Bodembeweging van de Nederlandse veengebieden monitoren met InSAR

Hoeveel tijd is er verstreken?

Het antwoord lijkt misschien simpel: drie uur! Maar in werkelijkheid is het iets ingewikkelder. Het kan ook zo zijn dat er vijftien uur zijn verstreken, of zevenentwintig. Het zou zelfs kunnen dat de rechterklok een beeld is van negen uur eerder.

Dit is wat we noemen een ambigue meting. Er zijn een oneindig aantal oplossingen voor deze vraag, namelijk: , waar  een willekeurig heel getal is. Maar als er oneindig veel oplossingen zijn, betekent dat dan dat we de tijd niet met klokken kunnen bepalen? Natuurlijk niet, maar het betekent dat we wat aanvullende informatie nodig hebben om de meting eenduidig ​​te maken. Misschien weet u bijvoorbeeld dat het nog steeds dezelfde dag is en dat de zon nog op is, dus het is niet mogelijk dat er al meer dan 12 uur zijn verstreken.

Ook met radarinterferometrie (Interferometrische Synthetische Apertuur Radar, ook wel InSAR genoemd) lopen we tegen deze uitdaging aan. Verschillende radarsatellieten vliegen rond de aarde en maken herhaaldelijk opnamen van het aardoppervlak. Ze doen dit al sinds 1992, en inmiddels wordt elke paar dagen een nieuw beeld van Nederland opgenomen. De radar neemt namelijk de aarde waar in een hoek, de fase. Dus ook de lineaire (rechte) bodembeweging wordt in graden gemeten: de bodem beweegt tussen de -180° en 180°. Dat betekent dat de radarmetingen van bodembeweging, de fase, in de loop van de tijd resulteren in faseontwikkeling ofwel: phase wrapping (zie het linker figuur hieronder).

Kijk eens naar de linker grafiek hierboven. Metingen van een object dat met een langzame, lineaire snelheid beweegt, zullen uiteindelijk de drempel van 180° overschrijden en weer teruggaan naar -180°. Om de oorspronkelijke lineaire beweging te ontrafelen (zoals weergegeven in de rechtergrafiek) is het nodig de fase te ontrafelen: phase-unwrapping. Dit is een cruciale stap in de InSAR-analyse. Omdat ook hier sprake is van een oneindig aantal oplossingen, hebben we te maken met een ambigue vraag zoals die van de klok. Om dit ambiguïteitsprobleem op te lossen hebben we of aanvullende informatie nodig of moeten we aannames doen, zoals bij het probleem met de klok. De standaardmethode die voor InSAR wordt gebruikt, is de aanname dat het antwoord met de kleinste faseverandering het juiste is. Dat betekent dat we aannemen dat een verspringing van 2° logischer is dan een verspringing van 362°.

Deze aanpak is vaak goed te onderbouwen, maar we merken dat het niet werkt bij het monitoren van de Nederlandse veengebieden! Veengronden kunnen zo snel bewegen dat een grote opwaartse deining (zwel) met deze aanpak ook kan worden weergegeven als een kleinere neerwaartse inkrimping.

Om dit probleem op te lossen, heeft NWA-LOSS onderzoeker Philip Conroy (TU Delft) een ‘deep neural network’ (een type machine learning) getraind om te voorspellen of de bodem al dan niet omhoog of omlaag zou bewegen. Daarbij wordt gekeken naar neerslag, temperatuur en tijd van het jaar. Dit zijn de factoren waarvan we weten dat ze een sterk effect hebben op de korte termijn beweging (krimp en zwel) van veengronden. Op deze manier gebruiken we de schattingen van dit neural network als de benodigde aanvullende informatie bij de ‘phase unwrapping’. Zo hebben we het gebruik van InSAR mogelijk gemaakt voor het monitoren van de bodembeweging van de Nederlandse veengebieden.

Bekijk het volledige (open-access) artikel (Engels): Probabilistic Estimation of InSAR Displacement Phase Guided by Contextual Information and Artificial Intelligence

In voorjaar 2023 organiseert het NOBV we een webinar over LIDAR en InSar. De uitnodiging daarvoor volgt binnenkort. Wilt u meer weten over NWA-LOSS? Kijk dan hier.