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viStaMPS: UM PROJETO COLABORATIVO InSAR

Joaquim J. Sousa1, Pedro Guimarães2,3, António Sousa1, Glória Patrício4,5, Antonio M. Ruiz-Armenteros6,7 e Luísa Bastos4

1 INESC TEC (formerly INESC Porto) e UTAD – Universidade de Trás-os-Montes e Alto Douro, 5000-801 Vila Real, Portugal 2 Universidade de Tras-os-Montes e Alto Douro, UTAD, Quinta de Prados, 5000-801 Vila Real, Portugal

3 Departamento de Física, Instituto Politécnico do Porto, Instituto Superior de Engenharia do Porto, Rua Dr Antonio Bernardino de Almeida, 431, 4200-072 Porto, Portugal

4 Departamento de Geociências, Ambiente e Ordenamento do Território, Faculdade de Ciências, Universidade do Porto, Portugal 5 Instituto Politécnico da Guarda, Av. Dr. Francisco Sá Carneiro nº50, 6300-559 Guarda, Portugal

6 Departamento de Ingeniería Cartográfica, Geodésica y Fotogrametría, Universidad de Jaén, Campus Las Lagunillas, Edificio A3, 23071 Jaén, Spain

7 Centro de Estudios Avanzados en Ciencias de la Tierra CEACTierra, Universidad de Jaén, Spain

(jjsousa@utad.pt; psg@isep.ipp.pt; amrs@utad.pt; gpatricio@ipg.pt; amruiz@ujaen.es; lcbastos@fc.up.pt)

Palavras-chave: ViStaMPS, StaMPS, Deformation, InSAR, Time series

Resumo: O viStaMPS (visual StaMPS) é uma nova aplicação informática, desenvolvida para melhorar a visualização, a manipulação e a exportação de dados resultantes do processamento de séries temporais SAR com o StaMPS. A aplicação desenvolvida foi programada em MATLAB®, através da criação de uma interface gráfica com o utilizador (GUI) e não exige, por parte do utilizador, qualquer conhecimento de programação para executá-la. Esta ferramenta integra novos recursos que, em conjunto com vários scripts do StaMPS, permitem a geração de mapas numa interface de fácil utilização. A substituição da tradicional linha de comandos, lado no StaMPS, por alguns botões e/ou alguns parâmetros facilmente localizáveis em painéis visuais, facilita a familiarização com as técnicas interferométricas e os resultados por elas originadas. Além disso, e por ser desenvolvido em MATLAB®, o viStaMPS permite aos utilizadores a oportunidade de acederem aos dados de forma fácil e fazer as suas próprias modificações. Tratando-se de uma ferramenta de e para investigação, o viStaMPS está em constante desenvolvimento e conta com o dinamismo dos seus utilizadores para melhorar e/ou adicionar novas funcionalidades.

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1. Introdução

A interferometria Radar de Abertura Sintética (InSAR) permite a deteção de deslocamentos da superfície terrestre e, desde o final do século XX, tem vindo a aumentar o seu campo de aplicações. Em primeiro lugar as medições interferométricas abrangem uma grande e contínua cobertura da área estudada a um custo relativamente baixo, em contraste com a observação discreta e pontual das medidas instrumentais de precisão com uma densidade relativamente menor. No entanto devido a alterações, com o tempo, das propriedades de dispersão da superfície terrestre e diferenças significativas nos ângulos de visada limitam a aplicabilidade da técnica.

A importância, cada vez maior, deste tipo de técnica para aplicações com vista a deteção de deformações na superfície terrestre reflete-se no número, cada vez maior, de software disponíveis, mas também no aumento do número de missões SAR dedicadas. Atualmente, existe um número indeterminado de software não comercial, pois cada vez mais grupos de investigação estão a trabalhar nesta área, utilizando os seus próprios pacotes (Sousa et al., 2013).

Vale a pena mencionar a existência de três pacotes de software livres com avançadas implementações de interferometria: StaMPS-MTI (Hooper, 2008), DePSI (Ketelaar, 2008) e SARPROZ (Persissin et al., 2011). O primeiro é de distribuição livre para fins científicos e, devido principalmente, à sua confiabilidade comprovada entre a comunidade científica, é amplamente utilizado para a monitorização de deformações da superfície terrestre.

O método Stanford Method for Persistent Scatterers (StaMPS) (Hooper et al., 2004; Hooper et al., 2007), foi desenvolvido inicialmente para a técnica de Espalhadores Persistentes (PS) e, posteriormente, estendido para incluir o método de Linha de Base Pequena (SBAS) (Hooper, 2008). Atualmente, o StaMPS-MTI combina estes dois algoritmos (PS e SBAS) (Hooper, 2010).

Persistem, no entanto, alguns aspetos que dificultam a interpretação dos resultados: toda a cadeia de processamento StaMPS assenta numa filosofia de linha de comandos, o que poderá criar dificuldades aos utilizadores menos familiarizados com linguagens de programação específicas. Acresce, ainda, o facto de várias tarefas de visualização não estarem implementadas no StaMPS, obrigando a que cada utilizador tenha de desenvolver aplicações específicas para visualizar e interpretar os resultados do processamento.

2. viStaMPS

O viStaMPS (visual StaMPS) é uma nova aplicação desenvolvida para melhorar a visualização, manipulação e exportação de dados resultantes do processamento StaMPS. A aplicação desenvolvida foi programada em MATLAB®, através da criação de uma interface gráfica com o utilizador (GUI) não sendo necessário qualquer conhecimento de programação para executá-la. Trata-se de uma ferramenta versátil, pois permite, de forma simples, gerar os mapas desejados, assim como alterar os vários parâmetros com influência na visualização dos resultados, facilmente localizáveis na aplicação. Além disso, uma vez que está desenvolvida em MATLAB®, esta ferramenta permite aos utilizadores aceder aos dados de forma muito fácil e intuitiva, ao mesmo tempo que ajusta os parâmetros às suas próprias necessidades.

A primeira versão do viStaMPS apareceu em 2012 (Sousa et al., 2013) e, desde aí, para além de uma melhoria do código, um conjunto de novas funcionalidades, ao nível da visualização, têm sido acrescentadas (Sousa et al., 2014). Sendo uma ferramenta de pesquisa, o viStaMPS v1.1.1 está continuamente em desenvolvimento e é utlizado por mais de 300 pesquisadores em todo o mundo. Contando com o dinamismo dos seus utilizadores, têm sido melhoradas e/ou adicionadas novas funcionalidades. A última versão encontra-se disponível para download em http://vistamps.utad.pt e encontra-se dividida em três áreas principais, tal como apresentado na Figura 1: (A) Data Processing, (B) Data Visualization/Manipulation (C) Output. Cada uma destas áreas possui diferentes botões/opções e, dependendo das seleções realizadas, outras áreas, botões e/ou parâmetros ficarão disponíveis. Nas secções seguintes serão apresentadas e descritas em mais detalhe, as novas funcionalidades e atualizações do viStaMPS v2.0.

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Figura 1 – Janela principal do viStaMPS 2.0

3. Processamento, visualização e manipulação de dados

3.1 Processamento de dados

A secção de processamento de dados é composta por dois botões (Setup e Data Display). Com o botão Setup o utilizador define a diretoria que contém os resultados de processamento do StaMPS (normalmente, a pasta INSAR_master_date). O tipo de órbita com que as imagens foram adquiridas ficará, automaticamente, selecionado.

Figura 2 – Data Display do viStaMPS e as opções disponíveis para o fundo

e filtragem dos resultados

Só após o processamento inicial dos dados é permitido ao utilizador gerar mapas de deformação e séries temporais, através do botão Data Display. Na figura 2 é apresentada a janela que permite selecionar e gerar os vários tipos de mapas, assim como definir os parâmetros mais convenientes ao conjunto de dados SAR selecionados. É na geração destes mapas que a nova versão do viStaMPS (v2.0) apresenta novas funcionalidades. A possibilidade de gerar mapas em coordenadas geográficas (Figura 3) é uma dessas funcionalidades, pois a versão original apenas permitia a observação de dados em coordenadas radar.

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Figura 3 – Exemplo de um mapa de deformação usando

coordenadas geográfcas Figura 4 – Exemplo de uma imagem de alta qualidade do

Centro de Bratislava

A possibilidade de usar como fundo imagens provenientes do Google Maps tem um particular interesse, pois permite ter imagens de alta resolução aéreas ou de satélite para a maioria das áreas urbanas do mundo, com diferentes níveis de zoom. Na Figura 4 podemos ver em detalhe o centro de Bratislava. Recentemente, foi introduzida a possibilidade de se obter mapas de altitude dos PS, conforme ilustrado na Figura 5.

Figura 5 – Exemplo de mapa de altitude dos pontos selecionados

3.2 Visualização e manipulação de dados

Esta secção do viStaMPS apresenta melhorias significativas em relação à versão anterior. Só as novas funcionalidades são explicadas em maior detalhe, pois as restantes podem ser acedidas em Sousa et al. (2013, 2014).

3.2.1 – Exportação

Na versão anterior, o viStaMPS permitia a exportação de parte da área processada (Figura 6) ou de toda a área processada, quer para Sistemas de Informação geográfica (SIG) quer para o Google Earth (GE), através de um arquivo .kml gerado. Na nova versão, viStaMPS 2.0, foi incluída uma funcionalidade nova, mas de grande utilidade, pois é possível selecionar um ponto no GE e visualizar a série temporal de deslocamento e a linha de tendência do movimento (Figura 7).

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Figura 6 – Área de interesse selecionada para exportação

Figura 7 – Exemplo de uma imagem do Google Earth (GE) com os pontos exportados e visualização da série

temporal de um PS

3.2.2 – Visualização de séries temporais

A análise gráfica de séries temporais é outra das funcionalidades interessantes que auxilia o utilizador na análise e interpretação dos resultados, uma vez que descreve a evolução do deslocamento ao longo de todo o período analisado. Na série temporal, cada ponto corresponde a uma única aquisição de satélite, sendo possível identificar movimentos não lineares, tendências sazonais, acelerações, entre outros.

Figura 8 – Exemplo da série temporal dos pontos no raio de 477 m à volta do ponto escolhido

Figura 9 – Exemplo de uma regressão polinomial para o ponto selecionado em dois intervalos de tempo

No viStaMPS 2.0, a série temporal pode ser visualizada através da seleção de um ponto, a partir do mapa de deformação. Esta ferramenta permite verificar não só a série temporal do ponto escolhido mas também as séries temporais dos pontos vizinhos, em função da distância definida. A Figura 8 mostra a nova interface para a visualização de séries temporais e as suas funcionalidades É possível, igualmente, gerar linhas de tendência (regressão polinomial) para a série temporal para regimes de

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deformação distintos, dependendo das causas e do tipo de deformação e também restringir o intervalo das séries temporais (Figura 9). Todos estes dados podem ser guardados num ficheiro para posterior utilização.

4. Geração de mapas de superfície, de contornos e de vídeos

A geração de mapas de superfície e de contornos é outro dos recursos interessantes do viStaMPS. Esta ferramenta só se torna ativa quando houver uma janela com um mapa de deformação aberta. Para se obter os diferentes mapas é necessário selecionar manualmente a área ou áreas de interesse (Figura 10). Se o mapa de deformação for gerado utilizando coordenadas geográficas, as áreas de interesse podem ser geradas manualmente ou importadas do Google Earth (GE), através de um arquivo .kml que contém o contorno desejado.

Figura 10 – Exemplo de três regiões definidas com Draw Border Figura 11 – Exemplo de um mapa de contornos gerado com os

pontos de cada uma das áreas da figura 9

O mapa de contornos permite gerar isolinhas de deformações (Figura 11) e de altitudes. Este tipo de mapas possuem algumas ferramentas interessantes como preencher ou não as áreas entre contornos com cor, alterar a transparência dessas cores e definir os valores das cotas de cada contorno. Os mapas de superfície são mapas 3D, gerados sobre as áreas de interesse. Sobre qualquer das zonas de interesse podem, também, ser traçados perfis de deformação conforme ilustrado na Figura 12.

Figura 12 – Exemplo de um mapa de superfice 3D

O recurso a vídeos com diferentes cenários evolutivos, em termos de deformação, para a área estudada (totalidade ou apenas parte) é outra das novas funcionalidades, podendo o utilizador projetar possíveis deformações/consequências no futuro, como apresentado na Figura 13.

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Figura 13 – Exemplo de um vídeo com o cenário evolutivo da deformação

Por padrão, os anos de início e fim são os mesmos da série temporal, mas esta funcionalidade permite definir diferentes intervalos de tempo. Para iniciar a visualização do vídeo pode ser usado o botão PLAY ou a barra deslizante. Esta nova versão permite guardar o cenário projetado em vídeo num ficheiro .avi.

5. Conclusões e Trabalho Futuro

Neste artigo foram apresentadas as últimas atualizações da aplicação informática viStaMPS, uma ferramenta colaborativa, de investigação e de código aberto para visualização, exportação e manipulação de resultados proveniente do StaMPS-MTI. O desenvolvimento futuro do viStaMPS (v2.1) passa pela inclusão de recursos de visualização PS + SB e fusão dos dois. A equipa do viStaMPS pretende converter, num futuro próximo, toda a cadeia de processamento de StaMPS numa aplicação visual assim como incluir novas técnicas de tratamento com a finalidade de aumentar a densidade de PS (o algoritmo QPS descrito em Hanssen (2001) será estudado e implementado). O objetivo final é fornecer o viStaMPS com diferentes opções para combinar séries de dados longas e dar ao utilizador a oportunidade de escolher qual o conjunto de interferogramas que quer processar e quais as técnicas de processamento que pretende utilizar (PS, SB, QPS ou diferentes combinações dos anteriores). As equipas do StaMPS-MTI e do viStaMPS já colaboram com o objetivo a manter a compatibilidade entre os dois softwares, em constante desenvolvimento.

Agradecimentos

Este trabalho é parcialmente financiado pelo FEDER (Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional), através do projeto de BI / COMPETE / 38732 / UTAD / 2014 intitulado "RemotWatch - Alerta e sistema de monitoramento de estruturas físicas e por CSD2006-00041 e AYA2010-15501 projetos de Ministerio de Educación y Ciencia (Espanha) e pela Agência Espacial Europeia (ESA), no âmbito de 3858, 3963, 8111 e 13537 CAT-1 projetos. Os dados SRTM foram fornecidas pela USGS / NASA.

Referências Bibliográficas

Hanssen, R.F. (2001). Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis, Vol.2. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.

Hooper, A.; Zebker, H.; Segall, P.; Kampes, B. (2004). A new method for measuring deformation on volcanoes and other natural terrains using InSAR persistent scatterers. Geophysical Research Letters 31, L23611.

Hooper, A.; Segall, P.; Zebker, H. (2007). Persistent Scatterer InSAR for Crustal Deformation Analysis, with Application to Volcán Alcedo, Galápagos. Journal of Geophysical Research, DOI:10.1029/2006JB004763.

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Hooper, A. (2008). A multi-temporal InSAR method incorporating both persistent scatterer and small baseline approaches. Geophysical Research Letters 35, L16302.

Hooper, A. (2010). A Statistical-Cost Approach to Unwrapping the Phase of Insar Time Series. European Space Agency, (Special Publication), ESA SP-677.

Ketelaar, V. B. H. (2008). Monitoring Surface Deformation Induced by Hydrocarbon Production using Satellite Radar Interferometry. PhD. Thesis, Delft Institute of Earth Observation and Space Systems, TUDelft.

Persissin, D.; Wang, Z.; Wand, T. (2011). The SARPROZ InSAR tool for urban subsidence man-made structure stability monitoring in China. Proceedings of 34th International Symposium on Remote Sensing of Environment. Sydney, Australia.

Sousa, J.J.; Magalhães, L.G.; Ruiz, A.M.; Sousa, A.M.R; Cardoso, G. (2013). The viStaMPS tool for visualization and manipulation of time series interferometric results, series interferometric results. Comput. Geosci., 52, 409–421, doi:10.1016/j.cageo.2012.11.012.

Sousa, J.J.; Guimarães, P.; Sousa, A.; Ruiz, A.M.; Patrício, G.; Magalhães, L.; Pereira, F. (2014). viStaMPS—A collaborative project for StaMPS/MTI results interpretation. Procedia Technol., 16, 842–848.