InSAR و پایش فرونشست زمین با دقت میلی‌متری

مقدمه: فرونشست زمین در منطقه صنعتی شمال اصفهان

فرونشست زمین یکی از مخاطرات ژئوتکنیکی است که به طور خاموش و تدریجی رخ می‌دهد. بر خلاف زلزله که ناگهانی است، فرونشست می‌تواند سال‌ها بدون هیچ نشانه مشهودی پیشروی کند تا زمانی که آسیب ساختاری به ابنیه، خطوط لوله یا جاده‌ها آشکار شود. در منطقه صنعتی شمال اصفهان (فرضی برای این مطالعه)، گزارش‌هایی از ترک‌خوردگی در دیوار برخی کارخانه‌ها و اختلاف تراز در کف انبارها دریافت شده بود که نگرانی‌هایی درباره پایداری زمین ایجاد کرده بود.

پایش دقیق فرونشست با روش‌های سنتی مانند ترازیابی دقیق یا GPS بسیار پرهزینه و محدود است. این روش‌ها فقط در نقاط خاص اندازه‌گیری می‌کنند و تصویر کاملی از الگوی فضایی فرونشست به دست نمی‌دهند. تداخل‌سنجی راداری (InSAR) با استفاده از تصاویر SAR ماهواره Sentinel-1 راه‌حلی است که می‌تواند با دقت میلی‌متری، نقشه کامل تغییر شکل زمین را در مقیاس صدها کیلومتر مربع و با هزینه بسیار پایین فراهم کند.

روش D-InSAR: اصول تداخل‌سنجی تفاضلی

InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) بر اساس اندازه‌گیری اختلاف فاز بین دو تصویر SAR گرفته‌شده از یک ماهواره در زمان‌های مختلف کار می‌کند. ماهواره Sentinel-1 از باند C (فرکانس ۵.۴ گیگاهرتز، طول موج ۵.۶ سانتیمتر) استفاده می‌کند. وقتی زمین بین دو گذر ماهواره فرو می‌نشیند، مسافت بین سطح زمین و ماهواره تغییر می‌کند. این تغییر مسافت در اختلاف فاز سیگنال راداری بازتابیده منعکس می‌شود.

در روش D-InSAR (تداخل‌سنجی تفاضلی)، علاوه بر تغییرات فاز ناشی از تغییر ارتفاع زمین، مؤلفه فازی ناشی از توپوگرافی نیز با استفاده از یک مدل ارتفاعی رقومی (DEM) حذف می‌شود. نتیجه یک اینترفروگرام «خالص» است که فقط تغییرات جابه‌جایی زمین را نشان می‌دهد. فرمول تبدیل اختلاف فاز به جابه‌جایی به این شکل است:

d = λ/(4π) × Δφ

در این فرمول، d جابه‌جایی در امتداد خط دید ماهواره (LOS) بر حسب متر، λ طول موج ماهواره (۵.۶ سانتیمتر برای Sentinel-1) و Δφ اختلاف فاز اندازه‌گیری‌شده بر حسب رادیان است. هر چرخه کامل فاز (۲π رادیان) معادل نصف طول موج یعنی ۲.۸ سانتیمتر جابه‌جایی است.

پردازش با نرم‌افزار SNAP

نرم‌افزار SNAP (Sentinel Application Platform) ابزار رسمی و رایگان ESA برای پردازش داده‌های ماهواره‌های Copernicus از جمله Sentinel-1 است. زنجیره پردازش InSAR در SNAP شامل مراحل زیر است که به ترتیب اجرا می‌شوند:

مرحله ۱ - TOPSAR-Split: تصاویر Sentinel-1 IW (Interferometric Wide) به سه زیر-سواث (IW1، IW2، IW3) و چند Burst تقسیم می‌شوند. برای هر محدوده مطالعاتی، Burst یا Burstهای مرتبط انتخاب می‌شوند تا حجم داده پردازشی کاهش یابد.

مرحله ۲ - Apply Orbit File: فایل مداری دقیق ماهواره که چند روز بعد از هر گذر توسط ESA منتشر می‌شود، روی تصویر اعمال می‌شود. این مرحله دقت هندسی را بهبود می‌بخشد.

مرحله ۳ - Back-Geocoding: دو تصویر Master و Slave با هم هم‌راستا می‌شوند (Coregistration). این مرحله بحرانی است؛ هر اختلاف زیر‌پیکسلی در هم‌راستایی به خطا در اینترفروگرام منجر می‌شود. DEM مرجع در این مرحله به کار می‌رود.

مرحله ۴ - Interferogram Formation: اینترفروگرام از ضرب یک تصویر در مزدوج مختلط تصویر دیگر حاصل می‌شود. در این مرحله flat-earth phase (فاز ناشی از کرویت زمین) نیز حذف می‌شود.

مرحله ۵ - TOPSAR-Deburst: Burstهای مجزا با هم ادغام می‌شوند تا یک تصویر پیوسته ایجاد شود.

مرحله ۶ - Goldstein Phase Filtering: فیلتر Goldstein برای کاهش نویز فازی و بهبود کیفیت Fringe‌ها اعمال می‌شود.

مرحله ۷ - Phase Unwrapping: فاز اولیه در محدوده [-π, π] قرار دارد (Wrapped Phase). Phase Unwrapping این ابهام را برطرف و فاز پیوسته را بازیابی می‌کند.

مرحله ۸ - Phase to Displacement: اختلاف فاز با فرمول d = λ/(4π) × Δφ به جابه‌جایی تبدیل می‌شود.

مرحله ۹ - Terrain Correction: تصویر از فضای Slant Range به فضای جغرافیایی تبدیل و با DEM تصحیح می‌شود.

گراف پردازش SNAP (XML)

SNAP امکان تعریف زنجیره پردازش به صورت گراف XML را می‌دهد که می‌توان آن را به صورت Batch برای چندین جفت تصویر اجرا کرد. قطعه زیر بخشی ساده‌شده از این گراف را نشان می‌دهد:

اجرای Batch از طریق ابزار خط فرمان gpt (Graph Processing Tool) انجام می‌شود که همراه با SNAP نصب می‌شود. این روش برای پردازش ده‌ها جفت تصویر در یک پروژه پایش بلندمدت بسیار کارآمد است و می‌توان آن را در یک اسکریپت Shell یا Python خودکار کرد.

تفسیر اینترفروگرام: Fringe Pattern

اینترفروگرام نهایی به صورت نقشه رنگی نشان داده می‌شود که در آن هر چرخه رنگی کامل (معمولاً از آبی تا قرمز) نمایانگر نصف طول موج یعنی ۲.۸ سانتیمتر جابه‌جایی است. مناطق با تراکم بالای Fringe (خطوط رنگی نزدیک به هم) نشان‌دهنده گرادیان جابه‌جایی زیاد هستند؛ یعنی مناطقی که در فاصله کوتاهی تغییر شدید داشته‌اند.

در اینترفروگرام منطقه مورد مطالعه، یک الگوی بیضوی متراکم در محدوده کارخانه‌های شرقی مشاهده شد. این الگو حاکی از کانون فرونشست با شعاع تقریبی ۱.۵ کیلومتر بود. در مرکز این کانون، بیشترین تراکم Fringe و بنابراین بیشترین نرخ فرونشست دیده می‌شد. در حاشیه، گرادیان جابه‌جایی کمتر بود که نشان‌دهنده انتقال تدریجی از منطقه فرونشسته به زمین پایدار بود.

نتایج: نرخ فرونشست در نقاط پایش

برای کمّی‌سازی دقیق‌تر، ۸ نقطه پایش (PS - Persistent Scatterer) در محدوده مطالعاتی انتخاب شدند. این نقاط روی سازه‌های مصنوعی ثابت مانند گوشه‌های ساختمان‌ها و دکل‌ها قرار داشتند که پراکنش راداری پایداری در طول زمان دارند. نرخ فرونشست در این نقاط برای یک دوره ۲ ساله محاسبه شد:

دلایل احتمالی فرونشست و توصیه‌ها

بررسی داده‌های زمینی و مقایسه با الگوی فضایی فرونشست دو عامل اصلی احتمالی را مشخص کرد. اول: برداشت بیش از حد آب زیرزمینی. چاه‌های صنعتی متعددی در محدوده مطالعاتی فعال بودند و هیدروگراف آب‌های زیرزمینی طی پنج سال گذشته افت پیوسته‌ای نشان می‌داد. کاهش فشار آب در لایه‌های آبدار باعث تراکم رسوبات ریزدانه بین‌لایه‌ای می‌شود که فرونشست تدریجی را ایجاد می‌کند.

دوم: بار ساختاری صنعتی. وجود انبارهای سنگین پر از مواد خام فلزی در کانون فرونشست این فرضیه را تقویت می‌کرد که بار اضافی روی لایه‌های رسی ضعیف می‌تواند تراکم تدریجی و فرونشست ایجاد کند، به خصوص اگر پی‌سازی کافی نبوده باشد.

توصیه‌های فنی پروژه شامل موارد زیر بود: نصب پیزومترهای پایش سطح آب زیرزمینی در حداقل ۴ نقطه برای تأیید رابطه علّی، انجام حفاری‌های ژئوتکنیکی برای شناسایی جنس و ضخامت لایه‌های رسوبی در کانون فرونشست، محدود کردن برداشت از چاه‌های صنعتی در فصل تابستان، و ادامه پایش InSAR شش‌ماهه برای رصد روند تغییرات.