Sunday, November 19, 2017

DEM Interferometri Menggunakan Sentinel 1 SAR Data (Eksperimen)

Sudah lama sekali saya tidak memperbarui blog ini dengan sebuah tulisan, dan kali ini ada sebuah momen yang saya rasa penting untuk saya tulis. Selain untuk arsip dari apa – apa yang telah saya pelajari, barangkali bisa bermanfaat juga untuk anda pembaca.

Tulisan ini bermula dari ketertarikan saya mengikuti kurus penginderaan jauh radar/gelombang mikro yang diadakan oleh ESA (European Space Agency) dalam format online dengan judul ECHOES IN SPACE. Kursus ini gratis dan dapat diikuti siapa saja yang telah memiliki basic pengetahuan penginderaan jauh (cek link INI untuk berpartisipasi).

Dari kursus ECHOES IN SPACE, pengetahuan penginderaan jauh system radar/SAR saya jauh meningkat, terutama tentang konsep – konsep teoritisnya, dan hubungannya dengan aplikasi praktisnya. Selama ini memang saya lebih banyak berkutat di penginderaan jauh system optik, dan jarang berkutat di Gelombang Mikro. Meskipun beberapa praktek teknis Radar seperti pembuatan komposit multipolarisasi, geocoding, terrain correction, bahkan interferometry sudah pernah saya pelajari, tetapi tanpa pengetahuan teoritis yang cukup, sehingga comprehensive view-nya tidak saya dapat.

Dalam tulisan ini, saya hanya akan merangkum sedikit pembelajaran tentang interferometri untuk pembuatan DEM sebagai follow up dari kursus tersebut. Bagi anda yang ingin belajar tentang interferometri, setidaknya anda harus paham bagaimana system SAR bekerja, apa itu phase, apa itu koherensi/korelasi dan inkoherensi/dekorelasi. Dan apa itu perpendicular baseline.

Interferometri untuk pembuatan DEM yang baik memerlukan interferogram dengan koherensi antar pasangan citra SAR yang baik (nilai di atas 0,5). Koherensi yang tinggi berarti factor penutup lahan tidak berpengaruh terhadap hamburan balik (backscatter) sinyal RADAR (baik amplitude maupun phasenya). Yang berpengaruh hanya medan (terrain) dan dinamikanya (misalnya deformasi, longsor, dll). Koherensi sebesar ini hanya akan didapat dari citra dengan resolusi temporal sesingkat mungkin. Perbedaan lebih dari tiga hari antar pasangan citra akan terpengaruh oleh dinamika penutup lahan dan pada akhirnya akan merubah karakteristik fase dari backscatter.

Oleh karena itu, tidak heran apabila dari berbagai satelit SAR yang pernah diluncurkan, tidak banyak yang memenuhi syarat untuk digunakan dalam interferogrametri DEM. Contoh yang sukses dan mencapai tahap operasional dalam ekstraksi DEM hanya misi SRTM (airborne SAR dengan dua antenna melalui konfigurasi along track interferometry) dan konstelasi TERRASAR-X dan TANDEM-X (spaceborne SAR dengan dua wahana melalui konfigurasi across track interferometry). Kedua misi tersebut memiliki resolusi temporal yang baik sehingga koherensi maksimal bisa didapat.

Selain itu, interferometry juga tidak bisa diaplikasikan pada pasangan citra dari mode perekaman yang berbeda (ascending dan descending pass). Hal ini dikarenakan pada mode ascending dan descending efek layover/shadow/foreshortening antar citra memiliki arah yang berbeda,sehingga tidak dapat dikoherensikan.

Kata – kata diatas dapat saya rangkum setelah saya melakukan eksperimen interferometry menggunakan data SAR Sentinel 1 Interferometric Wide Mode dengan level pemrosesan SLC (single look complex) data. Software yang digunakan adalah ESA SNAP dan SNAPHU yang paling umum digunakan untuk interferometry berbasis perangkat lunak open source. Data SLC Sentinel 1 saya dapat dari aplikasi VERTEX milik Alaska Satellite Facility. Saya memilih layanan VerteX karena layanan ini menyediakan baseline tool untuk melakukan cek baseline sebelum data diunduh. Jadi saya bisa mencari pasangan data SAR dengan resolusi temporal sesingkat mungkin, dengan perpendicular baseline sependek mungkin.



Tahapan proses interferometry untuk pembuatan DEM dalam ESA SNAP yang saya lakukan adalah seperti gambar di bawah ini.


Proses diawali dengan pemilihan area yang akan diproses. Dalam hal ini kita tidak bisa menggunakan tool subset karena akan menghilangkan informasi – informasi pendukung untuk interferometri. Yang kita gunakan adalah perintah S1 TOPS SPLIT, dimana disini kita bisa memilih Sub swath dan Burst yang meliput wilayah yang akan dikaji. Selain itu kita juga bisa memisahkan polarisasi, karena untuk interferogrametri hanya satu polarisasi yang dipakai (Untuk SENTINEL yang dipakai adalah VV).

Langkah berikutnya adalah APPLY ORBIT FILE, untuk memperoleh informasi geometry satelit yang digunakan dalam perhitungan interferogram. ESA SNAP hanya mendukung ORBIT untuk satelit yang mereka luncurkan seperti ERS, ENvISAT dan Sentinel, oleh karena itu untuk satelit lain seperti PALSAR, RADARSAT, JERS, langkah ini agak tricky di SNAP.

Proses berikutnya adalah BACK GEOCODING untuk meregistrasikan pasangan citra dalam kerangka orbit yang sama. Proses dilanjutkan dengan INTERFEROGRAM FORMATION untuk memperoleh interferogram dari pasangan citra. Selain interferogram, proses ini juga akan memberikan output citra koherensi untuk memperoleh informasi sebaran koherensi dalam liputan citra.
Next step adalah DEBURST. DEBURST dilakukan karena perekaman Sentinel 1 series menggunakan sistem subswath dan burst, sehingga menyebabkan adanya gap antar burst yang harus dikoreksi sebelum proses interferometri dilanjutkan.

Tahap berikutnya adalah PHASE FILTERING menggunakan GOLDSTEIN FILTERING. Tahap ini dilakukan untuk mengurangi fringe/artifak dan noise dari interferogram yang disebabkan oleh gangguan atmosfer maupun inkoherensi fase.

Hasil dari PHASE FILTERING kemudian dieksport ke format ENVI untuk diolah menggunakan software SNAPHU untuk melalukan PHASE UNWRAPPING. Hasil PHASE UNWRAPPING kemudian diimport kembali ke SNAP untuk diintegrasikan dengan data lain. Hasil UNWRAPPING kemudian dapat dikonversikan menjadi DEM melalui operasi PHASE TO HEIGHT atau PHASE TO ELEVATION.

Eksperimen saya lakukan dua kali. Yang pertama menggunakan pasangan data SENTINEL 1A IW SLC dengan selisih waktu 26 hari, dan yang kedua kombinasi pasangan data SENTINEL  1A IW SLC dan SENTINEL 1B IW SLC dengan selisih waktu perekaman 5 hari. Hasil eksperimen yang pertama sangat jelek karena koherensinya rendah. Sementara hasil eksperimen kedua sudah mulai menunjukkan hasil yang lumayan karena koherensi meningkat sebagai efek dari peningkatan resolusi temporal. Hanya hasilnya tetap saja jelek (tapi lumayan daripada eksperimen pertama). Koherensi yang jelek terutama pada area penutup lahan vegetasi lebat dan lahan pertanian yang cepat berubah karakteristik backscatternya sebagai akibat volume scattering. Backscatter yang konsisten ditemui terutama pada penutup lahan tanah terbuka dengan karakteristik specular scattering yang konsisten dan penutup lahan terbangun dengan karakteristik multiple bounce scattering.





Final Words : waiting Sentinel 1C dan 1D diluncurkan dan eksperimen akan dilanjutkan. TerraSAR X dan Tandem X mihil dan susah didapat. :D