Sıradan bir insana uydu görüntülerini sorduğunuzda muhtemelen aklına ilk olarak Google Earth ya da benzeri bir şey gelecektir. Optik görüntüler, ortorektifikasyona (perspektif ve bozulma düzeltmesi) ihtiyaç duysalar da insan gözüne en anlamlı gelen, en kolay yorumlanabilen görüntülerdir. Öte yandan SAR görüntüleri gri tonlamalıdır (Şekil 1) ve kullanıma hazır hale gelmeden önce önemli ölçüde işlenmeleri gerekir.
Ancak işlemler sonrasında, bir bilgi hazinesi olan SAR verilerini, her türlü araziyi ve özelliği görüntülemek, değişiklikleri tespit etmek ve optik uyduların hiçbir şey göremediği koşullarda görüntü yakalamak için kullanabilirsiniz.
SAR nedir?
Yapay Açıklıklı Radar (SAR), hareketli bir platforma yerleştirilmiş aktif algılayıcıdan veri toplayan bir uzaktan algılama yöntemidir. Bu, hava platformlarını (dronlar veya uçaklar gibi) ve uydular gibi uzay araçlarını içerir.
SAR aktif bir algılama yöntemidir, yani algılayıcı kendi radyasyon kaynağını yayar ve bir görüntü oluşturmak için yansıyan bilgileri toplar. Optik algılayıcılardan farklı olarak SAR, elektromanyetik spektrumda 1 gigahertz ila 300 gigahertz frekansları arasında çalışan mikrodalga bölgeyi kullanır.
Genellikle radar söz konusu olduğunda, anten ne kadar büyükse, açıklığı (antenin radyasyon yayan ve/veya toplayan kısmı) da o kadar büyük olur. Mevcut teknoloji göz önüne alındığında, daha büyük daha iyidir. Ancak kimse üç kilometre uzunluğunda bir antene sahip bir uydu monte etmek istemez.
SAR, üstünden geçtiği hedef alanını anten olarak kullanarak bu sorunu aşar, böylelikle birden fazla kilometreye yayılabilen yapay bir anten oluşturur. “Yapay açıklık” adı da buradan gelmektedir.
İşte SAR’ın neden üstün olduğuna dair bir örnek: Airbus’ın TerraSAR-X uydusu 1 metrenin altında çok yüksek çözünürlüklü görüntüler elde etmek için 5 metre uzunluğunda bir anten kullanmaktadır. SAR tekniği olmasaydı TerraSAR-X’in 15 km uzunluğunda bir antene ihtiyacı olacaktı. Bunun için fon bulmaya çalıştığınızı hayal edin.
SAR görüntüleri neye benziyor?
SAR görüntüleri, işlenmemiş haliyle TV statik görüntüsüne benzer. Bunun nedeni SAR’ın ilgi alanındaki (AOI) her nesnenin radyasyon geri saçılımını toplamasıdır. Dolayısıyla, görüntüler gri tonlamalı olarak ortaya çıkar; yüksek yansıtma oranına sahip nesneler daha açık, düşük yansıtma oranına sahip nesneler ise daha koyu görünür. Örneğin su, kendisine yöneltilen mikrodalgaların çoğunu emer, bu nedenle SAR görüntülerinde genellikle siyah görünür.
İşlendikten sonra insan gözü bir SAR görüntüsünü daha iyi anlayabilir. Ancak daha yaygın olarak, bunu manuel olarak yapan bir kişi veya ekip yerine makine öğrenimi algoritmaları uygulanarak bilgi çıkarımı yapılabilir.
Farklı SAR türleri var mı?
SAR’ın bir dizi görüntüleme modu vardır. Görüntüleme modu SAR’ın bir AOI yakalamak için nasıl uygulandığı anlamına gelir. Şekil 2’de üç ana mod gösterilmekte olup, daha ayrıntılı açıklamalar aşağıda yer almaktadır.
Bazı SAR veri sağlayıcıları aşağıdaki modlar için farklı isimler veya bunların varyasyonlarını kullanabilmektedir. Mümkün olan yerlerde eşanlamlıları parantez içinde gösterilmiştir.
Tarama
Tarama modunda, anten AOI üzerinden geçerken tekrar tekrar ileri geri hareket eder. Anten ayrıca açısını ayarlayabilir ve spot veya şerit moduna göre daha geniş bir alanı görüntülemeye izin verir. Toplanan veriler daha sonra uzun bir görüntü halinde işlenir.
Bu tür görüntüleme modu, mümkün olan en büyük alanın algılanmasına izin verir, ancak diğer modlardan daha düşük bir çözünürlükte olur.
Strip (stripmap olarak da adlandırılır)
Şerit modunda, anten tek bir kesintisiz şerit için AOI üzerinden geçerken sabit bir konumda kalır.
Bu mod, spot modundan daha yüksek bir uzamsal çözünürlük sunar, ancak daha küçük bir alanı algılar.
Spot (spotlight olarak da adlandırılır)
Spot modunda, anten aynı zemin parçası üzerinde sabit kalır ve platformunun uçuş yolu boyunca mümkün olduğunca çok şey yakalamak için hareket ettikçe ayarlanır.
Bu mod mümkün olan en yüksek uzamsal çözünürlüğü, ancak en küçük görüntü boyutunu sunar. Bu nedenle, belirli bir noktanın ince ayrıntılı görüntüsüne ihtiyaç duyulduğunda kullanılır.
Alan veya kayan nokta olarak adlandırılan yaygın bir nokta varyasyonu, algılayıcı spot ışıklı alanın daha fazlasını yakalamak için başın üzerinden geçerken açıyı ayarlamayı içerir. Bu, biraz daha geniş bir alanla, ancak daha düşük bir çözünürlükle sonuçlanacaktır.
SAR nereden geldi?
SAR 1952 yılında Arizona’da matematikçi Carl A. Wiley tarafından icat edilmiştir. Wiley aynı zamanda bir bilimkurgu öyküsünde güneş yelkenleri fikrini de ortaya atmıştır. Bugünlerde güneş yelkenleri gerçek bir uzay aracı itme yöntemidir.
Wiley o sırada balistik füzeler için güdüm sistemleri üzerinde çalışıyordu. Hareketli bir radar ışını tarafından geçilen sabit nesnelerden gelen radar yansımalarının her birinin antene göre küçük ama önemli bir Doppler veya hız kaymasına sahip olduğunu fark etti. Wiley, geri dönen sinyallerin frekansını analiz ederek, küçük bir taşınabilir antenin, bir futbol sahası uzunluğunda sabit bir anten gerektirecek kadar ayrıntılı radar görüntüleri oluşturabileceğini buldu.
Wiley’nin ilk patenti birkaç yıl sonra geldi. Buna Eşzamanlı Birikim Doppler adını verdi. Bugün biz buna sadece SAR diyoruz, ki bu da karşılaştırıldığında dilimize daha kolay geliyor. SAR, sivil amaçlı harita üretimi için ilgi görmeye başladığı 1970’lere kadar, çoğunlukla askeri alanda kaldı. Ve tüm bu süre boyunca sürekli gelişti.
SAR ile ne yapabilirsiniz?
Ve şimdi asıl önemli konuya gelelim: SAR’ın başlıca kullanım alanları nelerdir?
SAR’ın en büyük avantajlarından biri, optik görüntülerin aksine bulut, sis ve dumanın içinden geçebilmesidir. Aşağıda ele aldığımız kullanım alanları, günümüzde en çok kullanılan ve en yaygın olanlardan bazılarıdır. Bu kapsamlı bir liste değildir, çünkü insanlar SAR için her zaman yeni kullanımlar düşünmektedir.
Çöküntü izleme ve hacimsel değişim tespiti
SAR İnterferometrisi (kısaca InSAR), yer yüzeyinin üç boyutlu haritalarını üretmek için aynı alanın aynı anda çekilmiş birden fazla SAR görüntüsünü kullanan bir tekniktir. SAR’ın hassasiyeti sayesinde, birkaç milimetrelik değişiklikleri bile tespit edebilir, bu da onu çöküşü izlemek için çok değerli kılar.
Çöküntü, madencilik veya petrol ve gaz çıkarma dahil olmak üzere çok çeşitli faktörlerden kaynaklanabilir. Bu durumlarda, çökme ölçümleri gerekli altyapı veya ekipman değişikliklerini planlamak ve işçi güvenliğini sağlamak için kullanılabilir.
InSAR, küresel ısınmanın etkisini ve etkilerini ölçmemize yardımcı olmak için buzullar gibi nesnelerin zaman içindeki hacimsel değişimini tespit etmek için de kullanılabilir.
Orman değişiminin izlenmesi
Daha az ağaç daha az geri saçılma anlamına geldiğinden, orman örtüsündeki değişiklikler SAR verileri aracılığıyla kolayca izlenebilir. Amazon Koruma Derneği de dahil olmak üzere pek çok önemli koruma grubu Amazon’daki ormansızlaşmayı takip etmek için uydu görüntülerini kullanmaktadır.
Başlangıçta gruplar ormansızlaşmayı izlemek için düşük çözünürlüklü optik görüntüler kullandılar, ancak bu yalnızca daha büyük açıklıkları tespit edebiliyordu, bu nedenle yasadışı ağaç kesiciler açıklık boyutlarını küçülttüler. Çözünürlükler yükseldikçe ve tekrar ziyaret oranları sıklaştıkça, yasadışı ağaç kesenler faaliyetlerinin gizli kalacağı umuduyla yağmur mevsimi boyunca faaliyetlerini artırmaya başladılar. SAR görüntülerine güvenmiyorlardı.
Koruma grupları artık SAR verilerini çözümlerine entegre ederek ormansızlaşmayı her zaman ve her türlü hava koşulunda yakalamayı hedefliyor.
Petrol sızıntısının tespiti ve izlenmesi
Petrol suya kıyasla farklı bir geri saçılım sinyaline sahip olduğundan, SAR geniş alanlardaki petrol sızıntılarını tespit etmek ve izlemek için kullanılabilir (Şekil 3). Daha kalın petrol katmanları ince katmanlardan daha az yansır, bu nedenle SAR sızıntıların kökenini tam olarak belirleyebilir ve dış kenarlarını izleyebilir.
Unutulmaması gereken önemli bir husus var: eğer bir sızıntı çok inceyse, örneğin küçük bir gemiden nispeten küçük bir sızıntı varsa, SAR bunu tespit edemeyebilir. Ancak bilim insanları ve araştırmacılar SAR verileri aracılığıyla petrol sızıntısının tespitine ilişkin belirsizliği azaltmaya yardımcı olacak algoritmalar geliştiriyorlar.
Deprem hasar tespitleri
Bir depremin etkilerini incelerken, genellikle kentsel alanlarda enkazlarla dolu büyük arazi parçalarına bakmaları gerekir. Hasar tespiti için uydu görüntüleri ve hava fotoğrafları önemli bir araçlardır.
Mexico City bölgesini 19 Eylül 2017’de etkileyen Puebla depremi, 40’tan fazla binanın tamamen çökmesi de dahil olmak üzere büyük miktarda hasara neden oldu. Meksika hükümetine yardımcı olmak amacıyla NASA, Copernicus Programı’nın Sentinel-1 uydusundan elde edilen verileri kullanarak bölgenin 8 Eylül’de çekilen görüntülerini depremin meydana gelmesinden sadece 6,5 saat sonra çekilen görüntülerle karşılaştırdı.
Oluşturdukları harita 175’e 170 km’lik bir alanı kapsıyordu. Radar tarafından tespit edilen bina hasarı ve zemin yüzeyi deformasyonu alanlarını göstererek yardım, tahliye ve yeniden inşa gerektiren alanları saptadı. Bu durumda SAR’ın depremin yükselttiği toz bulutlarına nüfuz etme kabiliyeti çok önemliydi.
Sel ve deniz seviyesinin yükselmesi
SAR verileri, kıyı altyapısının deniz seviyesinin yükselmesi nedeniyle tehlike altında olabileceği alanların belirlenmesine yardımcı olan sayısal yükseklik modelleri oluşturmak için kullanılabilir ve bu da setler veya deniz duvarları gibi koruma yöntemleri, altyapı seviyelerinin yükseltilmesi gibi barınma yöntemleri veya yer değiştirme yoluyla hazırlanmamıza olanak tanır.
2019 yılında Idai Siklonu Afrika’nın doğu kıyılarını vurdu. Kayıtlara geçen en kötü tropikal fırtınalardan biri olan bu kasırga, yıkıcı hasara ve çok sayıda insani krize neden oldu. Avrupa Uzay Ajansı, Sentinel-1’in SAR verilerini kullanarak Mozambik’teki selin etkisini haritalandırdı ve yardım çalışmalarına destek oldu. Fırtınanın hala devam eden etkilerine rağmen, Sentinel-1 yağmur bulutlarının arasından hasarı görselleştirdi.
Orman yangını takibi
SAR, tüm aşamalarda orman yangını takibine büyük ölçüde yardımcı olur. Öncelikle, SAR dumanı delip geçebildiği için devam etmekte olan orman yangınlarını ve çevrelerini takip etmeyi kolaylaştırır. SAR bunları değişen geri saçılım sinyalleri aracılığıyla tespit edebilir, çünkü yangınlar zeminin ısınmasına neden olur ve arkalarında yanmış bitki örtüsü ve toprak bırakır, bunların tümü geri saçılım sinyalleri aracılığıyla ölçülebilir. SAR ayrıca binlerce kilometre boyunca orman yangınlarından kaynaklanan hasarın boyutunu tespit etmek için de kullanılabilir.
Örnek SAR Veri Sağlayıcıları
Capella Space: ABD merkezli bu ortak, spot veya şerit modunda 50 cm’ye kadar çok yüksek çözünürlüklü SAR sunar ve günde 5 defaya kadar etkileyici bir yeniden ziyaret oranına sahiptir. Görevlendirme için veya bir dizi arşiv ürünü olarak mevcuttur.
Umbra: Kaliforniya’da kurulan Umbra, spot modunda 25 cm’ye kadar çok yüksek çözünürlüklü SAR sunar ve her 96 dakikada bir inanılmaz bir yeniden ziyaret oranı sağlar. Görevlendirme için kullanılabilir.
TerraSAR-X: Airbus’tan TerraSAR-X, görevlendirme için kullanılabilen nokta, şerit veya tarama modlarında 25 cm’ye kadar çok yüksek çözünürlüklü SAR sunar.
ICEYE: Finlandiya merkezli olan ICEYE, görevlendirme için kullanılabilen nokta, şerit veya tarama modlarında 1 m’ye kadar yüksek çözünürlüklü SAR sunar.
KOMPSAT-5: Koreli bir firma olan SIIS, spot, şerit veya tarama modunda 85 cm’ye kadar yüksek çözünürlüklü SAR sunar ve görevlendirme için kullanılabilir.
ATAY Mühendislik olarak ihtiyaç duyulan SAR verilerini yukarıdaki uydulardan kullanıcılara sağlayabiliyoruz.
Dr. Altan YILMAZ
