessä earthdata.nasa.gov. Ajan mittaan tekniikka kehittyi mahdollistamaan myös purkausta edeltävän inflaation ja purkausten välisten trendien havainnoinnin. Merkittävä esimerkki oli Alaskan Okmok-tulivuoren seuranta: InSAR-kuvat osoittivat Okmokin nousseen useita senttimetrejä muutamia vuosia ennen purkausta, ja se jatkoi kohoamistaan tasaisesti vuoden 2008 purkauksen jälkeen, viitaten magman uudelleen latautumiseen agupubs.onlinelibrary.wiley.com. Tällaisen inflaation havaitseminen on kriittistä tulivuoren varhaisen varoituksen kannalta; se antaa viitteitä magmakammion paineistumisesta, joka voi johtaa purkaukseen, jos muut olosuhteet täyttyvät.

InSAR:n kyky kattaa laajoja, usein vaikeapääsyisiä tulivuorikenttiä on suuri etu. Esimerkiksi Italian avaruusjärjestön COSMO-SkyMed-konstellaatio on ollut käytössä seuraamassa Campi Flegrein kalderan kohoamista Italiassa, ja Sentinel-1-satelliittia käytetään rutiininomaisesti havainnointiin paikoissa kuten Aleutit ja Keski-Amerikka. Eräässä tapauksessa InSAR-aikasarjat paljastivat pitkäaikaista painumista Kilauean kraaterilla ja satunnaisia kohoamisia ennen purkauksia Havaijilla. Euroopan avaruusjärjestön maailmanlaajuinen TerraFirma-projekti (ja sen seuraaja Geohazard Supersites -aloite) sovelsi PS-InSARia kymmeniin tulivuoriin, havaiten muodonmuutoksia sellaisilla, jotka eivät olleet millään tarkkailulistalla en.wikipedia.org en.wikipedia.org. Kaikki muodonmuutokset eivät johda purkauksiin, mutta InSAR auttaa priorisoimaan tarkkailua: hiljaa nouseva tulivuorikartio (5 mm/vuosi) voi vaatia tarkempaa tutkimusta. Yhteenvetona: InSAR on muodostunut tulivuorigeodesian kulmakiveksi, mahdollistaen epävakauden toteamisen tulivuorissa maailmanlaajuisesti ja tarjoten tietoa magmakammion syvyyden ja tilavuuden muutosten mallinnukseen – mikä on ratkaisevaa uhka-arvion kannalta.

Maan painuminen ja pohjavesivarojen ehtyminen

Maan painuminen on maanpinnan hidasta vajoamista, jonka syynä ovat usein ihmisen toiminta kuten pohjaveden pumppaus, öljyn ja kaasun tuotanto tai kaivostoiminta. InSAR soveltuu ihanteellisesti mittaamaan sellaisten painaumakuoppien laajuutta ja voimakkuutta, joita nämä prosessit aiheuttavat usgs.gov. Toisin kuin linjamittaustutkimukset tai GPS, jotka antavat mittaustuloksia rajallisista pisteistä, InSAR pystyy tuottamaan suuren tiheyden muodonmuutoskarttoja (tuhansia mittauspisteitä neliökilometrillä) kattaen kokonaisia kaupunkeja tai maatalouslaaksoja usgs.gov. Näin voidaan tunnistaa missä painuminen tapahtuu, kuinka nopeasti ja mahdollisesti myös mikä on sen syynä.

Hyvin tunnettu sovellus on pohjaveden ylipumppauksesta johtuvien painumien kartoitus. Kalifornian San Joaquin Valley ja muut Keski-Laakson alueet ovat kokeneet merkittävää painumista (useita senttimetrejä jopa kymmeniin senttimetreihin vuodessa) kuivuuden aikana tapahtuneen pohjavesien käytön vuoksi. InSAR-kuvat Kaliforniasta vuosien 2007–2009 kuivuuden aikana osoittivat suuria painumia juuri intensiivisen maatalouspumppauksen alueilla usgs.gov. Samoin Phoenixin (Arizona) alueella InSAR havaitsi painuminen ja kohoamisen syklit, jotka liittyivät kausittaiseen pohjaveden käyttöön ja täyttöön.

Yksi äärimmäisimmistä painumistapauksista on Meksikon kaupunki, joka on rakennettu puristuvien savisten järvipetien päälle ja on painunut vuosikymmenten ajan pohjavesien pumppauksen vuoksi. Tuoreet InSAR-aikasarjat Sentinel-1-datalla paljastivat häkellyttäviä painumisnopeuksia, jopa 40–50 cm vuodessa joillakin Mexico Cityn alueilla nature.com nature.com. Tämä nopea painuminen on aiheuttanut vakavaa vahinkoa rakennuksille ja infrastruktuurille (mukaan lukien kaupungin metrojärjestelmä) nature.com. InSAR on ollut keskeinen tämän painuman mittaamisessa ja pahimpien alueiden osoittamisessa. Eräässä tutkimuksessa yhdistettiin interferometriaa, linjamittausta ja rakenneteknisiä tietoja arvioitaessa, kuinka epätasainen painuminen (differentiaalinen painuminen) vääntää ja rikkoo metrolinjoja nature.com nature.com.

Maan painuman InSAR-seuranta ei rajoitu pohjavesiongelmiin, vaan sitä käytetään maanalaisen kaivostoiminnan tai tunnelirakentamisen alueilla (joissa maa voi romahtaa tai painua), hiilivetyjen tuotannossa (voi aiheuttaa laajoja painumia esimerkiksi öljykentillä) sekä turvemaiden kuivatuksessa tai ikiroudan sulamisessa pohjoisilla alueilla. Rannikolla jo lievä painuma (muutamia mm/vuosi) yhdistettynä merenpinnan nousuun voi pahentaa tulvariskiä – InSAR auttaa tunnistamaan tällaiset hienovaraiset vajoamiset. InSARin etu on laaja alueellinen näkymä, jolla voidaan poimia painuman riskialueet: esimerkiksi PS-InSAR-analyysi Jakartasta, Indonesiasta (joka myös vajoaa nopeasti), paikansi kaupunginosia, joissa painuma ylitti 20 cm/vuosi – tieto, joka on kriittistä kaupunkisuunnittelijoille ja katastrofien hallinnalle.

Maanvyörymät ja rinteiden vakaus

Hitaasti liikkuvien maanvyörymien havaitseminen ja seuranta on toinen keskeinen InSARin sovellus. Vaikka InSAR ei välttämättä taltioi äkillistä, nopeaa maanvyörymää reaaliajassa (sillä tällöin radioaaltosignaali usein häiriintyy), se soveltuu erinomaisesti hiipivien rinteiden ja ennakoivien muodonmuutosten havainnointiin kuukausien tai vuosien aikana. Maanvyörymät, jotka liikkuvat muutaman senttimetrin vuodessa, voivat jäädä täysin huomaamatta silmämääräisesti – InSARilla nämä liikkeet voidaan kartoittaa koko vuorenrinteelle. Tämä auttaa tekemään maanvyörymäinventaarioita ja herkkyyskarttoja sekä mahdollistaa varhaisen varoituksen mahdollisille rinteiden sortumille.

Esimerkiksi Alpeilla ja Appalakeilla InSARilla on havaittu hitaita maanvyörymiä, jotka saattavat uhata teitä tai kaupunkeja. Kiinan Kolmen rotkon altaan alueella SBAS-InSAR paljasti lukuisia rinteiden epävakauksia, ohjaten viranomaisia jatkamaan maastotutkimuksia riskialueilla nature.com mdpi.com. Italiassa PS-InSAR Sentinel-1-konstellaatiosta on sisällytetty koko maan kattavaan maanvyörymäkartoitukseen, jolloin on havaittu liikettä tunnetuilla vyörymillä (kuten Anconan hitaasti liikkuva maanvyörymä), mutta myös aiemmin tunnistamattomilla epävakailla rinteillä. Euroopan Terrafirma-hanke osoitti InSARin soveltuvuuden rinnevakauden seurantaan mm. Pyreneillä ja Pohjois-Italiassa en.wikipedia.org.

Tyypillinen lähestymistapa on käyttää aika-aikasarja-InSARia (PS tai SBAS) määrittämään rinnealueiden siirtymänopeudet. Ryhmät pisteitä, jotka osoittavat johdonmukaisesti alamäkiliikettä (esim. muutama cm/vuosi), viittaavat hiipivään maanvyörymään. Nämä havainnot voivat johtaa kenttätutkimuksiin tai maastoon asennettavien antureiden käyttöön, ennen kuin pienestä liikkeestä kasvaa katastrofaalinen sortuma. Esimerkki onnistuneesta sovelluksesta on hidas vyöry La Palmalla (Kanariansaaret): InSAR havaitsi kiihtyvää deformoitumista tulivuoren rinteellä, jota sen jälkeen seurattiin tarkasti sortumariskin arvioimiseksi. Toinen tapaus – Kalifornian San Gabriel -vuorilla – hyödynsi InSARia kartoittaakseen maaliikkeiden kausittaista vaihtelua vyöryherkillä rinteillä, paljastaen mitkä rinteet olivat alttiita sortumaan rankkasateiden jälkeen.

Yhteenvetona, InSAR lisää arvokkaan kaukokartoituskerroksen maanvyöryvaaran arviointiin. Se on tehokkain pitkäkestoisissa, hitaissa maanvyöryissä tai siirtymän jälkikartoituksessa (esim. mitattaessa, miten maanvyöry on liikuttanut maastoa). Myös nopeita maanvyöryjä voidaan joskus tutkia jälkikäteen vertaamalla ennen- ja jälkeen-tapahtuman SAR-kuvia (edellyttäen, että pinta ei ole täysin tuhoutunut). Kokonaisuudessaan InSAR-pohjainen maanvyöryjen seuranta, erityisesti yhdistettynä optisiin kuviin ja paikkatietoon, on kasvava ala katastrofiriskien hallinnassa.

Infrastruktuurin ja kaupunkien seuranta

Koska tutkasta heijastuvat signaalit palautuvat voimakkaasti ihmisen rakentamista rakenteista, InSAR soveltuu luontevasti rakennusten ja infrastruktuurin vakauden seurantaan kaupunkiympäristöissä. Persistent Scatterer InSAR (PS-InSAR) hyödyntää erityisesti kaupunkien runsaita vakaita heijastajia (rakennuksia, siltoja ja muita rakenteita) seuratakseen pieniä pystysuoria tai vaakasuuntaisia liikkeitä. Tästä on syntynyt sovelluksia yhdyskuntatekniikassa ja kaupunkisuunnittelussa – satelliittien avulla voidaan kaukokartoituksella seurata rakenteiden kuntoa ja maan vakausta kaupunkien alla.

Esimerkiksi Sentinel-1 InSAR -aineistolla vuosilta 2015–2016 paljastettiin maaperän painumista San Franciscon keskustassa ja tunnistettiin alueita, joissa rakennukset vajoavat. Yllä olevassa kuvassa vihreät pisteet osoittavat vakaata maata, kun taas keltaiset, oranssit ja punaiset pisteet osoittavat painuvia rakenteita (liikkeessä pois satelliitista). Erityisesti Millennium Tower -pilvenpiirtäjä erottuu punaisena, mikä vahvistaa, että se vajoaa jopa noin 40 mm vuodessa satelliitin näkymässä esa.int (noin 50 mm/vuosi todellista pystysuuntaista painumaa, olettaen, että kallistumaa ei ole paljoa). Tämä kuuluisa ”vajoava torni” tunnettiin aluksi paikallisista mittauksista, mutta InSAR tarjosi kattavan kartan ympäröivästä alueesta ja osoitti, että tornin painuma oli poikkeava muihin rakennuksiin verrattuna esa.int. Tällainen tieto on elintärkeää insinööreille ja kaupungin viranomaisille: se auttoi osoittamaan, että rakennuksen perustuksiin liittyvät ongelmat aiheuttivat merkittävää liikettä ja että korjaustoimia tarvittiin. San Franciscon lisäksi PS-InSAR-pohjaisia kaupunkimuodonmuutoskarttoja on tuotettu mm. Los Angelesista, Mexico Citystä, Shanghaista ja Amsterdamista. Näiden avulla voidaan tunnistaa esimerkiksi metrojen aiheuttamaa painumaa, täyttömaan tiivistymistä tai pohjavedenoton aiheuttamaa painumista.

Infrastruktuurin seuranta InSAR:n avulla laajenee myös lineaarisiin rakenteisiin ja kriittisiin laitoksiin. Esimerkiksi tutka-interferometriaa on käytetty rautateiden ja maanteiden seurantaan painumisen tai maanvyöryihin liittyvän liikkeen havaitsemiseksi. Norjassa InSAR-pohjainen valtakunnallinen muodonmuutospalvelu tarkkailee nyt säännöllisesti ratakiskojen ja teiden liikkeitä esa.int esa.int. InSAR:ia on sovellettu myös patohankkeisiin ja tekojärviin – tarkistetaan, muuttuuko padon rakenne tai sen ympäröivä maa-alue, sillä muodonmuutos voi viitata heikkouteen. Samoin sillat ja tunnelit kaupunkiympäristöissä (kuten metrohankkeissa) voidaan kartoittaa InSAR:illa, jotta rakentaminen ei aiheuta odottamattomia maanpinnan muutoksia.

Toinen tärkeä sovellus on rannikko- ja satamainfrastruktuurin seuranta; esimerkiksi satamalaitureiden tai merenrantavallien painuman tarkkailu. Myös lentokenttien kiitotiet sekä suuret rakenteet (kuten stadionit tai voimalaitokset) voidaan pitää silmällä mahdollisen painuman tai kohoamisen varalta. Käytännössä mikä tahansa rakennuskohde, joka sijaitsee painuvalla maalla tai laskevassa altaassa, hyötyy kaukokartoitusvalvonnasta. Keskeinen etu on, että InSAR kattaa koko kiinnostavan alueen kerralla ja voi toistaa mittauksia säännöllisesti (Sentinel-1:llä muutamasta päivästä viikkoihin) päivittääkseen muodonmuutostilanteen – eikä rakenteisiin tarvita fyysisiä antureita.

Yhteenvetona, InSAR on noussut tärkeäksi työkaluksi infrastruktuurin hallinnassa tarjoten laaja-alaista, yksityiskohtaista muodonmuutosdataa. Monet kaupalliset yritykset tarjoavat nykyään InSAR-seurantapalveluita kaupungeille ja yrityksille (esimerkiksi öljysäiliöryhmien painuman tai suurnopeusrautatien linjan valvontaan). Se on kustannustehokas lisä paikan päällä tehtäville tarkastuksille ja pystyy usein havaitsemaan liikkeet jo varhaisessa vaiheessa – ennen kuin silmin havaittavaa vahinkoa ehtii syntyä.

Vertailu muihin muodonmuutoksen seurantamenetelmiin

InSAR on tehokas menetelmä, mutta miten se vertautuu muihin, kuten GNSS (GPS) -mittauksiin tai optiseen kaukokartoitukseen? Tässä tiivistetään erot, toisiaan täydentävät ominaisuudet ja kompromissit:

InSAR vs. GNSS: GNSS (Global Navigation Satellite Systems, kuten GPS) mahdollistaa tarkat kolmiulotteiset muodonmuutosmittaukset (pohjoinen, itä, korkeus) tietyissä pisteissä maan pinnalla. GNSS-asema voi kirjata liikkeitä jatkuvasti (yleensä päivittäisellä tai jopa tiheämmällä syklillä), joten se sopii erinomaisesti ajallisesti vaihtelevan muodonmuutoksen mittaamiseen kyseisessä pisteessä. GNSS:n tarkkuus yltää millimetriluokkaan niin vaaka- kuin pystysuunnassa, eikä pilvisyys tai pimeys häiritse sen toimintaa. Ongelmana on kuitenkin GNSS-verkkojen harvuus – jokainen asema mittaa pelkän oman sijaintinsa, joten tiivis peitto on kallista ja työlästä. InSAR puolestaan antaa alueellisesti jatkuvan kattavuuden suurilla alueilla (mittauspikseleitä voi olla miljoonia), mutta mittaa liikkeitä vain satelliitin näkymää pitkin (yhdistää pystysuuntaisia ja vaakasuuntaisia liikekomponentteja) researchgate.net. InSAR on myös yleensä ajallisesti katkonainen mittaus (aina kun satelliitti ylittää alueen), ei aivan täysin jatkuvaa kuten suuren taajuuden GNSS. Käytännöllisyydessä on myös eroja: InSAR mittaa etänä eikä vaadi laitteita maastoon (hyöty vaikeissa tai vaarallisissa kohteissa), kun taas GNSS vaatii vastaanottimen asentamisen ja ylläpidon jokaiselle asemalle. Tarkkuudessa GNSS pystyy usein havaitsemaan pienet pitkän aikavälin muutokset varmemmin, koska siihen eivät vaikuta ilmakehän häiriöt samalla tavalla – se operoi vakaassa viitekehyksessä. InSAR-mittauksiin, etenkin hyvin suurilla alueilla (>100 km), saattaa tulla harhaa ilmakehän viiveistä tai kiertoratavirheistä agupubs.onlinelibrary.wiley.com agupubs.onlinelibrary.wiley.com. Esimerkiksi InSAR-kuvassa voi näkyä loiva kallistuma, jonka aiheuttaakin vain troposfääri eikä oikea maanmuutos. Tutkijat yhdistävätkin usein molempia: GNSS-dataa käytetään kalibroimaan ja validoimaan InSAR-tuloksia, tai antamaan kolmiulotteinen konteksti (esim. pystysuoran ja vaakasuuntaisen liikkeen erotus), mihin yksittäinen InSAR-geometria ei kykene mdpi.com. Näistä eroista huolimatta tekniikat täydentävät toisiaan hyvin. Voidaan tiivistää: “GNSS tarjoaa huipputarkat mittaukset rajallisissa pisteissä työläästi, kun taas InSAR antaa erittäin suuren määrän mittauspisteitä alueellisesti” mdpi.com. Käytännössä modernit muodonmuutostutkimukset yhdistävät GNSS:n ja InSAR:n – GNSS antaa ison kuvan ja jatkuvan seurannan avainkohteissa, kun taas InSAR näyttää yksityiskohtaiset alueelliset muutoskuviot.
InSAR vs. optinen kaukokartoitus: Optinen kuvantaminen (kuten ilmakuvat tai satelliittien ottamat optiset kuvat, esimerkiksi Landsat, SPOT) on toinen tapa havaita maanpinnan muutoksia. Perinteisellä optisella muutostunnistuksella voidaan paljastaa maanpinnan muutoksia, kuten maanvyöryjälkiä, siirrosrepeämiä tai maan painuamia, mutta sillä ei voida suoraan mitata pieniä muodonmuutoksia yhtä tarkasti kuin InSAR:illa. Eräs optinen menetelmä siirtymien mittaukseen on pikselisiirtymän seuranta: kahden eri aikaan otetun optisen kuvan kohteita vertaamalla voidaan mitata maaston vaakasuuntaisia liikkeitä (esim. maanjäristyksen siirrosliike tai jäätikön liike). Optisen pikselisiirtymän tarkkuus on kuitenkin vain pikselin osia (yleensä kymmenistä senteistä metreihin maan pinnalla) – huomattavasti vähemmän tarkkaa kuin InSAR:n millimetri- tai senttimetriluokka. Optiset menetelmät sopivat suurille, nopeille liikkeille (esim. 2 m maanjäristysrepeämä, nopeasti liikkuva jäätikkö), kun taas InSAR toimii hyvin hienovaraisissa, hitaissa liikkeissä (muutamia senttimetrejä kuukausien aikana). Toinen rajoitus on, että optiset sensorit tarvitsevat päivänvaloa ja selkeää säätä. Tutka-InSAR:n suuri etu on toimia kaikissa sääolosuhteissa, yöllä ja päivällä capellaspace.com. Pilvet, savu tai pimeys eivät estä SAR-kuvausta, kun taas optinen kuvaus pysähtyy pilviin ja vaatii valaistuksen. Pitkän aikavälin seurannassa InSAR tuottaa paremmin dataa pilvisillä alueilla (esim. tropiikissa), missä optiset kuvat ovat usein peittyneitä. Toisaalta optiset kuvat antavat oikeat värit tai infrapunatiedon, mikä InSAR:lta puuttuu – joten ne sopivat paremmin pinnan muutosten visuaaliseen tulkintaan (esim. maanvyöryn laajuuden tai rakennuksen tuhoutumisen arviointi). Yhä useammin tekniikoita yhdistetään: esimerkiksi korkearesoluutioisilla optisilla satelliiteilla havaitaan äkillisiä muutoksia ja SAR-satelliiteilla seurataan muodonmuutoksen kehitystä. Korkeuseroja voidaan joissain tapauksissa mitata myös optisen fotogrammetrian tai lidarmittauksen avulla (esim. DEM:ien erotus ennen ja jälkeen tapahtuman). Ne tarjoavat hyvän paikallisen tarkkuuden, mutta ovat yleensä kertaluonteisia ja vaativat paljon käsittelyä. InSAR pysyy tehokkaimpana rutiininomaisessa, laaja-alaisessa muodonmuutosten valvonnassa.

Yhteenvetona, InSAR vs muut: InSAR on ylivoimainen alueellisen kattavuuden ja suhteellisen tarkkuuden osalta, GNSS on paras jatkuvassa ja absoluuttisen sijainnin seurannassa pisteissä, ja optiset menetelmät sopivat suuriin, yksittäisiin muutoksiin ja antavat lisäkontekstia (sekä tilanteisiin, joissa tutka kohtaa rajoitteita, kuten erittäin nopeissa liikkeissä, jotka aiheuttavat aliasointia). Usein monisensorinen lähestymistapa antaa parhaan kokonaiskuvan – esimerkiksi GNSS:n avulla voidaan korjata mahdollisia pitkäaaltoisia harhoja InSAR-datasta escholarship.org, tai yhdistää optinen ja SAR-data, jotta maanvyöry voidaan kuvata kokonaisvaltaisesti (optinen paljastaa tuhoutuneen alueen, InSAR antaa muodonmuutoksen nopeuden).

InSARin edut ja rajoitukset

Kuten kaikilla teknologioilla, myös InSARilla on vahvuutensa ja heikkoutensa. Näiden ymmärtäminen on avainmenetelmä tekniikan tehokkaaseen soveltamiseen:

InSARin tärkeimmät edut:

Laaja alueellinen kattavuus ja suuri pistetiheys: InSAR voi mitata deformaatioita laajoilla alueilla (satoja neliökilometrejä) yhdellä kuvalla, mittauspisteiden välin ollessa vain kymmeniä metrejä. Tämä tuottaa miljoonia datapisteitä – paljon enemmän kuin maastomittausten spatiaalinen tarkkuus usgs.gov. Menetelmä sopii erinomaisesti paikallisten deformaatio-keskittymien tunnistamiseen laajoilta alueilta – esimerkiksi pienen painuvan alueen löytämiseksi koko kaupungin keskeltä.
Kaukokartoitus (ei maainstrumentteja tarvita): Koska tekniikka perustuu satelliitteihin, InSARilla voidaan valvoa syrjäisiä tai vaikeapääsyisiä alueita (vuoret, autiomaat, sota-alueet) ilman maainfrastruktuuria. Näin ei myöskään tarvitse käydä fyysisesti mahdollisesti vaarallisilla paikoilla (tulivuoret, maanvyörymät) saadakseen deformaatiodataa.
Korkea tarkkuus ja herkkyys: InSAR kykenee havaitsemaan erittäin pieniä maan liikkumisia – millimetreistä senttimetreihin asti – satelliitin toistosyklin aikana en.wikipedia.org. Vastaavan tarkkuuden saavuttaminen laajoilla alueilla perinteisin menetelmin on hankalaa ja kallista. Menetelmät kuten PS-InSAR parantavat tarkkuutta edelleen muutamaan millimetriin vuodessa vakailla kohteilla earthdata.nasa.gov.
Kustannustehokkuus: Olemassa olevan satelliittidatan käyttö (erityisesti maksuttomat lähteet kuten Sentinel-1) on kustannustehokkaampaa kuin GPS-verkkojen tai tihen maamittausten toteutus. InSAR vaatii usein vain datankäsittelyä ja asiantuntemusta – aineisto on enenevässä määrin avointa ja ilmaista. On jopa todettu, että InSAR on ”usein halvempaa kuin harvat ja pistemäiset havaintopisteet työvointakehittävästä suo- ja GPS-mittauksesta” usgs.gov, etenkin säännöllisessä seurannassa.
Säästä riippumattomuus, yö–päivä-kyky: Tutkasignaalit eivät juuri kärsi säästä (ne läpäisevät pilvet) eikä ne tarvitse auringonvaloa. InSAR voi siis kerätä dataa pilvien, savun ja myös yöllä capellaspace.com. Tämä on valtava etu optiseen kuvantamiseen verrattuna alueilla, joissa on paljon pilviä tai pitkiä kaamoksia, ja mahdollistaa myös nopean reagoinnin tapahtumiin (interferogrammi voidaan tehdä, vaikka maanjäristys tapahtuisi yöllä tai myrskyssä – optisilla kameroilla pitäisi odottaa kirkasta päivää).
Historiallinen data-arkisto: SAR-dataa on tallennettu pitkään (ERS-1:stä lähtien 1990-luvulta). Usein voidaan tarkastella menneitä deformaatioita arkistokuvia prosessoimalla. Tällainen analyysi voi paljastaa maankamaran muutoksia, jotka ovat tapahtuneet ennen mittausverkkoja tai jääneet muuten huomaamatta (esim. hidas painuma vuosikymmenissä). Tämä mahdollistaa ”ajassa taaksepäin matkustamisen” maaperän muutosten analyysiin, kunhan SAR-kuvia on olemassa siltä ajalta.
Synergia muiden aineistojen kanssa: InSAR-tuloksia voidaan yhdistää malleihin ja muihin datoihin (esim. InSARista johdettu syrjäytymiskartta pohjavesimalliin tai siirrosmalliin). Se ohjaa myös maasensoreiden suuntaamista – jos InSAR havaitsee yllättävän liikkeen jossain kohdassa, tutkijat voivat asentaa sinne GPS-laitteita tarkempaa tutkimusta varten usgs.gov.

InSARin keskeiset rajoitteet ja haasteet:

Signaalin decorrelaatio: InSAR edellyttää, että saman maanpinnan alueen tutkasignaali pysyy koherenttina eri kuvien välillä. Muutokset maan pinnalla voivat satunnaistaa vaiheen, jolloin mittaus käy mahdottomaksi näillä alueilla. Kasvillisuuden kasvu, maanviljely (kyntö), lumipeitteen muutokset tai rakentaminen voivat kaikki aiheuttaa decorrelaatiota en.wikipedia.org en.wikipedia.org. Runsaasti kasvillisuutta sisältävillä tai nopeasti muuttuvilla alueilla suuri osa interferogrammista voi näkyä kohinaisena (decorreloituneena) eikä tuottaa käyttökelpoista dataa. Myös pidemmät aikavälit ja pidemmät spatiaalibaselinet lisäävät decorrelaatiota en.wikipedia.org. Kehittyneet menetelmät (PS, SBAS) lieventävät tätä keskittymällä vakaisiin pisteisiin tai lyhyempiin aikaväleihin, mutta decorrelaatio pysyy perustavanlaatuisena rajoitteena – esimerkiksi InSAR on haastava tiheästi metsäisillä trooppisilla alueilla (mistä johtuu kiinnostus L-kaistan tehtäviin, joissa decorrelaatio vähenee kasvillisuudessa).
Näkölinjamittaus (suuntariippuvuus): InSAR mittaa deformaatioita vain satelliitin näkölinjan suuntaisesti (jolla on yleensä 20–45° kulma pystysuorasta). Tämä tarkoittaa, ettei saada koko kolmiulotteista siirtymävektoria yhdestä InSAR-aineistosta researchgate.net. Pystysuuntainen liike ja tutkan katselusuunnan vaakakomponentti tallentuvat, mutta liike, joka on kohtisuorassa tutkasädettä vasten (esim. pohjois–etelä-liike polaariradalla olevalle satelliitille), voi jäädä havaitsematta. Deformaation täyteen karakterisointiin tarvitaan usein kaksi katselugeometriaa (nouseva ja laskeva rata) tai InSARin ja GNSS:n yhdistämistä. Lisäksi InSAR antaa suhteellista siirtymää pisteiden välillä – yleensä yksi pikseli valitaan referenssiksi (oletetaan paikallaan), ja muut mittaukset määritellään siihen suhteutettuna. Koko alueelle yhteisen, tasaisen liikkeen tai pitkän aallonpituuden kallistuksen havaitseminen voi olla vaikeaa ilman ulkoisia referenssejä.
Ilmakehäviiveet: Ilmakehän vaihtelut tutkamittausten välillä voivat aiheuttaa vaiheviiveitä, jotka jäljittelevät deformaatioita. Esimerkiksi kostean ilman tasku tai paine-ero voi hidastaa tutkasignaalia, jolloin syntyy vaihekaava, joka ei liity maan liikkeeseen en.wikipedia.org en.wikipedia.org. Tällaiset ilmakehävirheet voivat esiintyä muutamien kilometrien tai kymmenien kilometrien mittakaavassa, muodostaen joskus “rengasmaisia” kuvioita tai gradientteja, jotka voitaisiin sekoittaa todelliseen deformaatioon, jos niitä ei korjata. Menetelmiä ilmakehän vaikutuksen vähentämiseksi on (esim. useiden interferogrammien pinoaminen, säämallit tai GNSS:n vesihöyrydata), mutta se on merkittävä virhelähde pienissä deformaatioissa. InSAR on luotettavin silloin kun signaalilla on selkeä spatiaalinen kuvio tai ajallinen kehitys, joka erottaa sen satunnaisesta ilmastokohinasta.
Satelliittien kattavuus ja kuvausvälit: Vaikka useita satelliitteja on toiminnassa, yhä on rajoituksia siinä milloin ja missä dataa kerätään. Satelliitilla on kiinteä kiertorata ja kuvausaikataulu; jos tietyn alueen tiedonkeruu ei kuulu ohjelmaan, kuvia ei saada (historiallisesti tämä aiheutti datakatkoja joillain alueilla). Aiemmin satelliitit kuten ERS tai Envisat eivät kuvanneet jatkuvasti kaikkialta, jolloin joidenkin paikkojen arkistot jäivät harvoiksi en.wikipedia.org. Nykyään Sentinel-1 tuottaa järjestelmällistä kattavuutta, mutta korkean resoluution kaupallisia SAR-kuvia hankitaan usein vain tilauksesta. InSAR-seuranta tietyllä alueella siis perustuu säännöllisiin kuvauskertoihin. Menetelmä ei tarjoa jatkuvaa reaaliaikaista seurantaa – dataa saadaan ehkä 6–12 päivän välein (tai pidemmillä väleillä, jos satelliitti epäonnistuu tai on poissa päältä). Jos tapahtuma sattuu kuvien välissä, nähdään vain sen kumulatiivinen vaikutus jälkikäteen. Tämä ei rajoita hitaita prosesseja, mutta jonkin hyvin äkillisen, kuten notkon tai maanvyöryn kohdalla InSAR voi missata tapahtumahetken (mutta havaita mahdolliset ennakkopiirteet tai jälkiseuraukset).
Geometriset ongelmat (layover/varjostus): SAR on sivusta kuvaava, joten jyrkillä alueilla (vuoret, jyrkänteet) tai korkeiden rakennusten ympärillä voi tapahtua layoveria (eri korkuiset kohteet näkyvät samassa pikselissä) tai radarivarjostusta (ei dataa rinteistä, jotka ovat poispäin sensorista) en.wikipedia.org. Tämä tarkoittaa, että joitain paikkoja (esim. jyrkät pohjoisrinteet ylöspäin nousevalla radalla) ei voida kuvata kunnolla, joten InSAR-peitossa jää katvealueita. Maanpintaiset tai lentävät InSAR-järjestelmät voivat osin kattaa nämä katveet, mutta satelliitti-InSARilla on tuo geometriarajoitus.
Vaatii asiantuntemusta ja prosessointia: Vaikka dataa on runsaasti, luotettavan InSAR-tuloksen tuottaminen ei ole yksinkertaista. Prosessointi vaatii monia vaiheita (kohdistus, interferogrammien muodostaminen, vaiheen avaaminen, jne.) ja tarkkaa analyysiä virhesignaalien välttämiseksi. Tulokset voivat olla herkkiä prosessointiparametreille. Nykyisin asia helpottuu avoimen lähdekoodin työkalujen ja pilvipalveluiden myötä, mutta interferogrammien oikea tulkinta (esim. artefaktin erottaminen todellisesta deformaatiosignaalista) vaatii yhä erikoisosaamista groundstation.space.
Rajoitteet hyvin nopeissa tai suurissa liikkeissä: Jos maa liikkuu enemmän kuin puolet tutkan aallonpituudesta hankintojen välillä (~2,8 cm C-kaistalla, ~1,5 cm X-kaistalla, ~12 cm L-kaistalla), vaihe voi kääriytyä monta kertaa, jonka avaaminen ja tulkinta käy vaikeaksi. Hyvin nopeat liikkeet voivat hajottaa signaalin (esim. maanjäristyksen siirros metrin verran – tämä kohta voi menettää koherenssin). Siksi InSAR soveltuu parhaiten pieniin ja kohtalaisiin deformaatioihin. Erittäin suuret (metrien) tai äkilliset muutokset (esimerkiksi räjähdys, joka tekee kraatterin) eivät välttämättä tallennu muuten kuin vaikutusalueen ääriviivana.

Käytännössä moni näistä rajoitteista voidaan lieventää menetelmillä: käyttämällä lyhyempiä kuvausvälejä, hyödyntämällä monitemporaalisia tekniikoita, kalibroimalla ulkoisella datalla ja keskittymällä sopiviin alueisiin. Rajoitteistaan huolimatta InSARin edut useimmiten ylittävät haasteet – etenkin nyt kun dataa on runsaasti saatavilla. Se tarjoaa ainutlaatuisen laajakenttäisen näkymän, johon mikään muu tekniikka ei yllä, ja monissa deformaatio-ongelmissa siitä on tullut vakiotyökalu.

Todellisen maailman tapaustutkimuksia

Yllä olevien käsitteiden havainnollistamiseksi tässä on lyhyt valikoima todellisia tapaustutkimuksia, joissa InSAR on ollut ratkaisevassa roolissa:

Vuoden 2003 Bam-maanjäristys, Iran: InSARia käytettiin kartoittamaan tuhoisan Bam-maanjäristyksen aiheuttamaa maankamaran muodonmuutosta. Interferogrammi osoitti noin 25 cm maanpinnan siirtymää murtumalinjan poikki. Tämä tieto auttoi tutkijoita toteamaan, että järistys tapahtui kartoittamattomalla liukuma-vikaanilla ja antoi uutta tietoa siirtymän jakautumisesta, mikä oli tärkeää alueen seismisen vaaran uudelleenarvioinnissa.
Vuoden 2011 Tōhoku-maanjäristys, Japani: Japanin PALSAR-satelliitti (ALOS) tallensi valtavat muodonmuutokset M9.0 Tōhoku-järistyksessä. Näkölinjan siirtymät ylittivät joillakin alueilla metrin (useita interferenssijuovia), ja yhdistettynä GPS:ään ne paljastivat merenpohjan kohoamisen, joka edesauttoi tsunamin syntyä. Tapaus korosti InSARin arvoa suurten alityöntömaanjäristysten kartoituksessa ja täydensi Japanin tiheää GPS-verkostoa.
Napoli (Campi Flegrei), Italia: Persistenssihajottajiin perustuva InSAR (ERS/Envisat ja myöhemmin COSMO-SkyMed) on seurannut Campi Flegrein kalderaa, joka on levoton tulivuoriseutu tiheästi asutun kaupungin alla. InSAR havaitsi muutamien senttimetrien kohotusta (esim. 2012–2013), mikä varoitti tutkijoita ja viranomaisia lisääntyneestä tulivuoripaineesta. Mittaukset yhdistettynä maanpinnan sensoreihin auttavat määrittämään alueen vaaratilannetta (tällä hetkellä koholla, mutta ei purkauksessa).
Central Valley, Kalifornia: Usean vuoden InSAR-aikasarjoja (Envisatista ja myöhemmin Sentinel-1:stä) on käyttänyt Yhdysvaltojen geologinen tutkimuslaitos kartoittaakseen pohjaveden aiheuttamaa maan painumista Kalifornian Central Valleyssa. Eräs merkittävä havainto oli, että vuosien 2012–2016 kuivuuden aikana San Joaquin Valleyssa maa painui yli 60 cm, mikä vahingoitti kanavia ja kaivoja. InSAR-kartat osoittivat painuman laajuuden ja ohjasivat vesivarojen hallintaa usgs.gov.
Oslo, Norja (kaupunkirakenteet): Oslon InSAR-kartoitukset paljastivat painumaa keskustan alueella, joka on rakennettu täyttömaalle. Yhdistämällä Sentinel-1 PS-InSAR ja historialliset tutkatiedot selvisi, että vanhemmat osat keskusrautatieasemasta (pehmeällä maalla) painuivat, kun taas uudemmat rakenteet, jotka oli perustettu kallioon, olivat vakaita esa.int esa.int. Tämä tapaus osoitti, miten InSAR voi tunnistaa erilaiset painumat kaupunkialueilla, auttaen kaupunki-insinöörejä priorisoimaan perusvahvistuksia.
Kolmen rotkon pato, Kiina: InSARia on käytetty mittaamaan rinteitä suuren Kolmen rotkon tekojärven ympärillä. Kun vesivaraston tasoa nostettiin, useat rinteet alkoivat liikkua veden kyllästymisen seurauksena. Kiinalaiset viranomaiset hyödynsivät InSARia (ja maanpinnan sensoreita) havaitakseen nämä liikkeet varhain sciencedirect.com nhess.copernicus.org, mikä johti ennakoiviin evakuointeihin ja stabilisointitoimenpiteisiin tietyillä järven rannoilla. Tämä on erinomainen esimerkki InSARin hyödystä suurten infrastruktuurien turvallisuuden seurannassa.

Kukin tapaustutkimus korostaa InSARin erityisiä vahvuuksia – oli se sitten laaja alueen kattavuus (Central Valley), tarkkuus (Campi Flegrei) tai kyky tunnistaa ongelmakohdat (Oslo, Kolmen rotkon pato). Usein InSAR yhdistetään muuhun dataan (Japanissa GPS-verkostoon, Kaliforniassa korkeudenmittauksiin tai Norjassa geologisiin tutkimuksiin). Voidaan todeta, että InSAR on siirtynyt 1990-luvun kokeiluista 2020-luvun operatiiviseksi ja luotetuksi muodonmuutostiedon lähteeksi.

Tulevaisuuden suuntaukset ja innovaatiot InSARissa

InSAR-teknologia kehittyy nopeasti, ja uudet satelliittihankkeet sekä tiedon käsittelyteknologiat parantavat sen mahdollisuuksia entisestään. Tässä muutamia tärkeitä tulevaisuuden suuntauksia ja innovaatioita:

Uudet monitaajuiset SAR-missiot: NISAR-satelliitin (NASA-ISRO Synthetic Aperture Radar) laukaisu noin vuonna 2025 tulee olemaan merkkipaalu. NISAR käyttää sekä L- että S-kaistan tutkaa, tarjoten runsaan tietoaineiston muodonmuutostutkimuksiin. Pitkäaaltoisempi L-kaista (kuten NISARilla ja tulevalla ESA BIOMASS -missiolla P-kaistalla) parantaa mahdollisuuksiamme seurata kasvillisuuden peittämiä alueita maailmanlaajuisesti ja vähentää epäkorrelaatiota earthdata.nasa.gov. Näemme myös jatkuvuusmissioita kuten Sentinel-1C/D ylläpitämässä C-kaistan kattavuutta. Saatujen eri taajuuksien yhdistäminen (X, C, L, S ja jopa P) eri satelliiteista mahdollistaa monikaistaiseen InSAR-analyysin – esimerkiksi käytetään L-kaistaa vahvistamaan C-kaistan havaintoa.
Tiheämmät ylilennot ja satelliittikonstellaatiot: Suuntaus on kohti useampia satelliitteja ja tiheämpää havaintoa. 2020-luvun loppuun mennessä suurin osa Maasta voidaan mahdollisesti kuvata päivittäin pienistä kaupallisista SAR-satelliittikonstellaatiosta (kuten Capella Space, ICEYE jne.) hallitusten järjestelmien lisäksi. Tiheä ajallinen otanta parantaa nopeiden tapahtumien todennäköisen havaittavuuden ja mahdollistaa lähes reaaliaikaisen muodonmuutosten seurannan. Esimerkiksi Capella Space mainostaa sekamuotoista konstellaatioita saadakseen eri kulmat ja erittäin tiheät ylilennot capellaspace.com capellaspace.com. Tiheä data ja automatisoitu prosessointi voi tarkoittaa, että esimerkiksi järistyksen tai tulivuoren aktiviteetin jälkeen InSAR-tulos on valmiina parissa päivässä auttamaan viranomaisia.
Operatiiviset seurantapalvelut: InSAR siirtyy tutkimustyökalusta operatiiviseksi palveluksi viranomaisille. InSAR-pohjaiset muodonmuutoskartoituspalvelut ovat tulossa käyttöön kansallisella ja alueellisella tasolla. Esimerkiksi Norjan InSAR Norge -hanke tuottaa vuosittain kattavat maanliikkeiden kartat koko maasta esa.int esa.int. European Ground Motion Service (EGMS) on toinen aloite, joka tuottaa yhtenäistä PS-InSAR-tietoa koko Eurooppaan Sentinel-1:n avulla. Voimme odottaa yhä useamman maan ottavan käyttöön vastaavia palveluita (joissain maissa, kuten Italiassa, kansallinen pohjamuutosten portaali on jo olemassa). Nämä palvelut tuovat InSARin loppukäyttäjälle myös ilman asiantuntijaosaamista helposti tulkittavien vakaus- ja muutoskarttojen muodossa. Laaja käyttöönotto lisää painetta standardoida menetelmiä, parantaa luotettavuutta ja vastata käyttäjien tarpeisiin (esim. muutossyiden selvä erottaminen).
Kehittynyt prosessointi ja algoritmit: Tiedon analysoinnissa kehitetään jatkuvasti uusia menetelmiä InSARin tarkkuuden parantamiseksi. Ilmakehän korjaus on yksi kehitysalue – apuna käytetään säämalleja, GNSS-pohjaista vesihöyrydataa tai itse SAR-dataa (esim. split-spectrum -menetelmät) ilmakehän aiheuttaman kohinan vähentämiseksi earthdata.nasa.gov earthdata.nasa.gov. Myös koneoppiminen ja tekoäly nousevat merkittäviksi: niiden avulla voidaan mm. parantaa vaiheiden avaamista (niin sanottujen 2π -epävarmuuksien ratkaisu), tunnistaa muodonmuutoskuvioita (esim. automaattinen tunnistus sadoista tulivuorista) sekä yhdistää multimodaalia dataa. Tutkijat ovat alkaneet käyttää koneoppimista automaattiseen poikkeaman tunnistukseen suurissa InSAR-aineistoissa, jotta potentiaaliset riskit (kuten tulivuoren purkaus tai infrastruktuuriviat) löytyisivät taustakohinan seasta agupubs.onlinelibrary.wiley.com. Lisäksi uudet algoritmit, kuten Distributed Scatterer InSAR (DS-InSAR), yhdistävät PS:n ja SBAS:n vahvuudet hyödyntäen myös osittain koherentteja pikseleitä, jolloin maaseutualueilla saadaan tiheämpi aikasarja. Kolmiulotteinen InSAR (SAR-tomografia) on toinen kehitysaskel: useilla hieman eri kulmista otetuilla ylilennoilla (tai yhteistoimivilla satelliiteilla kuten TanDEM-X) voidaan erotella samassa pikselissä olevia eri korkeuksia (hyödyllistä kaupungeissa maan- ja rakennusten liikkeiden erottamiseksi). Menetelmät ovat raskaita laskennallisesti, mutta mahdollistuvat laitteistokehityksen myötä yhä paremmin.
Integrointi muiden sensoreiden kanssa: Tulevaisuudessa InSAR integroidaan entistä tiiviimmin muihin paikkatieto- ja geofysikaalisiin sensoreihin. Esimerkiksi InSAR- ja GNSS-yhdistelmät automatisoiduissa prosesseissa: GNSS voi korjata pitkäaaltoisia virheitä InSARissa, kun taas InSAR antaa paikkatiedollista kontekstia GNSS-verkoille papers.ssrn.com. Myös optisen aineiston yhdistäminen InSARiin yleistyy: esimerkiksi maanvyörymät havaitaan InSARilla ja vahvistetaan optisella kuvalla. Riski- ja vaaranseurannassa InSAR voi olla osa monisensorista järjestelmää, johon kuuluvat seismiset sensorit, inklinometrit, lidar jne., kaikki esimerkiksi tulivuoriobservatorion käyttöliittymään syötettynä. Tavoitteena on kokonaisvaltainen valvonta, jossa InSAR on yksi kerros muiden joukossa.
Polarimetrinen InSAR ja uudet sovellukset: Polarimetrinen InSAR (Pol-InSAR) yhdistää tutkapolarisaation ja interferometrian, ja tämä kehittyvä tekniikka voi auttaa hajontamekanismien tunnistuksessa ja mahdollistaa maan ja kasvillisuuden liikkeiden erottelun earthdata.nasa.gov earthdata.nasa.gov. Vaikka toistaiseksi melko erityiskäyttöä, se voi parantaa muodonmuutosten seurantaa kasvillisuusalueilla suodattamalla pois kasviston liikkeet. Myös uusia sovellusaloja on tulossa: esimerkiksi tarkkuusviljelyssä voidaan seurata maan kosteuden muutoksia (pienilläkin maan nousemisilla ja painumisilla), tai ikiroudassa seurata vuodenaikojen jäätymisestä syntyviä liikkeitä. Infrastruktuurien kunnonseuranta laajenee – jatkossa saatetaan seurata jokaista merkittävää siltaa tai patoa säännöllisesti korkean resoluution SAR-datalla, jolloin saadaan ikään kuin etätarkkailtu rakenteellinen kuntoluokitus. InSARia testataan myös jäätiköiden ja mannerjään liikkeiden mittauksissa, joissa se täydentää optisia menetelmiä ja mittaa mm. jään virtausta ja kiinnittymispisteitä (erityisesti pitkäaaltoisen tutkan ansiosta, joka läpäisee lumen ja mittaa varsinaisen jäämassan liikettä).
Laskenta ja tiedonhallinta: SAR-datan räjähdysmäinen kasvu (uusien satelliittien myötä) tuottaa isoja datan käsittelyn haasteita, mutta myös uusia mahdollisuuksia. Pilvilaskentapalvelut, kuten Google Earth Engine, alkavat jo isännöidä valmiiksi käsiteltyä SAR-dataa, jolloin käyttäjä voi ajaa InSAR-algoritmejä tarvitsematta ladata teratavujen raakadataa. Automatisoidut InSAR-prosessi-putket (osa avoimen lähdekoodin, osa kaupallisia) voivat nyt käsitellä datavirtoja rutiininomaisesti lähes reaaliajassa, minkä päälle operatiiviset palvelut rakentuivat. Tämä trendi jatkuu, ja InSARin tulokset tulevat helpommin kaikkien saataville (voit esimerkiksi kirjautua portaaliin ja katsoa kotipaikkasi maanmuutoksen kuukausittain päivittyvää karttaa).

Tulevaisuutta ajatellen InSARin näkymät ovat valoisat. Erään alan toimijan sanoin, teknologia on “valmiina merkittäviin läpimurtoihin”, kun yhä paremmat algoritmit, tekoäly ja lisääntyvä satelliittien määrä laajentavat InSARin roolia ympäristötutkimuksiin, tarkkuusmaatalouteen ja infrastruktuurivalvontaan capellaspace.com. Voimme kuvitella ajan, jolloin InSARin seurannasta tulee yhtä arkipäiväistä kuin sääsatelliiteista – maanpinnan “pulssia” seurataan rutiininomaisesti, jotta voimme ennakoida ja lieventää luonnonriskejä ja hallita rakennettua ympäristöämme kestävämmin. Kun taivaalla on enemmän “silmää” ja maassa älykkäämpiä työkaluja, InSAR tulee jatkossakin olemaan avainasemassa dynaamisen planeettamme muutosten ja liikkeiden havaitsemisessa, tuottaen ratkaisevia oivalluksia sekä tieteelle että yhteiskunnalle.

Viitteet (Keskeiset lähteet)

Interferometrisen tutkan (InSAR) perusteet – Yhdysvaltain geologinen tutkimuslaitos usgs.gov usgs.gov
Wikipedia: Interferometrinen avaruustutka (InSAR) – yleiskatsaus, pysyvät hajottajat ja sovelluskohteet en.wikipedia.org en.wikipedia.org en.wikipedia.org
NASA Earthdata (Z. Lu, 2006/2024): Interferometric SAR: Rakennamme huomisen työkaluja tänään – yksityiskohtainen selitys InSAR-tekniikasta ja kehityksestä earthdata.nasa.gov earthdata.nasa.gov
Twenten yliopisto ITC: SBAS (Small Baseline Subset) InSAR -tekniikan selitys ltb.itc.utwente.nl ltb.itc.utwente.nl
MDPI Remote Sensing (2022): InSAR:n ja GNSS:n integrointi maaperän painuman tutkimuksessa – vertailu InSAR- ja GNSS-pisteiden välillä mdpi.com
Capella Space (2025): Kuinka InSAR mullistaa Maan havainnoinnin – SAR:n (säästä riippumaton, yöllinen toiminta) edut ja tulevaisuuden näkymät capellaspace.com capellaspace.com
ESA Copernicus Sentinel-1: Satelliitit vahvistavat San Franciscon Millennium Towerin painumisen – esimerkki kaupunkiympäristön painumasta esa.int esa.int
Scientific Reports (2024): Meksikon metrojärjestelmän painumatutkimus – äärimmäiset painumat ~500 mm/vuosi Mexico Cityssä nature.com
Groundstation.Space (2022): Väärinkäsityksiä InSAR-datan tulkinnasta – haasteiden, kuten resoluution ja keskiarvoistuksen, tarkastelu (groundstation.space).
ESA InSARap -tutkimus: San Franciscon ja Oslon muodonmuutokset – kansallisen mittakaavan seurantakyky osoitettu esa.int esa.int.