Milyen felszín- és épületmozgások voltak az elmúlt 2 és fél évben a fővárosban és környékén? Erre tudunk választ adni közel 7000 négyzetkilométeren, mintegy 1,5 millió pontban a legkorszerűbb űrgeodéziai módszer segítségével.
Elkészítettük Budapest és környéke első, a Sentinel-1 műholdak adatain végzett állandó szórópontú műholdradar-interferometriás elemzését. A 2014 októbere óta eltelt időszakban összesen 80 műholdátvonulás alkalmával észlelt adatok alapos, komplex feldolgozásával soha nem látott részletességgel rajzolódik ki környezetünk elsősorban magassági irányú mozgása.
Budapesten és környékén a legkiterjedtebb és legnagyobb, akár több mint 1 cm/év nagyságú felszínemelkedés Kőbányán volt kimutatható a korábbi műholdradaros, illetve földi ellenőrző mérések alapján. Ennek oka a feltételezések szerint a múlt század második felében még számottevő helyi vízkivétel megszűnése, a talajvíz elmúlt évtizedekben tapasztalható jelentős megemelkedése volt. A most bemutatott eredmények egyértelműen bizonyítják, hogy a kőbányai kiemelkedés a terület közel egészén lelassult és lényegében megállt. Jelenleg már csak az anomália délnyugati részén mérhető a korábbiakhoz képest jóval kisebb, legfeljebb 2 mm/év sebességű emelkedés.
Budapest X. kerülete (Kőbánya) és környezete kiemelkedésének időbeli alakulása a Sentinel-1 és a korábbi műholdradar-interferometriás eredmények alapján. (Animáció: Geo-Sentinel Kft., adatok és feldolgozás: Terrafirma 1995-2006, Copernicus Sentinel / Geo-Sentinel Kft. 2014-2017, háttér: Google Earth)
A műholdradar-interferometriás adatokkal elérhető pontosságot jól példázza a Megyeri híd esete, ahol a híd egyes részeinek műholdirányú mozgásában megfigyelhető, kb. 1 cm amplitúdójú, évszakos periódusú jel egyértelműen összefüggésbe hozható a hőmérséklet változásával. A műholdas módszerrel többek között a hídszerkezet hőtágulásából adódó kis deformációkat is ki lehet mutatni.
A Sentinel-1 műholdak észlelései hosszú időn keresztül folytatódnak, az idő előrehaladtával a mozgástörténet a mostaninál is pontosabb meghatározása válik majd lehetővé. Ezek az adatok fontosak lehetnek például bányászati, olajipari és vízügyi szakemberek, nagy fontosságú létesítmények üzemeltetői, közmű- és útépítők, mélyépítők, ingatlanfejlesztők, biztosítótársaságok, önkormányzatok számára, de bárki másnak is, akinek a világ bármely pontján a talaj, az épületek és építmények stabilitásának, mozgásának ismerete hasznos vagy érdekes.
A fenti eredményeket először az Európai Űrügynökség (ESA) Fringe 2017 konferenciáján mutattuk be a finnországi Helsinkiben.
A műholdradar-interferometriáról
A műholdradar-interferometria (Synthetic Aperture Radar Interferometry, InSAR), és ezen belül is az állandó szórópontokat használó módszer (Persistent Scatterer InSAR, PSI) egy olyan mozgásvizsgálati technika, amelynek kifejlődését az Európai Űrügynökség (ESA) műholdjain elhelyezett radarberendezések tették lehetővé, az 1990-es évek elejétől. Az apertúraszintézis elvén működő műholdas radarok a Föld körüli pályáról egy adott frekvencián mikrohullámú sugárzást bocsátanak le a Föld felszíne felé, majd az onnan visszaverődött (szórt) jeleket detektálják. A radarjelek amplitúdója, fázisa és polarizációja különféle információt hordoz például a felszínborításról, a növényzetről, a domborzati viszonyokról, a talaj nedvességtartalmáról. Mivel a műholdak pályáját úgy alakítják ki, hogy azok meghatározott időszakonként újra és újra elrepüljenek pontosan ugyanazon területek felett, az egymás utáni visszatérések sorozata alkalmával végzett észlelések összehasonlításával egy idő után a felszín változásaira is lehet következtetni. Épp ezt csinálja a PSI: a radarmérések fázisviszonyainak pontos meghatározásával meg tudja állapítani, hogy a felszínen elhelyezkedő szórópontok (centiméteres hullámhosszok esetén jellemzően épületek, ember alkotta műtárgyak) műholdirányú távolsága hogyan változik az idővel. A mért fáziskülönbségeknek több összetevője van. Az adatok gondos feldolgozásával, az egyéb hatások modellezésével és korrekciójával ki lehet mutatni a tisztán a felszínváltozásból eredő elmozdulásokat.
A műholdradar-interferometrián alapuló mozgásvizsgálatnak számos előnye van a hagyományos földfelszíni mérési technikákkal összehasonlítva. A felülről, sűrű időbeli mintavételezéssel végzett mérések révén nagy magassági irányú pontosság érhető el. A műholdak akár több száz km-es kiterjedésű látómezeje miatt egységes módon egyszerre hatalmas területet lehet lefedni a mérésekkel. A módszer használata igazán a beépített területeken ideális, ahol a sok szórópont miatt a térbeli felbontása igen sűrű lehet. Mivel az ilyen típusú műholdas észlelések kezdete óta rendelkezésre állnak adatok, a technikával akár a „múltba is láthatunk”, korábbi mozgásokat is feltérképezhetünk. Földi referenciapontokat sem kell hozzá létrehozni, és olyan létesítmények mozgástörténetének a vizsgálatára is ugyanolyan egyszerűen alkalmas, amilyeneket egyébként a tulajdonos engedélye nélkül a helyszínen nem lehetne megközelíteni. A PSI technika természetesen nem mindentudó, így nem is válthatja ki teljesen a földi méréseket: ahol például nincsenek állandó szórópontok (erdős, növény borította területeken, mezőgazdasági táblákon), ott nem mindig alkalmazható – hacsak nem telepítünk mesterséges, a radarjeleket a műhold irányába visszaverő szerkezeteket. Mivel a műholdak nem függőlegesen, hanem azzal bizonyos szöget bezárva bocsátják a felszínre a radarjeleiket, a vízszintes felületekről nincs visszaverődés a műhold irányába.
A mozgások tényének kimutatásánál összetettebb feladat az esetleges felszínváltozások okainak kiderítése. Ez sok esetben körültekintő tudományos és műszaki elemzést kíván. PSI technikával már néhány év leforgása alatt is könnyen mérhető lehet például a felszín alatti ivó- vagy öntözővíz, esetleg a szénhidrogének kitermelése miatti süllyedés, vagy épp ellenkezőleg, az ilyen tevékenység felhagyását követő kiemelkedés. Szóba jöhetnek kiváltó okként az infrastrukturális beruházások, mélyépítés, alagútfúrás, metró-, út- és vasútépítés. A PSI technika ideális a nagyfontosságú építmények stabilitás- és mozgásvizsgálatára, mozgástörténetük feltárására. Esetleges sérülésük így idejekorán történő beavatkozással megelőzhető. De némi erőfeszítés árán lényegében bárki, bárhol a világon megtudhatja, hogyan mozog a számára fontos építmény vagy terület!
A Copernicus programról és a Sentinel-1 műholdakról
Az Európai Bizottság, valamint az Európai Űrügynökség (ESA) közös nagyszabású földmegfigyelési programja a Copernicus. Feladata globális, folyamatos, nagy mértékben automatizált, megbízható, pontos, gyors földmegfigyelési adatok biztosítása szolgálatszerűen, nem utolsósorban műholdas eszközök felhasználásával, a lehető legváltozatosabb formákban és adattípusokkal. Fontos, hogy a Copernicus program adatpolitikája értelmében a műholdas mérési adatokat szabadon, ingyenesen elérhetővé teszik minden felhasználó számára. A fő cél a társadalom és a gazdaság számos területén a műholdas távérzékelési adatok használatának, hasznosításának elősegítése. A világ legösszetettebb földmegfigyelési programjára Európa 2020-ig a becslések szerint összesen 6,7 milliárd eurót költ, ami ugyanakkor a gazdasági haszon révén hosszabb távon sokszorosan megtérül.
Sentinel-1 az európai Copernicus földmegfigyelő program apertúraszintézises radarberendezéssel felszerelt műholdjainak neve. Ezek a műholdak 5,405 GHz-es frekvencián (5,55 cm-es hullámhosszon) bocsátják ki a rádióhullámokat a Föld felé, és 12 m hosszú antennájukkal veszik a felszínről visszaverődött jeleket. Közülük az első, a Sentinel-1A 2014 áprilisában, párja, a Sentinel-1B két évvel később indult. Tervezett működési élettartamuk legalább 7 év. Azonos alakú, a felszíntől mérve közel 700 km magasan, a pólusok fölött húzódó pályán, egymással „szemben” keringenek a Föld körül, így optimalizálják a visszatérési időt a földfelszín egy adott területére vonatkozóan. A két megegyező felszereltségű műholdat használó konfiguráció előnye, hogy egy-egy területről – adott repülési irányt (északról délre, vagy délről északra) figyelembe véve – 6 napos visszatérési idővel végezhetnek újabb radarméréseket (ez a szám az Egyenlítőnél érvényes, magasabb földrajzi szélességeknél rövidebb lehet a visszatérési idő). A műholdak négyféle üzemmódban, különböző szélességű sávokban és más-más felbontással képesek felmérni a földfelszínt. Már megkezdődtek az előkészületek két újabb űreszköz gyártására (Sentinel-1C és -1D), ami biztosítja, hogy hosszú távon, legalább a 2030-as évek végéig folyamatos legyen a mérések sorozata.
Kapcsolódó linkek:
- Budapest műholdas mozgástérképe: a PSInSAR/ASMI technika hazai bevezetése és ellenőrzése (Geodézia és Kartográfia, 2008/11)
- PS-InSAR technika és Budapest mozgástérképe (Űrvilág, 2009)
- Műholdradaros vizsgálatok: létezik ilyen? 1. rész – 2. rész – 3. rész (Űrvilág, 2010)
- Hogy mozogtak a vörösiszap-tározó gátjai? (Űrvilág, 2012)
- Copernicus honlap (EU)
- Sentinel-1 műholdak (ESA)