Műholdradar alapú magyarországi mozgásvizsgálati rendszer kialakítása és geodéziai, geodinamikai alkalmazása

Nyilvántartási szám: 
20/30
Témavezető neve: 
Témavezető e-mail címe:
volgyesi.lajos@epito.bme.hu
A témavezető teljes publikációs listája az MTMT-ben:
A téma rövid leírása, a kidolgozandó feladat részletezése: 
A következő évtizedben a radaros földmegfigyelés nagy kihívása lesz, hogyan hasznosítsák és aknázzák ki a korábbiakhoz képest példátlan mennyiségben szabadon rendelkezésre álló műholdradar adatokat, illetve tegyék hozzáférhetővé a mérésekből levezethető deformációs idősorokat. Az eredmények lehetséges felhasználói az akadémiai szféra, a nemzeti geodéziai és geológiai szolgálatok, az ipari szektor, infrastruktúra fenntartó intézmények (vasút, közút, kritikus vízügyi létesítmények stb.), valamint a katasztrófavédelmi és településtervező szervek.
A kihívásokra válaszolva különböző interferometrikus szintetikus apertúrájú radar (InSAR) feldolgozási módszeren (állandó szórópontú interferometria - PSI, rövid bázisvonalú képanalízis - SBAS, kötött fázisú szintetikus apertúrájú radar - SqueeSAR) alapuló mozgásvizsgálati programok (GMS) indultak Németországban, Olaszországban, Franciaországban, Spanyolországban és Norvégiában, hogy a köz- és piaci szereplőknek a legújabb InSAR eredmények széleskörű felhasználását támogassák. Az EU finanszírozásában Európai Mozgásvizsgálati Szolgálat (EGMS) kialakítása is folyamatban van, éves frissítési ciklussal tervezve, ami kontinentális skálájú felszíndeformációs információk elérését tenne elérhetővé.
 
A PhD téma célkitűzései közé tartozik egy olyan térbeli, InSAR-ból származtatott, felszíndeformációt jellemző sebességmező előállítása, melynek vízszintes és magassági összetevői is meghatározhatók. Mivel a Sentinel-1 pályája miatt a levezethető műhold-látásirányú (LoS) eredmények kevésbé érzékenyek a felszíndeformáció észak-dél irányú összetevőjére, ezért a fel- és leszálló irányú interferogramok kombinálása, valamint fejlett komplex képfeldolgozási technológiák (pl. pixeleltolódás azimutmeghatározása (AZPO), pixeltolódásos rövid bázisvonalú képanalízis (PO-SBAS)) vagy fejlett kombinációs technikák kutatása és alkalmazása szükséges. 
A PhD téma kidolgozásában két fő feladatcsoport különböztetendő meg:
    (1) Országos, teljes felbontású állandó szórópontú, rövid bázisvonalú képanalízis (PSI/SBAS) feldolgozás elvégzése a Magyarországot érintő Sentinel-1 radarfelvételek felhasználásával, beleértve az optimális feldolgozási folyamat tervezését, kidolgozását és megvalósítását, amely az alapját képezi a ráépülő geodéziai, geofizikai kutatási feladatoknak.
Ezen folyamatnak tartalmaznia kell 
    • a legújabb InSAR feldolgozási eljárások, valamint data science megoldások kutatását,
    • a GNSS mérési eredmények integrálását az MGGA és GNSSnet.hu hálózatok felhasználásával,
    • az abszolút deformációs mező meghatározásához az európai EPN Densification eredményeinek használatát ,
    • az országos InSAR analízis adatbázisa kell képezze az alapját egy alfa-verziójú hazai InSAR Mozgásvizsgálati Szolgálatnak, amelynek összhangban  kell lennie az európai szintű EGMS szolgálattal, kiegészítve a hazai igényekkel, amik pl. a hazai katasztrófavédelmet és infrastruktúra megfigyelést segítik és támogatják.
    (2) Az országos InSAR mozgásvizsgálati adatbázisra támaszkodva a jelölt alapkutatási és kutatás-fejlesztési feladata az eredmények geodéziai és geofizikai értelmezése, a Kárpát-Pannon térség jellemző neotektonikus folyamatainak figyelembevételével. 
    • a matematikai földtudományok segítségével azonosítsa és értelmezze a kimutatott, a jelenlegi tektonikus környezetre jellemző deformációs trendeket, amelyek kiegészítve a Magyar GPS Geokinematikai Mozgásvizsgálati Hálózat (MGGA) eddigi eredményeit, a térbeli és időbeli felbontásban szintet lépve MGGA 2.0-ként integrálnák a legújabb űrgeodéziai eljárásokat a geodinamikai mozgásvizsgálati kutatások terén,
    • A K+F eredményeket három esettanulmányon keresztül kell bemutatni, melyek tárgyalása során vizsgálni kell (pl. a fluidum kitermelés által okozott) esetleges antropogén felszíndeformációkat, a jelenkori tektonikai folyamatok által vezérelt felszíndeformációk hatásait, illetve a természeti veszélyforrások és geomorfológiai folyamatok épített környezetre gyakorolt hatásait.
 
****
Geodetic and geodynamic implementation and application of the Hungarian ground motion system based on satellite based synthetic aperture radar observations
 
One of the challenges of the Earth Observations in the next decade, to utilize and exploit the unprecedented amount of available Synthetic Aperure Radar (SAR) data, and make the derived deformation time series accessible. The potential ground segment users includes the academic community, National Geodetic and Geological Surveys, industry, infrastructure maintenance services (railway and road management, dam-monitoring), land and natural hazard management as well as urban and rural planning.
Reflecting to the challenges, several Ground Motion Services (GMS) based on different multi-temporal interferometric SAR (InSAR) techniques (PSI, SBAS, SqueeSAR) have been formed to foster the InSAR advances both public and commercial downstream users. Such GMS are present in Germany, Italy, France, Spain and Norway, as well as the implementation and production phase of the European Ground Motion Service (EU-GMS) is also imminent, which will provide annually updated continental scale deformation time series for the downstream users.
The objectives of the PhD proposal are to retrieve InSAR derived 3D geodetic velocity field. Due to the near-polar orbits of the Sentinel-1 mission, the LOS (Line-of-Sight) measurements have low sensitivity to N-S displacements , thus combining the ascending and descending interferograms is highly recommended as well as performing advanced complex pixel offset techniques (i. e. AZPO, PO-SBAS) or advanced combination techniques to resolve the N-S component. 
The objectives of the PhD proposal consist two main scope, thus the realization of the PhD shall follow the high-level realization plan:
        (1) Perform full-resolution nationwide PSI/SBAS processing of the available Sentinel-1 level-1 data (2014 – recent days) all over Hungary, including designing and implementing the optimal processing chain, that can serve as a basis of further geodetic and geophysical investigations of the recent deformations. Such processing chain shall include:
 
    • It shall contain the latest advances and related research of the InSAR technology and data science solutions, respecting the objectives of the PhD proposal. 
    • Integration of velocity fields obtained by GNSS techniques, utilizing the infrastructure and products of the MGGA and GNSSnet.hu networks.
    • To obtain absolute deformations, the candidate shall use the GNSS derived pan-European EPND Densification to georeference the relative 3D deformation field. 
    • The candidate shall use the results of the pan-European EPN Densification to define the reference frame of the relative InSAR deformations.
    • The database of the nationwide InSAR analysis shall be the base of the alpha version Hungarian Ground Motion Service, such shall be consistent with the EU-GMS product levels, but shall be tailored to national needs that aims and support the national natural hazard assessment and infrastructure monitoring, respectively.
 
        (2) Furthermore the the R&D tasks of the PhD candidate shall also include the geodetic and geophysical interpretation of the resulting deformation field,  with respect of the representative neotectonic processes such are present in the Cartpathian Basin, namely:
    • Identifying the background deformation trends with the tools of mathematical geosciences, that represents the recent geodynamic context of Hungary, such could complement the applicability of the Hungarian Geodynamic GPS Network, and may act as the Hungarian Geodynamic Geodetic Network 2.0 (MGGA 2.0) integrating the latest advances of space geodesy. 
    • R&D advances shall be introduced in at least three different natural laboratories: discussing a possible anthropogenic surface deformation case (i.e. fluidum extraction), a possible neotectonic driven phenomena such is induced by neotectonic structures as well as a case studythat investigates the effects of natural hazards and geomorphological processes on built environment (i. e. landslides, soil creep).
 
A téma meghatározó irodalma: 
1. M. Crosetto, L. Solari, M. Mróz, J. Balasis-Levinsen, N. Casagli, M. Frei, A. Oyen, D. A. Moldestad, L. Bateson, L. Guerrieri,V. Comerci,  H. S. Andersen (2020): The Evolution of Wide-Area DInSAR: From Regional and National Services to the European Ground Motion Service. Remote Sensing, 12, 2043. , doi:10.3390/rs12122043
2. C. A. Bischoff, A. Ferretti, F. Novali, A. Uttini, C. Giannico, F. Meloni (2020) Nationwide deformation monitoring with SqueeSAR® using Sentinel-1 data. In Proceedings of the Tenth International Symposium on Land Subsidence, Delft-Gouda, The Netherlands, 20–24 April 2020; p. 31382
3. J. F. Dehls, Y. Larsen, P. Marinkovic, T. R.  Lauknes, D. Stødle, D. A. Moldestad (2019) INSAR.No: A National Insar Deformation Mapping/Monitoring Service In Norway–From Concept To Operations. In IGARSS 2019–2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 28 July–2 August 2019, Yokohama, Japan; IEEE: Piscataway, NJ, USA, 2019; pp. 5461–5464
4. M. Manunta, C. De Luca, I. Zinno, F. Casu, M. Manzo, M. Bonano, A. Fusco, A. Pepe, G. Onorato, P. Berardino et al. (2019) The Parallel SBAS Approach for Sentinel-1 Interferometric Wide Swath Deformation Time-Series Generation: Algorithm Description and Products Quality Assessment. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 2019, 57, 6259–6281.
5. A. Kenyeres, J. G. Bellet, C. Bruyninx et al. (2019).  Regional integration of long-term national dense GNSS network solutions. GPS Solut 23, 122 https://doi.org/10.1007/s10291-019-0902-7
6. E. Szűcs, I. Bozsó, I. J.  Kovács et al. (2018) Probing tectonic processes with space geodesy in the south Carpathians: insights from archive SAR data. Acta Geod Geophys 53, 331–345, https://doi.org/10.1007/s40328-018-0228-x
7. A. Pepe and F. Caló (2017) A Review of Interferometric Synthetic Aperture RADAR (InSAR) Multi-Track Approaches for the Retrieval of Earth«s Surface Displacements. Applied Sciences, 7, 1264, doi:10.3390/app7121264
8. M. Costantini, A. Ferretti, F. Minati, S. Falco, F. Trillo, D. Colombo, F. Novali, F. Malvarosa, C. Mammone, F. Vecchioli et al. (2017) Analysis of surface deformations over the whole Italian territory by interferometric processing of ERS, Envisat and COSMO-SkyMed radar data. Remote Sens. Environ. 2017, 202, 250–275., doi:https://doi.org/10.1016/j.rse.2017.07.017
9. N. Yague-Martinez, P. Prats-Iraola, F. Rodriguez Gonzalez, R. Brcic, R. Shau, D. Geudtner, M. Eineder, R. Bamler (2016) Interferometric Processing of Sentinel-1 TOPS Data. IEEE TGRS, 54 (4), pp. 2220-2234, doi:10.1109/TGRS.2015.2497902
10. M. C. Garthwaite, M. Hazelwood, S. Nancarrow, A. Hislop & J. H. Dawson (2015) A regional geodetic network to monitor ground surface response to resource extraction in the northern Surat Basin, Queensland, Australian Journal of Earth Sciences, 62:4, 469-477, DOI:10.1080/08120099.2015.1040073
A téma hazai és nemzetközi folyóiratai: 
1. Remote Sensing of Environment (ISSN: 0034-4257) – RG IF: 5.34
2. Remote Sensing (ISSN: 2072-4292) - Current Impact Factor: 4.509
3. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (ISSN: 0196-2892) -        Current Impact Factor: 3.48
4. Australian Journal of Earth Sciences (ISSN: 1440-0952) – RG IF: 1.33
5. Mathematical Geosciences (ISSN: 1874-8961) – Current Impact Factor: 2.35
6. Acta Geodetica et Geophysica* (ISSN: 1587-1037) – RG IF: 1.00
7. Survey Review (ISSN: 1752-2706) – RG IF: 0.99
A témavezető utóbbi tíz évben megjelent 5 legfontosabb publikációja: 
1. B. Paláncz, L. Völgyesi (2020) A Numeric-Symbolic Solution of GNSS Phase Ambiguity, Periodica Polytechnica Civil Engineering, 64(1), pp. 223-230, doi:https://doi.org/10.3311/PPci.15092
2.  J. Awange, B. Paláncz, L. Völgyesi (2020) Hybrid Imaging and Visualization, Cham, Switzerland: Springer, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-030-26153-5, Print ISBN: 978-3-030-26152-8
3. J. L. Awange, B. Paláncz, R. H. Lewis, L. Völgyesi (2018) Mathematical Geosciences. Cham, Switzerland: Springer, https://doi.org/10.1007/978-3-319-67371-4, Print ISBN: 978-3-319-67370-7 
4. B. Paláncz, J. Awange, L. Völgyesi (2017) A novel RANSAC approach to robustly solve the 3D similarity transformation problem, AUSTRALIAN JOURNAL OF EARTH SCIENCES 64(4), pp. 565-576., doi: https://doi.org/10.1080/08120099.2017.1316313
5. Völgyesi L (2015): Renaissance of the torsion balance measurements in Hungary. Periodica Polytechnica Civil Engineering, 59(4), pp. 459-464, DOI: 10.3311/Ppci.7990.
A témavezető fenti folyóiratokban megjelent 5 közleménye: 
1. L. Völgyesi, Gy. Tóth (2020) Calibration of CCD sensors mounted on geodetic measuring systems. Survey Review, 52(1), pp. 1-10, https://doi.org/10.1080/00396265.2019.1703506
2. B. Paláncz, J. Awange, L. Völgyesi (2017) A novel RANSAC approach to robustly solve the 3D similarity transformation problem, AUSTRALIAN JOURNAL OF EARTH SCIENCES 64(4), pp. 565-576., doi: https://doi.org/10.1080/08120099.2017.1316313
3. L. Völgyesi, M. Dobróka, Z. Ultmann (2012) Determination of vertical gradients of gravity by series expansion based inversion, ACTA GEODAETICA ET GEOPHYSICA HUNGARICA 47(2), pp. 233-244., doi: https://doi.org/10.1556/AGeod.47.2012.2.11
4. Dobróka M, Völgyesi L (2008): Inversion reconstruction of gravity potential based on gravity gradients. Mathematical Geosciences, 40(3), pp. 299-311. doi:10.1007/s11004-007-9139-z.
5. L. Völgyesi (2005) Deflections of the vertical and geoid heights from gravity gradients, ACTA GEODAETICA ET GEOPHYSICA HUNGARICA 40(2), 147-159, doi: https://doi.org/10.1556/AGeod.40.2005.2.3

A témavezető eddigi doktoranduszai

Orosz Gábor (2012//)
Ultmann Zita Júlia (2009/2012/2013)
Zaletnyik Piroska (2003/2006/2008)
Státusz: 
elfogadott