A importância da interferometria no monitoramento de barragens

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SurfaceMovementMonitoring

Monitorar grandes estruturas vem se tornando crítico nos últimos anos devido à grande notoriedade de desastres como o rompimento da barragem do Fundão em Mariana/MG No dia 05 de novembro de 2015 e o rompimento da barragem do córrego do feijão em Brumadinho /MG em 25 de janeiro de 2019. Segundo a Samarco na barragem do Fundão eram realizadas inspeções de segurança em turno de 24 horas, e segundo a ANM, a barragem do córrego do feijão tinha um sistema de monitoramento por câmeras. Apesar dos monitoramentos existentes, essas tragédias não puderam ser previstas de forma eficaz para serem remediadas ou evitadas.

Para esses casos, existe tecnologia acessível para monitorar de maneira eficaz tais estruturas. Técnicas foram desenvolvidas e vêm sido utilizadas há mais de uma década com a utilização de imagens de Radar de Abertura Sintética (SAR) para medir a movimentação da superfície.

Diferentemente das imagens de sensores óticos, os sensores SAR podem adquirir dados dia e noite independentemente das condições climáticas. As faixas de frequência do espectro eletromagnético em que operam definem as bandas, podendo ser classificadas, a título exemplificativo, como Ka, K, X, C, S, L ou P. Esses dados adquiridos podem possuir mais de uma polarização, ou seja, mais de uma combinação da polarização do pulso eletromagnético para os pulsos emitidos e recebidos, podendo ser horizontal ou vertical. Exemplo: HH, HV, VH VV.

As principais constelações de satélites com sensor SAR disponíveis hoje são:

  • TerraSAR-X, banda X;
  • Cosmo SkyMed, banda X;
  • Kompsat-5, banda X;
  • Radarsat-2, banda C;
  • Sentinel-1, banda C;
  • ALOS-2, banda L;

 

Surface Movement Monitoring (SMM)
Fonte: ao final do artigo

Como funciona?

A interferometria baseada em dados SAR é uma tecnologia que permite a medição de precisa e acurada de alterações de elevação na superfície do terreno, a partir da análise da diferença de fase dos dados coletados pelo sensor.

 

Surface Movement Monitoring (SMM)
Fonte: DLR

 

Tanto a informação de movimentação vertical quanto a horizontal podem ser medidas, uma vez que a resultante da movimentação pode ser decomposta, conforme a fórmula a seguir. Entretanto para obter a componente horizontal da movimentação é necessário um recobrimento com órbita ascendente e descendente.

 

Surface Movement Monitoring (SMM)
Fonte: DLR

 

O comprimento de onda influencia significativamente no resultado da medição da movimentação da superfície por interferometria, uma vez que é utilizada a diferença de fase, conforme pode ser observado na fórmula a seguir.

 

φ=1-2=4  ΔR

 

Na figura a seguir é possível observar a sensibilidade interferométrica em função do comprimento de onda, de cima para baixo estão dispostas a banda X, a banda C e a banda L.

 

Surface Movement Monitoring (SMM)
Fonte: DLR

 

Como é a análise?

Quanto à técnica propriamente dita, é realizada uma comparação dos pixels em um conjunto de aquisições em datas diferentes, o movimento do pixel dentro desse período pode então ser mensurado. A direção da movimentação se dá ao longo da linha de visada do satélite e é percebida conforme se altera a distância entre o sensor e o ponto na superfície do terreno.

 

Surface Movement Monitoring (SMM)
Fonte: Airbus

 

A partir desses resultados é realizada uma seleção criteriosa dos pixels úteis para a mensuração da movimentação, a fim de assegurar a acurácia dos resultados. Conforme ilustram as imagens a seguir, tanto no meio rural, quanto no meio urbano, são selecionados somente os pixels com confiabilidade, sendo retirados da análise áreas correspondentes a florestas e construções, a título de exemplo, onde a constante modificação das árvores e novas construções influenciariam negativamente na análise da superfície do terreno.

 

Surface Movement Monitoring (SMM)

 

Surface Movement Monitoring (SMM)
Fonte: Airbus

 

Geralmente os resultados dessas análises geram milhões de pixels com as medições de movimentação com alta resolução espacial e temporal, sendo assim é normal esse tipo de serviço ser disponibilizado juntamente com um relatório técnico com as análises de especialistas e as informações resultantes serem generalizadas, classificadas e agrupadas de modo que possam ser disponibilizadas e consultadas intuitivamente em um ambiente WEBGIS, sem a necessidade de instalação de qualquer software adicional.

O que é preciso considerar?

Segundo Bischoff et al. (2017) a escolha do sensor é crucial para o êxito da aplicação do InSAR, em seu artigo é realizada uma recomendação de utilização do Sentinel-1, sensor na banda C com dados disponibilizados gratuitamente, para grandes regiões, enquanto quando é necessário uma melhor distribuição e densidade de pontos, assim como um melhor ciclo de recobrimento o mais indicado seriam sensores na banda X. A seguir é possível visualizar uma tabela comparativa da densidade de pontos entre o Sentinel-1 e o TerraSAR-X.

 

 

Sentinel-1

TerraSAR-X

Comprimento de onda

5,55cm

3,11cm

Densidade de pontos de medição

478,2MP/km²

9.137,7MP/km²

Fonte: Bischoff et al. (2017)

 

A equipe técnica da Airbus realizou diversas comparações entre os resultados interferométricos do Sentinel-1 e do TerraSAR-X, a seguir é possível visualizar uma dessas comparações em um caso de recalque de uma das pistas de uma estrada.

 

SMM
Fonte: Airbus

 

As conclusões obtidas dos resultados dessas comparações são:

Sentinel-1 é adequado para monitoramento em larga escala, identificação de hotspots, porém não é adequado para o monitoramento desses hotsposts ou de objetos únicos.

Já o TerraSAR-X é mais adequado para o monitoramento desses hotsposts e de objetos únicos, para medições precisas e aplicações na engenharia civil.

A HEX, no Brasil, ajuda a difundir essa tecnologia para ajudar no monitoramento adequado de infraestruturas críticas que influenciam na natureza e na vida da população, trabalhando juntamente com a Airbus e a MAXAR.

Referências

https://g1.globo.com/economia/noticia/2019/02/01/barragem-de-brumadinho-era-monitorada-por-cameras-diz-agencia-de-mineracao.ghtml

https://www.samarco.com/barragens/

Bischoff, C. A., Basilico, M., Ferretti, A., Molinaro, D., Giannico, C., Ghail, R. C., Mason, P. J. A comparison between TerraSAR-X and Sentinel-1 PSInSAR data for infrastructure monitoring in London, UK. Poster Section │ GRSG 28th International Annual Conference “Applied Geological Remote Sensing”, 13-15 December 2017, Lisbon (Portugal)

Fonte das imagens de satélite:

https://www.dlr.de/dlr/en/desktopdefault.aspx/tabid-10377/565_read-436/

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/cosmo-skymed

https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/k/kompsat-5

http://www.asc-csa.gc.ca/eng/satellites/radarsat2/Default.asp

https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions/sentinel-1/overview

http://global.jaxa.jp/projects/sat/alos2/

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