Satelliet Radar Interferometrie (InSAR)

Van de drie gebruikte geodetische technieken voor bodemdalingskaart.nl is satelliet radar-interferometrie (InSAR) de meest recente. De techniek maakt gebruik van satellieten die continu om de aarde cirkelen, met aan boord een radarinstrument dat een paar duizend maal per seconde een puls naar beneden zendt. Die pulsen weerkaatsen op het aardoppervlak, en worden vervolgens weer opgevangen op de satelliet. Door slimme wiskundige bewerkingen op deze ontvangen pulsen uit te voeren kan een plaatje gemaakt worden van het aardoppervlak, met zo'n tienduizend metingen per vierkante kilometer, heel Nederland bedekkend. 

Wanneer na 6 dagen de satellieten weer overkomen, kan deze meting herhaald worden. Uit het verschil tussen de twee achtereenvolgende metingen kan berekend worden of, en hoeveel, de aarde bewogen heeft tussen de metingen. Doordat gebruik gemaakt wordt van 'interferometrie' kan dat met een relatieve precisie in de orde van millimeters.

Hier maken we gebruik van honderden achtereenvolgende metingen, elke 6 dagen opnieuw. Elk meetpunt op aarde wordt dus honderden malen achtereenvolgens gemeten. We noemen dit een 'tijdserie'. Uit de tijdserie kan bijvoorbeeld de gemiddelde bewegingssnelheid worden afgeleid, die vervolgens kan worden gevisualiseerd met een gekleurd punt op een kaart.

• Technische achtergrond en publicaties
• Eenvoudige uitleg

Productspecificaties

Bodemdalingskaart 2.0 is gemaakt met data van de Sentinel-1a en de Sentinel-1b satellieten, gecombineerd met netwerken van GNSS (GPS) ontvangers op de grond, en een selectie van meetpunnten voor absolute zwaartekracht.

Er zijn 1467 opnames van radarsatellieten gebruikt, tussen januari 2015 en juni 2020. Dat is gemiddeld elke 1.4 dag een nieuwe opname. In totaal worden 165 miljoen meetpunten waargenomen. Bodemdalingskaart 2.0 bevat dus 40 miljard geodetische metingen.

De kaart bestaat uit drie afzonderlijke tracks opgenomen vanuit de klimmende baan van de satellieten, en drie afzonderlijke tracks opgenomen vanuit de dalende baan van de satellieten.

Laag	Satelliet vliegrichting	Van	Tot	Aantal epochen	aantal punten	aantal waarnemingen
Midden-1	dalend	20-11-15	26-06-20	239	47468321	11344928719
Midden-2	klimmend	03-05-15	29-06-20	243	42637451	10360900593
West-1	dalend	05-05-15	25-06-20	251	25960391	6516058141
West-2	klimmend	02-04-15	28-06-20	249	25890815	6446812935
Oost-1	dalend	19-01-15	27-06-20	244	11719587	2859579228
Oost-2	klimmend	23-03-15	30-06-20	241	11898069	2867434629
		19-01-15	30-06-20	1467	165574634	40395714245

 

Uitleg over

---

Geodetische analyse

De digitale bestanden van Bodemdalingskaart.nl representeren de verticale deformatie van Nederland, in millimeters. In de kaart zelf worden deze deformaties uitgedrukt als een deformatiesnelheid per gridcel (voor BDK1) en reflectiepunt (BDK2), in millimeters per jaar. Deze deformatiesnelheden zijn 'absoluut', doordat ze zijn gekoppeld aan zwaartekrachtsmetingen. GNSS metingen zorgen voor een onafhankelijke verificatie. Systematische effecten zoals aardgetijden, ocean loading, loading door atmosferische druk, en hydrologische loading, zijn verwijderd uit de schattingen.

De absolute zwaartekrachtsmetingen vinden jaarlijks door de TU Delft plaats, op 7 locaties in Nederland. Vooral de tijdseries van Epen (Limburg) en Westerbork zijn eenduidig genoeg om de absolute verticale beweging van Nederland geodetisch te kunnen bepalen. Westerbork blijft daarbij nagenoeg constant, en Epen komt licht omhoog. 

GNSS metingen zijn alle metingen met systemen zoals GPS, Galileo en Glonass.  Dit zijn honderden vaste stations die continu positiemetingen doen, in drie dimensies (noord, oost en verticaal). Doordat de stations meestal een fundering hebben op diepere grondlagen laten deze meestal niet de beweging van de bovenste grondlagen zien. Daarom worden deze metingen gebruikt om een gladde ruimtelijk snelheidstrend uit de data te schatten. De data zijn afkomstig van permanente stations van onder andere 06-GPS en het Kadaster.  De data zijn verwerkt door de TU Delft. 

De InSAR metingen vinden het meest frequent plaats, minimaal 4 maal per week, en bestaan uit de reflecties van radarsignalen, uitgezonden door satellieten, op miljarden objecten in het land. Deze objecten zijn vaak huizen, straten, spoorwegen, en andere infrastructuur, maar ook van landelijk gebied. Elk object kan op zijn eigen manier bewegen, afhankelijk van verschillende oorzaken.

De oorzaken die een diepe oorzaak hebben (ver onder het funderingsniveau van de objecten, zoals gaswinning) zullen een effect hebben op alle meetpunten, terwijl processen in de ondiepe ondergrond op sommige objecten een grotere invloed zullen hebben dan op andere. De ondiepe lagen zijn dus erg dynamisch en ruimtelijk gevarieerd. Dit verschil wordt gebruikt in BDK1 om verschillen tussen diep en ondiep vast te stellen.

Dataverwerking 

De dataverwerking achter de bodemdalingskaart bestaat uit een aantal stappen. De zwaartekrachtsmetingen worden eerst gecorrigeerd voor aardgetijden, instrumentdrift en grondwaterstandsvariatie. Daarna zijn de data verwerkt middels free-air correcties, waarbij de zwaartekrachtsversnelling wordt omgerekend in de equivalente veranderingen in afstand tot het massamiddelpunt van de aarde. Tot slot wordt met een gewogen kleinste-kwadratenschatting de snelheid van de stations geschat. Deze is voor Westerbork en Epen significant, en wordt gebruikt om de absolute verticale beweging vast te pinnen.

De GNSS data worden gebruikt om een trendvlak door de snelheden te schatten. Hieruit blijkt een lichte kanteling van Nederland in noord-westelijke richting. Deze kanteling wordt gebruikt om de InSAR schattingen te schranken. Daarnaast worden de GNSS data gebruikt in de toetsing van de verticale snelheden zoals afgeleid uit de zwaartekrachtsgegevens, en in de toetsing van de verwerkte InSAR data.

De InSAR dataverwerking is het meest uitgebreid, en volgt een door de TU Delft en SkyGeo ontwikkelde methode. De data van de twee Sentinel-1 satellieten van ESA worden daarvoor gecorrigeerd met de meest optimale numerieke weermodellen van het KNMI, en worden voor BDK1 daarna verwerkt tot zeer precieze deformatieschattingen met de methodes van SkyGeo tot een gecombineerd product, vier maal per week. De tijdsstappen worden daarna teruggebracht naar schattingen 1 maal per week. De gemeten deformaties worden daarbij geprojecteerd op de verticale richting. Per gridcel van 2x2 km wordt daarna de statistiek van alle meetpunten bekeken, die verder wordt geanalyseerd. Hierbij wordt, per satelliettrack, een minimum van 10 meetpunten per gridcel aangehouden. Wanneer er minder punten beschikbaar zijn, dan is aan deze gridcel geen bodemdalingsschatting toegekend. 

Voor bodemdalingskaart 2.0 wordt er niet gemiddeld over meerdere meetpunten, maar worden alle meetpunten die voldoende kwaliteit hebben getoond. De zes verschillende satellietbanen zijn afzonderlijk te zien, en er hoeft daardoor niet in de tijd te worden geinterpoleerd. Elk van de zes satellietbanen heeft elke zes dagen een nieuwe waarneming. De geschatte deformaties worden geprojecteerd op de verticale richting, om ze onderling consistent en vergelijkbaar te maken. Indien er horizontale beweging optreed kan dat leiden tot verschillen.

Bodemdalingskaart 1: 'Totale', 'diepe', en 'ondiepe' bodemdaling

De kaarten van BDK1 laten drie parameters zien, die informatie geven over de oorzaak van de bodemdaling. Deze parameters volgen uit de statistische analyse van alle meetpunten binnen een gridcel. Hieruit wordt afgeleid of de deformatie mogelijk twee afzonderlijke oorzaken heeft, deze noemen we 'diep' en 'ondiep'. Diep en ondiep samen is 'totaal'. Bodemdaling (of stijging) door een diepe oorzaak, zoals gas- en oliewinning, zoutwinning, en de na-ijlende effecten van de Zuid-Limburgse steenkool mijnbouw, heeft invloed op alle meetpunten binnen een gridcel. Bodemdaling (of stijging) met een ondiepe oorzaak, zoals het inklinken van veenbodems of  gevolgen van grondwaterstand veranderingen, heeft geen invloed op meetpunten die onderheid zijn op diepe zandlagen, maar wel invloed op meetpunten die dat niet zijn. De mate waarin ondiepe bodemdaling een rol speelt wordt bepaald uit de asymmetrie van de kansdichtheidsfunctie van alle meetpunten. Bij een sterk asymmetrische kansdichtheidsfunctie is er aanleiding om de gemeten beweging te scheiden in een diep en een ondiep deel. Indien de kansdichtheidsfunctie redelijk symmetrisch is, dan is de gehele beweging toe te schrijven aan ofwel diepe, ofwel ondiepe beweging. 

Geodetische interpretatie

De interactieve kaart is (slechts) 1 van de mogelijke visualisaties van de bodembeweging van Nederland, waarbij de verticale bodembewegingssnelheid met een kleur wordt weergegeven. De werkelijke bodembeweging is complexer, en vertoont lokaal momenten van versnelling en vertraging; deze zijn niet weer te geven in een statische figuur. Deze tijdsvariabele gegevens zitten wel in de in datasets die kunnen worden gedownload. Per gridcel kunnen deze ook worden ingezien door op een bepaalde locatie te klikken.

Indien de kansdichtheidsfunctie sterk asymmetrisch is, met een negatieve scheefheid, dan kiezen we de 10-percentiel waarde om de totale deformatiesnelheid weer te geven. De gevonden waarde geeft dus aan dat 10 procent van alle meetpunten sneller zakt dan de aangegeven waarde.

Het is belangrijk om in te zien dat op deze wijze het begrip bodemdaling anders wordt gedefinieerd dan conventioneel in de geodesie gebruikelijk is. De conventionele definitie is dat de deformatie wordt geschat voor 'meetpunten'. Dat is prettig, omdat dat 'aanwijsbare' punten zijn, waardoor de precisie van een enkele schatting zeer goed te bepalen is. Het grote nadeel van deze definitie is echter dat de meetpunten niet representatief kunnen zijn voor de daadwerkelijke beweging van het maaiveld. De statistische definitie die wordt gebruikt bij de bodemdalingskaart heeft het voordeel dat (a) een veel beter ruimtelijk beeld wordt verkregen van de gebieden in Nederland waar ondiepe bodemdaling een grotere rol speelt, (b) hier een statistisch solide onderbouwing voor is, en (c) een duidelijke scheiding in oorzakelijke mechanismen (diep vs. ondiep) mogelijk wordt. Een nadeel van de statistische definitie is dat deze een keuze met zich meebrengt; er moet gekozen worden welke metingen als representatief worden gezien. Een keuze voor een lagere percentiel-waarde geeft sterkere zakkingssnelheden in de kaart, maar is gebaseerd op minder meetpunten en is daarmee minder goed onderbouwd. Een keuze voor een hogere percentielwaarde toont minder zakking in de kaart, maar het is minder duidelijk waar de extremen liggen.

In deze versie van de bodemdalingskaart is gekozen voor de 10-percentiel waarde. Dat betekent dat de kaart van de totale en de ondiepe deformatie moet worden gelezen als: tien procent van alle meetpunten binnen de gridcel zakt (of stijgt) sneller dan de aangegeven waarde.

Voor de diepe deformatiesnelheid wordt aangenomen dat alle meetpunten hieraan onderhevig zijn. Om die reden wordt de mediaan van de kansdichtheidsfunctie van de snelheden gebruikt. De mediaan is minder gevoelig voor de mogelijke asymmetrie van de kansdichtheidsfunctie (of van enkele uitbijters in de data), waardoor deze representatief is voor de totale beweging.

Tot slot wordt de ondiepe deformatiesnelheid gevonden door het verschil te nemen tussen de totale en de diepe deformatiesnelheid.

Adviesraad

---

Voor de geofysische, morfologische en geotechnische interpretatie en advies

• dr. Gilles Erkens (Deltares, U Utrecht)
• dr. Esther Stouthamer (U Utrecht)
• dr. Kim Cohen (U Utrecht)
• drs. Ger de Lange (Deltares)
• dr. Michiel van der Meulen (Geologische Dienst Nederland)
• ir. Jan van den Akker (Wageningen Universiteit)
• dr. Gert Jan van den Born (PBL)
• dr. Peter Fokker (TNO)
• dr. Dominique Ngan-Tillard (TU Delft)
• dr.ir. Sytze de Bruin (Wageningen Universiteit)