مقدمه

تصاویر رادار با دریچه مصنوعی یا SAR تنها برای مشاهده عوارض سطح زمین کاربرد ندارند. یکی از مهم‌ترین قابلیت‌های این فناوری، امکان استفاده از اطلاعات فاز سیگنال راداری برای آشکارسازی تغییرات بسیار کوچک فاصله میان سنجنده و سطح زمین است. این قابلیت، پایه روش مهمی به نام تداخل‌سنجی رادار با دریچه مصنوعی یا Interferometric Synthetic Aperture Radar – InSAR را تشکیل می‌دهد.

در روش InSAR، دو یا چند تصویر SAR از یک منطقه که در زمان‌های مختلف یا از موقعیت‌های کمی متفاوت تهیه شده‌اند، با یکدیگر مقایسه می‌شوند. آنچه در این مقایسه اهمیت اصلی دارد، صرفاً روشنایی یا شدت پیکسل‌ها نیست، بلکه اختلاف فاز سیگنال‌های راداری است.

این اختلاف فاز می‌تواند حاوی اطلاعاتی درباره توپوگرافی، تغییر فاصله سطح زمین تا سنجنده و در نتیجه تغییرشکل سطح زمین باشد. با این حال، فاز ثبت‌شده تنها تابع فاصله هندسی نیست و عوامل دیگری مانند رفتار پراکندگی سطح، شرایط جوی، هندسه مدار، خطاهای DEM و نویز نیز بر آن اثر می‌گذارند. به همین دلیل، استخراج تغییرشکل واقعی از داده‌های InSAR نیازمند پردازش و کنترل دقیق چندین مؤلفه است.

به کمک InSAR می‌توان تغییرشکل‌های ناشی از فرونشست زمین، زمین‌لغزش، زمین‌لرزه، فعالیت آتشفشانی، استخراج معادن، برداشت آب زیرزمینی و تغییرشکل برخی زیرساخت‌ها را در مقیاس‌های وسیع بررسی کرد.

در این مقاله از وبلاگ تخصصی SPM GEO، سازوکار InSAR را از مفهوم فاز و تشکیل Interferogram تا استخراج نقشه جابه‌جایی، Coherence، Phase Unwrapping، DInSAR و روش‌های سری‌زمانی بررسی خواهیم کرد.

---

InSAR چیست؟ تعریف و مبانی اولیه

تداخل‌سنجی راداری (Interferometric Synthetic Aperture Radar – InSAR) روشی است که در آن اطلاعات فاز دو یا چند تصویر SAR از یک منطقه با یکدیگر مقایسه می‌شوند.

اگر هندسه برداشت تصاویر مناسب باشد و پاسخ پراکندگی سطح زمین بین دو برداشت از پایداری کافی برخوردار باشد، اختلاف فاز ثبت‌شده می‌تواند برای استخراج اطلاعاتی درباره:

• ارتفاع و توپوگرافی زمین
• تغییر فاصله سطح زمین تا سنجنده
• تغییرشکل زمین در بازه زمانی میان دو برداشت

مورد استفاده قرار گیرد.

محصول حاصل از مقایسه فاز دو تصویر SAR، تداخل‌نگاشت یا Interferogram نامیده می‌شود. این تصویر معمولاً دارای الگوهای رنگی چرخه‌ای است که به آنها Interferometric Fringes گفته می‌شود.

تفاوت SAR و InSAR چیست؟

به بیان ساده:

SAR یک تصویر راداری تولید می‌کند؛ InSAR از اختلاف فاز دو یا چند مشاهده SAR برای استخراج اطلاعات هندسی یا تغییرشکل استفاده می‌کند.

---

چرا فاز در InSAR اهمیت دارد؟

سیگنال راداری ثبت‌شده را می‌توان به‌طور ساده با دو مؤلفه اصلی توصیف کرد:

• Amplitude: دامنه یا قدرت سیگنال برگشتی
• Phase: موقعیت موج در چرخه تناوبی آن

در بسیاری از کاربردهای معمول SAR، کاربران بیشتر با شدت یا دامنه بازتاب کار می‌کنند. اما در InSAR، اطلاعات فاز اهمیت اساسی دارد.

ارتباط فاز با فاصله

برای مسیر رفت‌وبرگشت موج راداری، مؤلفه فاز ناشی از فاصله را می‌توان به‌صورت مفهومی چنین نمایش داد:

[ \phi_{range} \approx \frac{4\pi R}{\lambda} \quad (\mathrm{mod};2\pi) ]

که در آن:

• (R): فاصله سنجنده تا هدف
• (\lambda): طول موج رادار

ضریب (4\pi) از آنجا ناشی می‌شود که موج مسیر رفت و برگشت میان سنجنده و زمین را طی می‌کند.

این رابطه نشان می‌دهد که تغییر کوچک در فاصله می‌تواند تغییر قابل‌اندازه‌گیری در فاز ایجاد کند.

با این حال، یک نکته بسیار مهم وجود دارد:

فاز یک پیکسل SAR صرفاً تابع فاصله سنجنده تا زمین نیست.

فاز ثبت‌شده علاوه بر مسیر رفت‌وبرگشت موج، به نحوه پراکندگی امواج توسط مجموعه عوارض موجود در سلول رزولوشن نیز وابسته است. ساختمان‌ها، خاک، پوشش گیاهی، سنگ‌ها و سایر عوارض می‌توانند پاسخ فازی متفاوتی ایجاد کنند.

به همین دلیل، فاز مطلق یک تصویر SAR به‌تنهایی معمولاً قابل تفسیر مستقیم به‌عنوان فاصله نیست.

قدرت InSAR از آنجا ناشی می‌شود که اگر ویژگی‌های پراکندگی سطح بین دو برداشت نسبتاً پایدار باقی بماند، می‌توان اختلاف فاز دو مشاهده را بررسی کرد و مؤلفه‌های هندسی یا تغییرشکل را از آن استخراج نمود.

همین موضوع یکی از دلایل اهمیت مفهوم Coherence در InSAR است.

برای انجام تداخل‌سنجی باید از محصولی استفاده شود که اطلاعات Complex و فاز را حفظ کرده باشد. در Sentinel-1، محصول Level-1 SLC یا Single Look Complex دارای اطلاعات دامنه و فاز است.

در مقابل، محصول GRD یا Ground Range Detected پس از Detection و Multilooking تولید می‌شود و اطلاعات فاز لازم برای تداخل‌سنجی را حفظ نمی‌کند.

InSAR چگونه کار می‌کند؟ مراحل تشکیل نقشه جابه‌جایی

پردازش InSAR شامل مجموعه‌ای از مراحل هندسی و پردازش سیگنال است. ترتیب دقیق مراحل می‌تواند بر اساس مأموریت ماهواره‌ای، نرم‌افزار و هدف پروژه متفاوت باشد، اما روند عمومی آن به شکل زیر است.

مرحله اول: انتخاب تصاویر مناسب

برای تشکیل یک Interferogram معمولاً دو تصویر SAR سازگار انتخاب می‌شوند:

• Reference Image: تصویر مرجع
• Secondary Image: تصویر دوم

در داده‌های Sentinel-1، تصاویر معمولاً باید از شرایط سازگاری مانند موارد زیر برخوردار باشند:

• مسیر مداری مناسب
• حالت تصویربرداری یکسان
• Sub-swath سازگار
• قطبش یکسان
• پوشش مکانی مشترک
• هندسه مشاهده مناسب

فاصله زمانی میان دو تصویر و فاصله هندسی مدار نیز بر کیفیت تداخل‌سنجی تأثیر دارند.

مرحله دوم: اعمال اطلاعات دقیق مدار

اطلاعات موقعیت و سرعت ماهواره برای مدل‌سازی دقیق هندسه تصویربرداری مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خطاهای مداری می‌توانند باعث ایجاد روندهای مصنوعی یا Ramp در Interferogram شوند. بنابراین استفاده از اطلاعات دقیق مدار نقش مهمی در کیفیت پردازش دارد.

مرحله سوم: هم‌مرجع‌سازی تصاویر (Coregistration)

دو تصویر باید با دقت بالا روی یکدیگر منطبق شوند؛ به‌گونه‌ای که هر پیکسل از تصویر Reference با همان عارضه زمینی در تصویر Secondary متناظر باشد.

این مرحله Coregistration نام دارد.

در داده‌های Sentinel-1 IW که از حالت تصویربرداری TOPS استفاده می‌کنند، دقت Coregistration آزیموت اهمیت بسیار بالایی دارد؛ زیرا Beam Steering آزیموتی باعث ایجاد تغییر سریع Doppler Centroid در هر Burst می‌شود.

در پردازش چند Burst مجاور Sentinel-1 TOPS، تکنیکی به نام:

Enhanced Spectral Diversity – ESD

می‌تواند برای تخمین و اصلاح دقیق خطای هم‌ترازی آزیموتی میان Burstهای همپوشان مورد استفاده قرار گیرد.

مرحله چهارم: تشکیل Interferogram

پس از Coregistration، یکی از تصاویر Complex در مزدوج مختلط تصویر دیگر ضرب می‌شود و اختلاف فاز میان دو مشاهده استخراج می‌شود.

به‌صورت مفهومی می‌توان نوشت:

[ \Delta\phi=\phi_2-\phi_1 ]

البته علامت دقیق اختلاف فاز به قرارداد پردازش، ترتیب Reference/Secondary و نحوه conjugation بستگی دارد.

در بسیاری از workflowها، مؤلفه Flat-Earth Phase نیز هم‌زمان با تشکیل Interferogram محاسبه و حذف می‌شود.

حاصل این عملیات، Interferogram است.

رنگ‌های موجود در Interferogram مستقیماً بیانگر ارتفاع یا جابه‌جایی نیستند؛ بلکه ترکیبی از چند مؤلفه مختلف فاز را نشان می‌دهند.

---

Interferogram چیست؟

Interferogram تصویری از اختلاف فاز میان دو مشاهده SAR است.

فاز معمولاً در محدوده‌ای مانند:

[ -\pi \leq \phi < \pi ]

یا:

[ 0 \leq \phi < 2\pi ]

نمایش داده می‌شود.

به دلیل ماهیت دوره‌ای فاز، الگوهای رنگی تکرارشونده‌ای موسوم به Fringe در Interferogram ظاهر می‌شوند.

اگر مؤلفه فاز صرفاً ناشی از تغییرشکل باشد، یک چرخه کامل (2\pi) متناظر با تغییر فاصله در راستای LOS برابر با تقریباً:

[ \frac{\lambda}{2} ]

است.

برای مثال، در C-band با طول موج تقریبی ۵٫۶ سانتی‌متر:

[ \frac{\lambda}{2}\approx2.8\text{ cm} ]

بنابراین یک چرخه کامل فاز در مؤلفه تغییرشکل Interferogram تقریباً با ۲٫۸ سانتی‌متر تغییر فاصله در راستای LOS متناظر است.

این به این معنی نیست که دقت InSAR فقط چند سانتی‌متر است. از آنجا که می‌توان کسری از چرخه فاز را اندازه‌گیری کرد و در روش‌های سری‌زمانی چندین مشاهده را ترکیب نمود، تغییرات بسیار کوچک‌تری نیز در شرایط مناسب قابل برآورد هستند.

---

فاز Interferometric از چه مؤلفه‌هایی تشکیل شده است؟

اختلاف فاز موجود در Interferogram تنها ناشی از تغییرشکل زمین نیست.

به‌صورت ساده می‌توان نوشت:

[ \phi_{int}= \phi_{flat} + \phi_{topo} + \phi_{defo} + \phi_{tropo} + \phi_{iono} + \phi_{orb} + \phi_{noise} ]

که در آن:

• (\phi_{flat}): فاز ناشی از هندسه مرجع یا Flat-Earth Phase
• (\phi_{topo}): مؤلفه ناشی از توپوگرافی
• (\phi_{defo}): فاز ناشی از تغییرشکل زمین
• (\phi_{tropo}): تأخیرهای تروپوسفری
• (\phi_{iono}): اثرات یونوسفری
• (\phi_{orb}): خطاهای مداری
• (\phi_{noise}): نویز و مؤلفه‌های ناشی از Decorrelation

تفکیک اثر تروپوسفر و یونوسفر اهمیت دارد؛ زیرا ماهیت این دو متفاوت است. اثرات یونوسفری به‌ویژه در طول موج‌های بلندتر مانند L-band می‌توانند اهمیت بیشتری پیدا کنند.

بنابراین یک Interferogram خام را نمی‌توان مستقیماً «نقشه جابه‌جایی» دانست.

هدف پردازش InSAR آن است که تا حد امکان مؤلفه‌های غیرمرتبط با تغییرشکل مدل‌سازی، کاهش یا حذف شوند.

---

DInSAR چیست؟

Differential InSAR یا DInSAR یکی از روش‌های مهم تداخل‌سنجی است که با هدف جداسازی بهتر مؤلفه تغییرشکل از مؤلفه‌های هندسی و توپوگرافی انجام می‌شود.

در این روش، مؤلفه توپوگرافی با استفاده از:

• مدل رقومی ارتفاع (DEM)
• اطلاعات دقیق مدار
• هندسه تصویربرداری

مدل‌سازی و تا حد امکان از Interferogram حذف می‌شود.

پس از حذف یا کاهش:

• Flat-Earth Phase
• Topographic Phase

فاز باقی‌مانده عمدتاً شامل ترکیبی از:

• تغییرشکل
• اثرات تروپوسفری
• اثرات یونوسفری
• خطاهای مدار
• خطاهای DEM
• نویز

خواهد بود.

بنابراین حتی پس از حذف توپوگرافی نیز ممکن است Residual Topographic Phase باقی بماند، به‌ویژه زمانی که DEM دارای خطا باشد یا هندسه دو برداشت اختلاف قابل‌توجهی داشته باشد.

DInSAR پایه بسیاری از مطالعات کلاسیک تغییرشکل مانند زمین‌لرزه، فرونشست و فعالیت‌های آتشفشانی است.

---

خط دید رادار (LOS) چیست؟

یکی از مهم‌ترین مفاهیم InSAR این است که این روش جابه‌جایی سه‌بعدی زمین را مستقیماً اندازه‌گیری نمی‌کند.

اندازه‌گیری اصلی در InSAR تغییر فاصله میان سطح زمین و ماهواره در راستای:

Line of Sight – LOS

است.

رابطه ساده میان فاز ناشی از تغییرشکل و جابه‌جایی LOS را می‌توان به شکل زیر نوشت:

[ \Delta d_{LOS}

-\frac{\lambda}{4\pi}\Delta\phi_{defo} ]

علامت رابطه به قرارداد مورد استفاده بستگی دارد، اما مفهوم اصلی ثابت است: تغییر فاز به تغییر فاصله در راستای LOS تبدیل می‌شود.

آیا InSAR مستقیماً فرونشست قائم را اندازه‌گیری می‌کند؟

خیر.

در یک هندسه مشاهده منفرد، InSAR فقط مؤلفه جابه‌جایی را در راستای LOS ثبت می‌کند.

اگر فرض شود حرکت عمدتاً قائم است، می‌توان با توجه به زاویه برخورد، مؤلفه قائم را برآورد کرد. اما در مناطقی که حرکت افقی نیز مهم است، این فرض می‌تواند باعث خطا شود.

ترکیب داده‌های:

• Ascending
• Descending

می‌تواند به جداسازی بهتر برخی مؤلفه‌های حرکت، به‌ویژه مؤلفه قائم و شرق–غرب، کمک کند.

با این حال:

تنها با دو مشاهده LOS صعودی و نزولی، حل کامل سه مؤلفه مستقل جابه‌جایی سه‌بعدی بدون فرض اضافی یا داده کمکی امکان‌پذیر نیست.

همچنین به دلیل هندسه مداری ماهواره‌های قطبی، حساسیت InSAR به مؤلفه شمال–جنوب معمولاً کمتر است.

جابه‌جایی InSAR نسبی است

یکی دیگر از نکات مهم این است که جابه‌جایی InSAR معمولاً به‌صورت نسبی گزارش می‌شود.

در بسیاری از تحلیل‌ها، مقادیر نسبت به:

• یک Reference Point یا Reference Area
• و در تحلیل‌های سری‌زمانی نسبت به یک Reference Epoch

تعریف می‌شوند.

بنابراین، مقدار جابه‌جایی یک نقطه باید در چارچوب مرجع انتخاب‌شده تفسیر شود.

برای اتصال نتایج به یک چارچوب ژئودتیکی مطلق، می‌توان از داده‌های مستقل مانند GNSS استفاده کرد.

---

Baseline در InSAR چیست؟

فاصله هندسی میان موقعیت سنجنده در دو برداشت Baseline نامیده می‌شود.

دو مفهوم مهم در تحلیل زوج‌های تداخل‌سنجی عبارت‌اند از:

Perpendicular Baseline

مؤلفه عمود بر خط دید از فاصله میان دو موقعیت مداری است.

این پارامتر بر حساسیت Interferogram به توپوگرافی و میزان همدوسی هندسی اثر می‌گذارد.

هرچه Perpendicular Baseline افزایش یابد، اختلاف زاویه مشاهده دو برداشت نیز افزایش پیدا می‌کند.

اگر این مقدار بسیار زیاد شود، بخش مشترک طیف Range دو تصویر کاهش یافته و Geometric Decorrelation افزایش پیدا می‌کند.

مفهوم Critical Baseline به محدوده‌ای اشاره دارد که در آن همپوشانی طیفی و همدوسی هندسی به‌شدت کاهش می‌یابد و استخراج فاز قابل اعتماد می‌تواند بسیار دشوار شود.

Temporal Baseline

فاصله زمانی میان دو برداشت SAR است.

هرچه Temporal Baseline افزایش پیدا کند، احتمال تغییر خصوصیات سطح زمین نیز بیشتر می‌شود.

در محیط‌هایی مانند:

• پوشش گیاهی
• اراضی کشاورزی
• مناطق برفی
• مناطق مرطوب

این تغییرات می‌توانند باعث کاهش سریع Coherence شوند.

Height of Ambiguity

یکی دیگر از مفاهیم مفید در InSAR، Height of Ambiguity است.

این پارامتر نشان می‌دهد چه مقدار اختلاف ارتفاع باعث ایجاد یک چرخه کامل (2\pi) فاز توپوگرافی می‌شود.

در یک هندسه ساده‌شده می‌توان نوشت:

[ h_{amb} \approx \frac{\lambda R \sin\theta} {2|B_\perp|} ]

که در آن:

• (R): Slant Range
• (\theta): زاویه برخورد
• (B_\perp): Perpendicular Baseline

در نتیجه:

هرچه Perpendicular Baseline بزرگ‌تر باشد، Height of Ambiguity کوچک‌تر و حساسیت فاز به تغییر ارتفاع بیشتر می‌شود.

---

Coherence در InSAR چیست؟

Coherence یکی از مهم‌ترین شاخص‌های کیفیت در پردازش InSAR است.

از نظر ریاضی، Coherence معمولاً از قدر مطلق همبستگی مختلط نرمال‌شده میان دو مشاهده SAR در یک پنجره محلی محاسبه می‌شود.

مقدار آن بین صفر و یک است:

[ 0 \leq \gamma \leq 1 ]

به‌طور کلی:

• Coherence نزدیک ۱: پایداری و شباهت بالای پاسخ راداری
• Coherence نزدیک ۰: اختلاف زیاد و قابلیت اعتماد کم فاز

سطوح سخت و پایدار مانند:

• ساختمان‌ها
• سازه‌های فلزی
• صخره‌های بدون پوشش
• برخی سطوح شهری

معمولاً Coherence بالاتری دارند.

در مقابل، آب، پوشش گیاهی متراکم، اراضی کشاورزی متغیر و برف می‌توانند Coherence پایینی ایجاد کنند.

نکته مهم: Coherence پایین به‌تنهایی نشانه وجود جابه‌جایی نیست. این مقدار فقط نشان می‌دهد رابطه فازی میان دو مشاهده ضعیف‌تر یا کم‌اعتمادتر شده است.

انواع اصلی Decorrelation

کاهش Coherence معمولاً می‌تواند از چند منبع ناشی شود:

Temporal Decorrelation:
تغییر ویژگی‌های فیزیکی سطح در فاصله زمانی میان دو برداشت.

Geometric Decorrelation:
تغییر هندسه مشاهده، به‌ویژه در اثر Baseline زیاد.

Thermal Decorrelation:
نویز حرارتی سنجنده و محدودیت نسبت سیگنال به نویز.

Processing Decorrelation:
خطاهای Coregistration، پردازش نامناسب یا سایر خطاهای عددی.

عوامل دیگری مانند تغییر رطوبت، حرکت برگ‌ها، شخم زمین، بارش برف و تغییرات سطحی نیز می‌توانند به کاهش همدوسی منجر شوند.

---

Phase Unwrapping چیست؟

فاز Interferogram در ابتدا به‌صورت Wrapped Phase نمایش داده می‌شود.

یعنی مقدار فاز در یک بازه (2\pi) محدود شده و پس از عبور از انتهای این بازه دوباره از ابتدا تکرار می‌شود.

به‌صورت مفهومی:

[ -\pi \leq \phi < \pi ]

برای تبدیل فاز چرخه‌ای به یک سطح فاز پیوسته از فرآیندی به نام:

Phase Unwrapping

استفاده می‌شود.

رابطه مفهومی:

[ \phi_{unwrapped}

\phi_{wrapped} + 2\pi k ]

که در آن (k) یک عدد صحیح است که تعداد چرخه‌های کامل فاز را نشان می‌دهد.

Phase Unwrapping یکی از حساس‌ترین مراحل پردازش InSAR است.

در شرایطی مانند:

• Coherence پایین
• گرادیان شدید تغییرشکل
• حرکت بسیار زیاد
• نویز بالا
• جدایی مکانی نواحی همدوس

احتمال خطای Unwrapping افزایش می‌یابد.

چرا Phase Unwrapping اهمیت دارد؟

تا زمانی که تعداد چرخه‌های کامل فاز مشخص نشود، نمی‌توان فاز را به جابه‌جایی تجمعی قابل تفسیر تبدیل کرد.

پس از Unwrapping، فاز پیوسته را می‌توان با توجه به طول موج رادار به تغییر فاصله LOS تبدیل کرد.

---

زنجیره متداول پردازش InSAR با Sentinel-1 TOPS

در Sentinel-1 IW، یک زنجیره متداول پردازش می‌تواند به شکل زیر باشد:

Reference SLC + Secondary SLC

↓
Apply Precise Orbit

↓
TOPSAR Split

↓
Back-Geocoding / Coregistration

↓
Enhanced Spectral Diversity – ESD
در صورت استفاده از Burstهای مجاور و نیاز به اصلاح دقیق هم‌ترازی آزیموتی

↓
Interferogram Formation + Flat-Earth Phase Removal + Coherence Estimation

↓
TOPSAR Deburst

↓
Topographic Phase Removal

↓
Multilooking و/یا Phase Filtering

↓
Phase Unwrapping

↓
Phase-to-LOS Displacement

↓
Terrain Correction / Geocoding

↓
انتخاب Reference Point / Area

↓
تولید نقشه نهایی جابه‌جایی

ترتیب برخی مراحل مانند Multilooking، Filtering، Topographic Phase Removal و Terrain Correction می‌تواند بسته به نرم‌افزار و workflow تغییر کند.

در پروژه‌های مهندسی واقعی، مراحل زیر نیز ممکن است اضافه شوند:

• تصحیح اتمسفر
• تصحیح اثرات یونوسفری در صورت نیاز
• حذف Ramp
• انتخاب Reference Area مناسب
• کنترل کیفیت Coherence
• حذف Outlier
• مقایسه با GNSS
• اعتبارسنجی زمینی

---

انواع روش‌های InSAR

۱. Pair-wise InSAR و DInSAR

در ساده‌ترین حالت، یک زوج تصویر SAR برای تشکیل Interferogram استفاده می‌شود.

این روش برای رخدادهای مشخص زمانی، به‌ویژه:

• زمین‌لرزه
• تغییرات هم‌لرزه‌ای
• تغییرشکل‌های نسبتاً سریع و گسسته

کاربرد زیادی دارد.

با این حال، استفاده از Pair-wise InSAR برای حرکت‌های سریع تنها زمانی مناسب است که:

• Coherence حفظ شده باشد
• گرادیان فاز قابل حل باشد
• Phase Unwrapping با شکست مواجه نشود

حرکت بیش از حد سریع می‌تواند باعث از دست رفتن Coherence یا ایجاد گرادیان شدید فاز شود.

۲. PS-InSAR

Persistent Scatterer InSAR – PS-InSAR خانواده‌ای از روش‌های سری‌زمانی است که مجموعه‌ای از تصاویر SAR را تحلیل می‌کند و Scattererهایی با رفتار فازی نسبتاً پایدار در طول زمان را شناسایی می‌کند.

این نقاط می‌توانند شامل:

• ساختمان‌ها
• سازه‌های فلزی
• سنگ‌های پایدار
• برخی عوارض مصنوعی یا طبیعی

باشند.

PS-InSAR در محیط‌های شهری معمولاً نقاط مناسبی پیدا می‌کند، اما ذاتاً محدود به مناطق شهری نیست.

این روش می‌تواند برای برآورد:

• تغییرشکل
• خطای ارتفاع Scatterer
• مؤلفه‌های اتمسفری
• رفتار زمانی نقاط پایدار

استفاده شود.

۳. SBAS

Small Baseline Subset – SBAS خانواده‌ای از روش‌های سری‌زمانی است که شبکه‌ای از زوج‌های تصویری با فاصله زمانی و/یا Perpendicular Baseline نسبتاً محدود ایجاد می‌کند.

هدف اصلی این انتخاب، کاهش احتمال Decorrelation و تشکیل مجموعه‌ای از Interferogramهای قابل اعتماد برای استخراج سری زمانی است.

SBAS در مطالعات:

• منطقه‌ای
• فرونشست
• زمین‌لغزش
• تغییرشکل گسترده

کاربرد زیادی دارد.

PS-InSAR و SBAS هر دو روش سری‌زمانی InSAR هستند و مرز کاملاً جدا و مطلقی میان کاربردهای آنها وجود ندارد. تفاوت اصلی بیشتر در فلسفه انتخاب Scattererها، شبکه Interferogramها و مدل‌سازی زمانی و مکانی داده‌هاست.

---

داده‌ها و ماهواره‌های مناسب برای InSAR

Sentinel-1

Sentinel-1 یکی از مهم‌ترین منابع آزاد داده برای InSAR محسوب می‌شود.

در سال ۲۰۲۶، Sentinel-1C و Sentinel-1D به‌عنوان زوج عملیاتی مأموریت، چرخه اسمی تداخل‌سنجی حدود ۶ روزه را مجدداً فراهم کرده‌اند.

ویژگی‌های مهم Sentinel-1:

• C-band
• دسترسی آزاد
• محصول SLC مناسب InSAR
• پوشش وسیع
• آرشیو بلندمدت
• مناسب برای تحلیل سری‌زمانی

NISAR

مأموریت مشترک NASA و ISRO با نام NISAR در سال ۲۰۲۵ پرتاب شد و در سال ۲۰۲۶ وارد عملیات علمی شده است.

این مأموریت از:

• L-band
• S-band

استفاده می‌کند.

یکی از نکات مهم درباره NISAR این است که:

چرخه تکرار مداری هم‌هندسه برای کاربردهای تداخل‌سنجی حدود ۱۲ روز است.

با درنظرگرفتن عبورهای Ascending و Descending، یک منطقه می‌تواند به‌طور متوسط در فاصله زمانی کوتاه‌تری مشاهده شود؛ اما این نباید با یک Interferometric Repeat شش‌روزه با هندسه یکسان اشتباه گرفته شود.

بنابراین در تحلیل InSAR، برای تشکیل زوج‌های هم‌هندسه تکرارشونده، چرخه ۱۲روزه اهمیت اصلی دارد.

L-band به دلیل طول موج بلندتر، در بسیاری از محیط‌های پوشیده از گیاه می‌تواند نسبت به C-band پایداری زمانی بهتری ایجاد کند؛ هرچند کیفیت واقعی همچنان به نوع پوشش و شرایط سطح بستگی دارد.

ALOS-2 PALSAR-2

سامانه L-band ژاپنی که برای کاربردهایی مانند:

• تغییرشکل پوسته
• زمین‌لغزش
• جنگل
• مناطق پوشیده از گیاه

اهمیت زیادی دارد.

TerraSAR-X / TanDEM-X

ماهواره‌های X-band با قدرت تفکیک بالا که برای کاربردهای دقیق شهری، زیرساختی و مدل‌سازی ارتفاع ارزشمند هستند.

COSMO-SkyMed

صورت‌فلکی X-band ایتالیا با قدرت تفکیک بالا و تکرار زمانی مناسب برای بسیاری از کاربردهای پایش تغییرشکل.

---

کاربردهای عملی InSAR

۱. پایش فرونشست زمین

یکی از شناخته‌شده‌ترین کاربردهای InSAR، بررسی فرونشست ناشی از:

• برداشت آب زیرزمینی
• تراکم رسوبات
• استخراج معدن
• بارگذاری سطح

است.

مزیت مهم InSAR در این حوزه، امکان مشاهده الگوی مکانی تغییرشکل در گستره‌ای وسیع است.

۲. زمین‌لرزه

InSAR می‌تواند تغییرشکل:

• هم‌لرزه‌ای
• پس‌لرزه‌ای
• و در برخی پژوهش‌ها تغییرات بین‌لرزه‌ای

را بررسی کند.

از داده‌های InSAR می‌توان برای:

• مدل‌سازی گسل
• بررسی توزیع Slip
• تحلیل تغییرشکل پوسته
• مقایسه با GNSS

استفاده کرد.

۳. زمین‌لغزش

روش‌های سری‌زمانی InSAR می‌توانند حرکت آهسته دامنه‌ها را در مناطقی که Coherence کافی وجود دارد آشکار کنند.

این اطلاعات برای:

• شناسایی دامنه‌های فعال
• تعیین نرخ حرکت
• تحلیل روند تغییرشکل
• اولویت‌بندی پایش زمینی

کاربرد دارد.

با این حال، قابلیت آشکارسازی حرکت دامنه تنها به Coherence وابسته نیست. حساسیت InSAR به:

• جهت حرکت دامنه
• زاویه شیب
• Aspect دامنه
• هندسه Ascending یا Descending
• راستای LOS

نیز وابسته است.

اگر بردار حرکت دامنه تقریباً عمود بر LOS باشد، ممکن است InSAR تنها بخش کوچکی از حرکت واقعی را ثبت کند.

۴. معدن

در مناطق معدنی، InSAR می‌تواند برای بررسی:

• تغییرشکل دیواره‌ها
• فرونشست
• باطله‌ها
• نواحی ناپایدار اطراف معدن

مورد استفاده قرار گیرد.

در پروژه‌های حساس، InSAR بهتر است در کنار:

• Ground-Based SAR
• GNSS
• ابزارهای ژئوتکنیکی
• پایش زمینی

استفاده شود.

۵. سدها و زیرساخت‌ها

در صورت وجود Scatterer مناسب، قدرت تفکیک کافی و هندسه مشاهده مناسب، InSAR می‌تواند برای بررسی تغییرشکل برخی:

• سدها
• پل‌ها
• ساختمان‌ها
• خطوط ریلی
• کریدورهای خطوط لوله

مورد استفاده قرار گیرد.

با این حال، برای پایش یک سازه منفرد نباید صرفاً به InSAR متکی بود و اعتبارسنجی با روش‌های زمینی اهمیت زیادی دارد.

۶. آتشفشان‌ها

تورم و فرونشست پوسته پیرامون آتشفشان‌ها می‌تواند الگوهای مشخصی در Interferogram ایجاد کند.

InSAR معمولاً در کنار:

• GNSS
• لرزه‌نگاری
• داده‌های ژئوشیمیایی

برای پایش آتشفشان استفاده می‌شود.

۷. یخچال‌ها و مناطق قطبی

InSAR و روش‌های مرتبط می‌توانند برای بررسی:

• سرعت حرکت یخ
• تغییرشکل یخچال‌ها
• تغییر صفحات یخی

مورد استفاده قرار گیرند.

---

مزایای InSAR

• ✅ پوشش مکانی وسیع
• ✅ حساسیت بالای فاز به تغییر فاصله
• ✅ آرشیو زمانی طولانی، به‌ویژه برای Sentinel-1
• ✅ عدم نیاز به نصب تجهیز در تمام نقاط منطقه
• ✅ امکان تحلیل سری‌زمانی با PS-InSAR و SBAS
• ✅ عملکرد شب و روز
• ✅ قابلیت تصویربرداری در اغلب شرایط ابری
• ✅ قابلیت تلفیق با GNSS، ترازیابی و سایر داده‌های زمینی

---

محدودیت‌ها و منابع خطای InSAR

کاهش Coherence

تغییر رفتار پراکندگی سطح میان برداشت‌ها می‌تواند قابلیت اعتماد فاز را کاهش دهد.

اثرات تروپوسفری

تغییرات بخار آب، فشار و دما می‌توانند تأخیر فاز ایجاد کنند که ممکن است با تغییرشکل زمین اشتباه گرفته شود.

اثرات یونوسفری

ناهمگنی الکترون‌های آزاد در یونوسفر می‌تواند به‌ویژه در طول موج‌های بلندتر مانند L-band، اعوجاج و تأخیر فازی ایجاد کند.

خطاهای DEM

DEM نامناسب می‌تواند باعث باقی‌ماندن Residual Topographic Phase شود.

خطای مدار

خطاهای مداری می‌توانند Ramp یا روندهای طول‌موج‌بلند در Interferogram ایجاد کنند.

Phase Unwrapping Error

در مناطق کم‌همدوس یا دارای گرادیان شدید فاز، بازیابی صحیح تعداد چرخه‌های فاز دشوار می‌شود.

هندسه LOS

InSAR تنها مؤلفه Line-of-Sight را ثبت می‌کند و نباید بدون تحلیل هندسی، آن را مستقیماً برابر نشست قائم دانست.

Layover و Radar Shadow

در مناطق کوهستانی و شهری، برخی بخش‌ها ممکن است به علت هندسه تصویربرداری قابل اندازه‌گیری مناسب نباشند.

حرکت بسیار سریع

حرکت سریع می‌تواند باعث:

• افزایش شدید گرادیان فاز
• از دست رفتن Coherence
• شکست Phase Unwrapping

شود.

---

اعتبارسنجی نتایج InSAR

در پروژه‌های مهندسی حساس، نتایج InSAR بهتر است با داده‌های مستقل اعتبارسنجی شوند.

روش‌های متداول عبارت‌اند از:

• GNSS
• ترازیابی دقیق
• Total Station
• Extensometer
• Inclinometer
• ابزارهای ژئوتکنیکی
• داده‌های نقشه برداری زمینی

نقش Corner Reflector

Corner Reflector به‌تنهایی یک ابزار مستقل اندازه‌گیری جابه‌جایی نیست.

این تجهیز یک هدف راداری قوی و پایدار ایجاد می‌کند و می‌تواند برای:

• ایجاد Scatterer کنترل‌شده
• Calibration
• کنترل Geolocation
• بهبود قابلیت پایش در مناطق کم‌Scatterer

استفاده شود.

اگر مختصات و حرکت Corner Reflector به‌صورت مستقل با:

• GNSS
• ترازیابی
• یا نقشه برداری دقیق

کنترل شود، می‌توان از آن در فرآیند اعتبارسنجی محصولات InSAR نیز استفاده کرد.

نکته مهم:

دقت داخلی الگوریتم InSAR با دقت واقعی نقشه جابه‌جایی پس از اعتبارسنجی یکسان نیست.

کیفیت نهایی به عواملی مانند:

• طول موج
• تعداد تصاویر
• Coherence
• اتمسفر
• هندسه
• مدار
• الگوریتم
• Reference Point
• کیفیت داده‌های زمینی

وابسته است.

---

استانداردها و چارچوب‌های فنی مرتبط

• ISO 19130-1:2018 — مدل‌های سنجنده برای ژئوپوزیشنینگ
• ISO/TS 19130-2:2014 — مدل‌های سنجنده برای SAR، InSAR، LiDAR و Sonar
• ISO/TS 19124-2:2025 — کالیبراسیون و اعتبارسنجی داده‌های SAR و محصولات مشتق‌شده
• CEOS-ARD for SAR — چارچوب محصولات آماده تحلیل راداری
• CEOS-ARD InSAR Product Family Specification — مشخصات محصولات تداخل‌سنجی مانند Interferogram، Coherence و سایر محصولات مرتبط با پردازش InSAR

---

روندهای آینده InSAR

افزایش صورت‌فلکی‌های SAR

افزایش تعداد ماهواره‌های SAR باعث:

• کاهش فاصله زمانی مشاهدات
• افزایش تعداد زوج‌های قابل استفاده
• بهبود سری‌های زمانی

می‌شود.

NISAR و گسترش داده‌های L-band

داده‌های L-band مأموریت NISAR می‌توانند فرصت‌های جدیدی برای پایش تغییرشکل در مناطقی که C-band سریع‌تر دچار Temporal Decorrelation می‌شود فراهم کنند.

پردازش ابری

حجم بالای داده‌های Sentinel-1، NISAR و سایر مأموریت‌ها باعث گسترش:

• Cloud Computing
• پردازش خودکار
• Analysis Ready Data

شده است.

هوش مصنوعی

روش‌های یادگیری ماشین و یادگیری عمیق در حال توسعه برای:

• تشخیص Anomaly
• تحلیل سری زمانی
• کاهش نویز
• کمک به Phase Unwrapping
• طبقه‌بندی الگوهای تغییرشکل

هستند.

حرکت به سمت پایش با تأخیر زمانی کمتر

ترکیب صورت‌فلکی‌های متعدد، پردازش خودکار و زیرساخت‌های ابری می‌تواند فاصله زمانی میان دریافت داده و تولید محصول تغییرشکل را کاهش دهد.

---

جمع‌بندی

تداخل‌سنجی راداری (InSAR) یکی از مهم‌ترین روش‌های سنجش از دور برای پایش تغییرشکل سطح زمین است.

اساس این فناوری بر مقایسه اطلاعات فاز تصاویر SAR قرار دارد؛ اما فاز ثبت‌شده تنها تابع تغییر فاصله نیست و تحت تأثیر توپوگرافی، هندسه مدار، شرایط تروپوسفری و یونوسفری، رفتار پراکندگی سطح و نویز نیز قرار دارد.

به همین دلیل، تبدیل یک Interferogram به نقشه جابه‌جایی معتبر مستلزم پردازش دقیق است.

مراحلی مانند:

• Coregistration
• تشکیل Interferogram
• بررسی Coherence
• حذف مؤلفه توپوگرافی
• Filtering
• Phase Unwrapping
• تبدیل فاز به LOS Displacement
• Geocoding
• انتخاب Reference Point
• اعتبارسنجی

از اجزای اصلی این فرآیند هستند.

همچنین باید توجه داشت که InSAR مستقیماً جابه‌جایی سه‌بعدی یا نشست قائم زمین را اندازه‌گیری نمی‌کند، بلکه تغییر فاصله در راستای LOS را ثبت می‌کند و مقادیر جابه‌جایی نیز معمولاً نسبت به یک مرجع مکانی و زمانی تعریف می‌شوند.

با استفاده از روش‌های سری‌زمانی مانند PS-InSAR و SBAS می‌توان ده‌ها یا صدها تصویر را تحلیل کرد و رفتار تغییرشکل سطح زمین را طی ماه‌ها یا سال‌ها بررسی نمود.

این قابلیت، InSAR را به ابزاری ارزشمند برای پایش:

• فرونشست
• زمین‌لغزش
• معدن
• زیرساخت
• زمین‌لرزه
• آتشفشان
• و سایر فرآیندهای ژئودینامیکی

تبدیل کرده است.

---

سوالات متداول (FAQ)

۱. InSAR چیست؟

InSAR یا تداخل‌سنجی راداری روشی است که اختلاف فاز دو یا چند تصویر SAR را تحلیل می‌کند تا اطلاعاتی درباره توپوگرافی یا تغییرشکل سطح زمین استخراج شود.

۲. آیا برای InSAR می‌توان از تصاویر GRD استفاده کرد؟

در تداخل‌سنجی کلاسیک به اطلاعات فاز نیاز داریم؛ بنابراین معمولاً از محصولات SLC استفاده می‌شود. محصولات GRD اطلاعات فاز لازم برای تشکیل Interferogram را حفظ نمی‌کنند.

۳. آیا InSAR جابه‌جایی قائم زمین را مستقیماً اندازه‌گیری می‌کند؟

خیر. InSAR تغییر فاصله را در راستای LOS اندازه‌گیری می‌کند. تبدیل آن به مؤلفه قائم نیازمند فرض مناسب یا ترکیب هندسه‌های مشاهده است.

۴. آیا جابه‌جایی InSAR مطلق است؟

معمولاً خیر. مقادیر InSAR نسبت به یک Reference Point/Area و در سری‌زمانی نسبت به یک Reference Epoch بیان می‌شوند. برای اتصال نتایج به چارچوب مطلق می‌توان از GNSS استفاده کرد.

۵. Coherence چیست؟

Coherence شاخصی بین صفر و یک است که میزان همبستگی Complex دو مشاهده SAR را نشان می‌دهد. Coherence بالاتر معمولاً بیانگر قابلیت اعتماد بیشتر فاز تداخل‌سنجی است. Coherence پایین به‌تنهایی نشانه جابه‌جایی نیست.

۶. Phase Unwrapping چیست؟

فرآیندی است که فاز چرخه‌ای Interferogram را به یک سطح فاز پیوسته تبدیل می‌کند تا بتوان تغییر فاصله تجمعی را محاسبه کرد.

۷. تفاوت InSAR و DInSAR چیست؟

InSAR اصطلاح عمومی تداخل‌سنجی SAR است. در DInSAR، مؤلفه توپوگرافی با استفاده از DEM و هندسه مدار مدل‌سازی و تا حد امکان حذف می‌شود تا تغییرشکل بهتر استخراج شود.

۸. تفاوت PS-InSAR و SBAS چیست؟

هر دو روش سری‌زمانی هستند. PS-InSAR بر Scattererهای دارای رفتار فازی پایدار تمرکز دارد، در حالی که SBAS از شبکه‌ای از Interferogramها با Baselineهای نسبتاً کوچک برای استخراج سری زمانی استفاده می‌کند.

۹. آیا InSAR می‌تواند جابه‌جایی میلی‌متری را اندازه‌گیری کند؟

در شرایط مناسب، روش‌های سری‌زمانی InSAR می‌توانند تغییرشکل در مقیاس میلی‌متری را برآورد کنند؛ اما این دقت تضمین‌شده نیست و به Coherence، اتمسفر، تعداد تصاویر، هندسه و روش پردازش وابسته است.

۱۰. آیا Ascending و Descending برای استخراج جابه‌جایی سه‌بعدی کافی هستند؟

خیر. دو مشاهده LOS صعودی و نزولی معمولاً برای حل کامل سه مؤلفه مستقل حرکت سه‌بعدی کافی نیستند و نیاز به فرض اضافی یا داده‌های کمکی وجود دارد.

۱۱. بهترین ماهواره رایگان برای InSAR چیست؟

Sentinel-1 همچنان یکی از مهم‌ترین منابع آزاد داده InSAR است. NISAR نیز با داده‌های L-band آزاد، منبع جدید و مهمی برای تداخل‌سنجی محسوب می‌شود.

۱۲. آیا InSAR جایگزین نقشه برداری زمینی می‌شود؟

خیر. InSAR و روش‌های زمینی مکمل یکدیگر هستند. InSAR پوشش وسیع و سری زمانی ارائه می‌دهد، در حالی که GNSS، ترازیابی و سایر روش‌های زمینی برای کنترل و اعتبارسنجی دقیق اهمیت دارند.

---

خدمات تخصصی SPM GEO در حوزه InSAR

در SPM GEO، انتخاب روش پردازش InSAR بر اساس نوع پروژه، هندسه تصویربرداری، پوشش زمین، نرخ تغییرشکل و تعداد تصاویر موجود انجام می‌شود.

خدمات قابل ارائه در این حوزه شامل:

• 📡 پردازش تصاویر Sentinel-1 SLC و تشکیل Interferogram
• 📊 تهیه نقشه‌های جابه‌جایی LOS با DInSAR
• 🛰️ تحلیل سری‌زمانی با PS-InSAR و SBAS
• 🏙️ پایش فرونشست شهری و منطقه‌ای
• ⛰️ تحلیل تغییرشکل دامنه‌ها و زمین‌لغزش با توجه به هندسه LOS
• ⛏️ پایش مناطق معدنی
• 🏗️ بررسی تغییرشکل زیرساخت‌ها در صورت مناسب بودن Scatterer و رزولوشن داده
• 📐 طراحی شبکه کنترل با GNSS، نقشه برداری دقیق و Corner Reflector
• 📑 تهیه نقشه نرخ جابه‌جایی و سری زمانی تغییرشکل
• 🎓 آموزش تخصصی پردازش InSAR و Sentinel-1

انتخاب میان DInSAR، PS-InSAR و SBAS باید بر اساس شرایط واقعی پروژه انجام شود و هیچ‌یک از این روش‌ها به‌صورت مطلق برای همه مناطق بهترین گزینه نیستند.

با پردازش صحیح داده‌های InSAR می‌توان از مجموعه‌ای از تصاویر راداری، سابقه زمانی رفتار تغییرشکل سطح زمین را استخراج کرد و آن را به اطلاعات قابل استفاده در تصمیم‌گیری‌های مهندسی تبدیل نمود.

📞 برای بررسی امکان استفاده از InSAR در پروژه‌های عمرانی، معدنی، شهری یا مطالعات فرونشست، می‌توانید با کارشناسان SPM GEO در ارتباط باشید.