Radar interferometry for monitoring crustal deformation: geodetic applications in Greece

Abstract

The onset of the new Millennium found remote sensing scientists, geophysicists, geodesists, and engineers equipped with powerful new tools for measuring crustal deformation via Earth Observation. The growing flow of satellite data, along with the development of innovative algorithms and processing chains, have allowed the systematic mapping of surface deformation, pertinent to earthquakes, volcanic eruptions, landslides, and ground subsidence due to manmade activities, leading to the enhancement of our understanding of the manifestation of several geophysical phenomena and the processes that govern them.This dissertation focuses on the use of radar interferometry geodetic techniques for mapping ground displacement in a geophysically active country, Greece. Greece has unique geomorphology, is plagued by frequent earthquakes and contains several active volcanic centers along the Hellenic Arc. Moreover, the capital of Greece, Athens, is a heavily urbanised metropolis in which heavy construction activities have taken place in the last two decades, including works for accommodating the 2004 Olympic Games.Firstly, the catastrophic earthquake (Mw 5.9) which struck Athens on September 7, 1999 is studied. Interferometric stacking is applied to derive the displacement field in Thriasio Pedio, showing significant deformation with the maximum line-of-sight (LOS) subsidence being approximately 6 cm. Then, the deformation pattern is validated using as reference an external data source provided by terrestrial surveying along the Mornos river open aqueduct. It is found that the deviation of the InSAR and leveling subsidence profiles along Mornos, fall entirely within the confidence interval defined for the leveling data. The 2008 Movri earthquake (Mw 6.4) which hit north-west Peloponnese is subsequently investigated with satellite interferometry. DInSAR stacking analysis detects co-seismic motion only in Kato Achaia where the interferogram fringe pattern shows vertical displacement ranging from 3 to 6 cm. Combining this information with in-situ observations, a dislocation model and historical seismicity records, it is argued by geophysicists and seismologists that the causal association between ground displacement and increased earthquake damage in the hanging wall of the motion becomes possible not only for pure dip-slip earthquakes but also for strike-slip earthquakes with a small dip-slip component.The thesis also tackles a problem of a purely geodetic nature, the generation of accurate digital elevation models using the state-of-the-art cross-interferometry methodology, by coherently combining ERS and Envisat data on a Tandem mission. The available perpendicular baselines used are not ideal, however DEM reconstruction is successful for two sites in Attica prefecture, exhibiting significantly lower local height variations compared to an existing DEM, but with reduced spatial coverage. Additionally, it is confirmed that cross-interferometric coherence increases in agricultural areas with rolling topography, whereas surface and volume decorrelation kick in for mountainous and urban areas respectively.The core part of this research work is the application of multi-interferogram techniques (PSI \& SBAS) for the accurate mapping of surface deformation in the wider Athens metropolitan area from 1992 until 2010. Two descending and one ascending ERS and Envisat tracks are processed, generating for the first time LOS ground velocity maps that depict local displacement patterns in the area, with unprecedented accuracy and spatial coverage. These interferometric measurements can serve as a benchmark for future regional geodetic surveys. Furthermore, the multi-track LOS displacement rate fields allows the decomposition of the velocity vectors to their vertical and horizontal components. Results of the time-series analysis indicate that a large area containing the Kifisia municipality was subsidizing in the period 1992-1999 (~ 8 mm/yr) and has been uplifting since 2002 (~ 4 mm/yr). This is attributed to water extraction activities that took place up until late 1995. Since then, Kifisia is on a restoration phase. More importantly, a zoom at Thriasio Pedio shows that there were no subtle vertical crustal deformation signals with noteworthy magnitude prior to the 1999 Athens earthquake. The revealing outcome, however, is the identification of clear zones of horizontal displacement with opposite signs close to the earthquake epicenter.Finally, the surface deformation associated with the recent unrest in the Santorini Volcanic Complex, spanning from January 2011 to February 2012, is presented and discussed. PSI and SBAS are again used producing dense LOS ground deformation maps and the displacement field is compared with GPS observations from ten continuous sites installed on Santorini. Results show a clear and large inflation signal, up to 150 mm/yr in the LOS direction, with a radial pattern outward from the center of the caldera. The deformation inferred from GPS and InSAR is modeled using a Mogi source located north of the Nea Kameni island, at a depth between 3.3 km and 6.3 km and with a volume change rate in the range of 12 million m3 to 24 million m3 per year. The depth and volume change rate characteristics of the best fit Mogi model, along with the declaration of the end of the episode using GPS and InSAR data (estimated to have occurred in late February 2012), leads to the conclusion that Santorini has entered a new era of relative stability, decreasing the probability of an imminent volcanic eruption.

Η έναρξη της νέα χιλιετίας βρήκε τους επιστήμονες δορυφορικής τηλεπισκόπησης, γεωδαίτες, γεωφυσικούς και μηχανικούς, εξοπλισμένους με νέα και ισχυρά εργαλεία για την μέτρηση της παραμόρφωσης του γήινου φλοιού, με χρήση τεχνικών παρατήρησης της γης. Η αυξανόμενη διαθεσιμότητα δορυφορικών δεδομένων, σε συνδυασμό με την ανάπτυξη καινοτόμων αλγορίθμων για την επεξεργασία τους, επέτρεψε τη συστηματική χαρτογράφηση της επιφανειακής παραμόρφωσης έπειτα από σεισμικά γεγονότα, ηφαιστειακές εκρήξεις, κατολισθήσεις, και καθιζήσεις του εδάφους που προκύπτουν από ανθρωπογενείς δραστηριότητες, με αποτέλεσμα την καλύτερη κατανόηση αρκετών γεωφυσικών φαινομένων και των μηχανισμών που τα διέπουν.Αυτή η διατριβή εστιάζει στη χρήση γεωδαιτικών τεχνικών συμβολομετρίας ραντάρ για τη χαρτογράφηση της μετατόπισης του εδάφους στη βάση πρωτοποριακών ερευνητικών κατευθύνσεων:•Η πρώτη κατεύθυνση αφορά στη χρήση και ολοκλήρωση δεδομένων από πολλαπλούς δορυφορικούς αισθητήρες SAR διαφορετικής χρονικής, χωρικής και φασματικής ανάλυσης και διαφορετικών γεωμετριών απεικόνισης. Συγκεκριμένα, έγινε επεξεργασία δεδομένων από μια σειρά δορυφορικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένου των πλατφορμών ERS-1,2, Envisat, ALOS και COSMO-SkyMed που εκπέμπουν σε συχνότητες C-, L- και englishX-band, με χωρική ανάλυση που ποικίλει από 20×4 μ. εώς και 1×1 μ., με επισκεψιμότητα από 16 εώς 35 μέρες και με ευρεία γκάμα γωνιών πρόσπτωσης (incidence angle). Στην διατριβή συνδυάστηκαν τα οφέλη που παρέχονται από τα διαφορετικά χαρακτηριστικά λειτουργίας των εν λόγω συστημάτων, λαμβάνοντας επίσης υπόψην παραμέτρους που επηρεάζουν τη συνάφεια φάσης ανάλογα με την υποκείμενη χρήση γης (αστικά-περιαστικά, αγροκαλλιέργειες, δασικά), με αποτέλεσμα την αξιοσημείωτη επέκταση της χωρικής κάλυψης, τη βελτίωση της ακρίβειας των γεωδαιτικών μετρήσεων, και την απομόνωση της συμβολής των διακριτών οριζόντιων και κατακόρυφων ταχυτήτων μετατόπισης.•Επεξεργασία δεδομένων SAR χρησιμοποιώντας διάφορες μεθόδους αιχμής, προσαρμόζοντας μια σειρά από παραμέτρους και τροποποιώντας επιμέρους βήματα στις αλυσίδες επεξεργασίας, καταφέρνοντας τη μέγιστη δυνατή αξιοποίηση των δεδομένων για την μέτρηση της εδαφικής παραμόρφωσης με υψηλή ακρίβεια. Αξιοποιήθηκαν τεχνικές σώρευσης χρονοσειρών διαφορικών συμβολογραμμάτων SAR ενσωματώνοντας και βρίσκοντας συνέργειες ανάμεσα σε συμβατικές μεθόδους διαφορικής συμβολομετρίας, αλγόριθμους στοίβαξης συμβολογραμμάτων και μεθοδολογίες σταθερών σκεδαστών (Permanent Scatterers InSAR και Small BAseline Subset). Αποτέλεσμα της ερευνητικής αυτής προσπάθειας ήταν η βελτίωση της χωρικής ανάλυσης του σήματος παραμόρφωσης, αναδεικνύοντας με υψηλή ευκρίνεια τοπικά μοτίβα παραμόρφωσης, αλλά και επιτρέποντας την αποτύπωση μεγάλης κλίμακας μετατοπίσεων με χρήση περιορισμένου σετ δεδομένων (< 15 σκηνές SAR).•Σε ορισμένες περιοχές μελέτης, οι γεωδαιτικές μετρήσεις που προήλθαν από δορυφορικά δεδομένα SAR επικυρώθηκαν με επίγειες παρατηρήσεις από σταθερούς σταθμούς GPS και χωροσταθμήσεις. Η εναρμόνιση των διαφορετικών αυτών τύπων γεωδαιτικών μετρήσεων έγινε με την εφαρμογή μιας σειράς αλγοριθμικών βημάτων, αξιοποιώντας το πυκνό δίκτυο GPS στο Ελλαδικό χώρο που επεξεργάζεται το Κέντρο Δορυφόρων Διονύσου.•Επεξεργασία πρωτοφανούς όγκου δεδομένων SAR, που ανέρχεται σε αρκετά Terrabytes, δημιουργώντας μια μοναδική γεωβάση με διαχρονικές γεωδαιτικές παρατηρήσεις σε κρίσιμες γεωφυσικά περιοχές. Πλέον, για μια σειρά ευαίσθητων περιοχών στον Ελλαδική επικράτεια είναι διαθέσιμοι αξιόπιστοι χάρτες εδαφικής παραμόρφωσης υψηλής προστιθέμενης αξίας και χωρικής ανάλυσης. Οι χάρτες αυτοί αποτελούν μοναδικό σημείο αναφοράς σε ότι αφορά τη δραστηριότητα και τις παραμορφώσεις του φλοιού της Γης στην Ελλάδα.Οι παραπάνω καινοτόμες μεθόδοι εφαρμόστηκαν σε διάφορες περιοχές γεωφυσικού ενδιαφέροντος στην Ελλάδα. Η Ελλάδα έχει μοναδική γεωμορφολογία, μαστίζεται από συχνούς σεισμούς και περιέχει πολλαπλά ηφαιστειακά κέντρα κατά μήκος του Ελληνικού Τόξου. Επιπλέον η Αθήνα, πρωτεύουσα της Ελλάδας, είναι μια έντονα αστικοποιημένη μητρόπολη, όπου κατά τις τελευταίες δύο δεκαετίες έχει λάβει χώρα έντονη κατασκευαστική δραστηριότητα, λαμβάνοντας υπόψη και τις εργασίες για την υποδοχή των Ολυμπιακών Αγώνων του 2004.Αρχικά μελετάται ο καταστροφικός σεισμός (Mw 5.9) που έπληξε την Αθήνα στις 7 Σεπτεμβρίου 1999. Εφαρμόζονται τεχνικές συμβολομετρικής σώρευσης για τον εντοπισμό του πεδίου μετατοπίσεων στο Θριάσιο Πεδίο, οι οποίες δείχνουν σημαντική παραμόρφωση, με τη μέγιστη καθίζηση στην κατεύθυνση στόχου-δορυφόρου (LOS) να ανέρχεται σε 6 περίπου εκατοστά. Στη συνέχεια, το μοντέλο παραμόρφωσης επιβεβαιώνεται χρησιμοποιώντας μια εξωτερική πηγή δεδομένων από επίγειες μετρήσεις κατά μήκος του υδραγωγείου του Μόρνου. Διαπιστώνεται ότι η απόκλιση των προφίλ των καθιζήσεων ανάμεσα στη διαφορική συμβολομετρία ραντάρ και τις χωροσταθμήσεις βρίσκεται εντός του διαστήματος εμπιστοσύνης που ορίζεται για τα χωροσταθμικά δεδομένα.Στη συνέχεια διερευνάται ο σεισμός της Μόβρης (Mw 6.4) που έπληξε την βορειοδυτική Πελοπόννησο το 2008, με δορυφορική συμβολομετρία. Η συμβολομετρική σώρευση ανίχνευσε συν-σεισμική κίνηση μόνο στην περιοχή της Κάτω Αχαϊάς, όπου εντοπίζονται κροσσοί συμβολής που καταδεικνύουν κατακόρυφη μετατόπιση με διακύμανση από 3 έως 6 εκατοστά. Συνδυάζοντας αυτές τις πληροφορίες με επίγειες παρατηρήσεις, ένα μοντέλο μετατόπισης (dislocation model) και ιστορικά αρχεία σεισμικότητας, υποστηρίζεται από γεωφυσικούς ότι η αιτιώδης σύνδεση μεταξύ της μετατόπισης του εδάφους και των αυξημένων καταστροφών στην μια πλευρά του ρήγματος (hanging wall), καθίσταται δυνατή όχι μόνο σε σεισμούς που οφείλονται σε ρηξιγενείς δομές εφελκυσμού, αλλά και στις διατμητικές ρηξιγενείς δομές με μικρή συνιστώσα εφελκυσμού.Η διατριβή καταπιάνεται επίσης με ένα πρόβλημα καθαρά γεωδαιτικής φύσης, την παραγωγή ψηφιακών μοντέλων εδάφους (ΨΜΕ) υψηλής υψομετρικής ακρίβειας, χρησιμοποιώντας μεθοδολογίες αιχμής για την παραγωγή συμβολογραμμάτων με συνδυασμό δορυφορικών δεδομένων ERS και Envisat σε ειδική διάταξη λήψης. Οι διαθέσιμες γραμμές βάσης που χρησιμοποιούνται δεν είναι οι ιδανικές, ωστόσο ΨΜΕ ανακατασκευάζονται για δύο θέσεις στο Νομό Αττικής, εμφανίζοντας σημαντικά χαμηλότερες τοπικές υψομετρικές μετοβολές σε σύγκριση με υφιστάμενο ΨΜΕ, αλλά με μειωμένη χωρική κάλυψη. Επιπλέον, επιβεβαιώνεται ότι ο δείκτης συνάφειας φάσης της συγκεκριμένης τεχνικής αυξάνεται στις αγροτικές περιοχές με μικρές εδαφικές κλίσεις, ενώ μειώνεται σε ορεινές και αστικές περιοχές όπου επικρατεί αποσυσχέτιση σήματος επιφάνειας και όγκου αντίστοιχα.Το βασικό μέρος του ερευνητικού αυτού έργου, είναι η εφαρμογή τεχνικών επεξεργασίας χρονοσειρών συμβολογραμμάτων (PSI & SBAS) για την ακριβή χαρτογράφηση της επιφανειακής παραμόρφωσης στην ευρύτερη περιοχή του νομού Αττικής από το 1992 μέχρι το 2010. Έγινε επεξεργασία δεδομένων από πολλαπλές τροχιές, αποτυπώνοντας για πρώτη φορά τις LOS εδαφικές ταχύτητες που απεικονίζουν τα τοπικά μοτίβα παραμόρφωσης, με πρωτοφανή ακρίβεια και χωρική κάλυψη. Αυτές οι συμβολομετρικές παρατηρήσεις μπορούν να αποτελέσουν σημείο αναφοράς για μελλοντικές γεωδαιτικές έρευνες. Επιπλέον, η ύπαρξη προϊόντων από πολλαπλές τροχιές επιτρέπει την απομόνωση των κάθετων και οριζόντιων συνιστωσών των διανυσμάτων ταχύτητας. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης χρονοσειρών δείχνουν ότι μια μεγάλη περιοχή που περιλαμβάνει το δήμο Κηφισιάς είχε υποστεί καθίζηση κατά την περίοδο 1992-1999 (~ 8 χιλ/έτος) ενώ ανυψώνεται από το 2002 (~ 4 χιλ/έτος) και έπειτα. Αυτό αποδίδεται σε δραστηριότητες εξόρυξης νερού που έλαβαν χώρα κατά την πρώτη περίοδο και σταμάτησε περί τα τέλη του 1995. Από τότε, η Κηφισιά βρίσκεται σε μια κατάσταση φυσικής επαναφοράς. Ακόμα πιο σημαντικά ευρήματα εντοπίζονται στο Θριάσιο Πεδίο όπου δεν διαφαίνονται κατακόρυφες παραμορφώσεις με αξιοσημείωτο μέγεθος πριν από το σεισμό του 1999 στην Αθήνα. Ωστόσο, αποκαλυπτικές είναι οι σαφείς ζώνες οριζόντιας μετατόπισης με αντίθετα πρόσημα που εντοπίζονται πλησίον του επίκεντρου του σεισμού.Τέλος, παρουσιάζεται η μελέτη της επιφανειακής παραμόρφωσης που συνδέεται με την πρόσφατη αναταραχή στο ηφαιστειακό συγκρότημα της Σαντορίνης, στο διάστημα Ιανουάριος 2011 με Φεβρουάριος 2012. Οι τεχνικές PSI και SBAS χρησιμοποιούνται εκ νέου για την παραγωγή πυκνών χαρτών παραμόρφωσης του εδάφους, και το πεδίο αυτό μετατόπισης αντιπαραβάλλεται με τις παρατηρήσεις GPS από δέκα σταθμούς απρόσκοπτης λήψης που έχουν εγκατασταθεί στη Σαντορίνη. Τα αποτελέσματα δείχνουν μια σαφή τάση ανύψωσης, έως 150 χιλ/έτος στην κατεύθυνση LOS, μειούμενου μέτρου ακτινωτά από το κέντρο της καλντέρας. Η παραμόρφωση που προκύπτει από τις παρατηρήσεις GPS και συμβολομετρίας μοντελοποιείται χρησιμοποιώντας μια πηγή τύπου Mogi που βρίσκεται βόρεια της νήσου Νέας Καμένης, σε βάθος μεταξύ 3,3 και 6,3 χιλιομέτρων και με ένα ρυθμό μεταβολής του όγκου της περί των 12 με 24 κυβικών μέτρων ανά έτος. Τα χαρακτηριστικά αυτά του μοντέλου, σε συνδυασμό με τη λήξη του επεισοδίου που διαπιστώνεται με χρήση GPS και συμβολομετρικών δεδομένων και εκτιμάται ότι συνέβη στα τέλη Φεβρουαρίου 2012, οδηγεί στο συμπέρασμα ότι η Σαντορίνη έχει εισέλθει σε μια νέα εποχή σχετικής γεωφυσικής ηρεμίας, μειώνοντας σημαντικά την πιθανότητα μιας επικείμενης ηφαιστειακής έκρηξης.