เทคโนโลยีวิศวกรรมสำรวจ กรณีศึกษาเหตุการณ์แผ่นดินไหว ณ ประเทศอินโดนีเซีย โดยใช้เทคนิค InSAR

จุดเริ่มต้น

(ที่มา : รศ.ดร.สุทธิศักดิ์ ศรลัมพ์)

เมื่อวันที่ 28 กันยายน พ.ศ.2561 เกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวความรุนแรงขนาด 7.5 ที่เมืองปาลู บนเกาะสุลาเวสี ประเทศอินโดนีเซีย ศูนย์กลางแผ่นดินไหวห่างออกไปทางเหนือของเมืองปาลู 78 กิโลเมตร     (รูปที่ 1) และมีความลึกจากพื้นดิน 20 กิโลเมตร

รูปที่ 1 ศูนย์กลางแผ่นดินไหวขนาด 7.5 ที่เมืองปาลู (ที่มา: USGS)

นอกจากเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่รุนแรงแล้วยังเกิดคลื่นยักษ์สึนามิสูงถึง 6 เมตรถาโถมเข้าซัดชายฝั่งทั่วทั้งเมืองปาลู เป็นเรื่องน่าเศร้าที่มีงานเทศกาลในวันที่เกิดเหตุพอดีทำให้มีประชาชนเตรียมตัวมารอร่วมงานที่บริเวณชายหาดดังกล่าวส่งผลให้มีผู้บาดเจ็บและเสียชีวิตเป็นจำนวนมาก อีกทั้งยังทำให้อาคารบ้านเรือนและสิ่งปลูกสร้างในบริเวณที่เกิดภัยพิบัติได้รับความเสียหายอย่างหนัก

จากเหตุการณ์ดังกล่าว คณาจารย์และบุคลากร ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเกษตรศาสตร์ ได้ให้ความสำคัญจากผลกระทบที่เกิดขึ้นเป็นอย่างมาก จึงได้เดินทางไปสำรวจความเสียหาย ณ เมืองปาลู ประเทศ อินโดนีเซีย ทำให้เห็นว่าแผ่นดินไหวที่เกิดขึ้นจากแรงดันของของเหลวภายใต้เปลือกโลกส่งผลให้รอยต่อเกิดแรงเค้น (Stress) และเมื่อเปลือกโลกสะสมแรงเค้นไปเรื่อย ๆ จนถึงจุดแตกหัก เปลือกโลกจะเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างกันพร้อมทั้งปลดปล่อยพลังงานออกมา ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของเปลือกโลกและเกิดแรงสั่นสะเทือนเป็นคลื่นแผ่นดินไหว และสามารถก่อให้เกิดคลื่นยักษ์สึนามิ ดินถล่ม การยุบตัวหรือยกตัวของแผ่นดิน (รูปที่ 2) 

รูปที่ 2 แผ่นดินได้รับผลกระทบจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว 
(ที่มา ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์)

อีกทั้งยังเกิดปรากฏการณ์แผ่นดินเหลว (soil liquefaction) ซึ่งเปลี่ยนแผ่นดินให้กลายเป็นโคลนเหลว เกิดจากดินทรายที่มีน้ำใต้ดินแทรกอยู่เมื่อมีแรงสั่นสะเทือนจากแผ่นดินไหวทำให้น้ำทะลักขึ้นมาบนผิวตามรอยแตก ทุกปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นล้วนส่งผลกระทบโดยตรงต่อโครงสร้างอาคารบ้านเรือนจนโครงสร้างเกิดการวิบัติ (รูปที่ 3 ) ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ประชาชนเสียชีวิตเนื่องจากติดอยู่ใต้ซากปรักหักพัง

รูปที่ 3 โครงสร้างของสิ่งปลูกสร้างได้รับผลกระทบจากเหตุการณ์แผ่นดินไหว 
(ที่มา ภาควิชาวิศวกรรมโยธา คณะวิศวกรรมศาสตร์)

สืบค้นจนพบ...แรงบันดาลใจ

เมื่อพวกเราทราบข่าวว่าประเทศอินโดนีเซียเกิดแผ่นดินไหวความรุนแรงขนาด 7.5 ที่เมืองปาลู ซึ่งสร้างความเสียหายอย่างมหาศาล นอกจากผลกระทบต่อตัวโครงสร้างอาคารแล้ว พวกเรายังเห็นการเปลี่ยนแปลงของแผ่นดินที่เกิดขึ้นอย่างเห็นได้ชัด ทำให้พวกเราเกิดความสนใจว่า หลังจากที่แผ่นดินไหวสงบลงแผ่นดินมีการเคลื่อนตัวจากตำแหน่งเดิมไปเท่าไหร่และทิศทางทางใด พวกเราจึงได้ทำการสืบค้นเพื่อหาวิธีที่สามารถตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวได้ นั่นคือ เทคโนโลยีอินซาร์ (InSAR, Interferometric Synthetic Aperture Radar) ที่สามารถตรวจสอบการเคลื่อนตัวของแผ่นดินได้อย่างรวดเร็ว เนื่องจากเป็นการใช้ภาพถ่ายจากดาวเทียมระบบเครื่องรับรู้ (Sensor) แบบเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์มาวิเคราะห์

ตัวอย่างการวิเคราะห์การเคลื่อนตัวของแผ่นดินด้วยเทคนิค InSAR จากเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่เมืองปาลู โดยใช้ข้อมูลจากภาพถ่ายดาวเทียม ALOS-2 ซึ่งใช้ภาพถ่ายจำนวน 2 ภาพในการประมวลผล ได้แก่ภาพของวันที่ 21 สิงหาคม พ.ศ. 2561 และวันที่ 2 ตุลาคม พ.ศ. 2561 ซึ่งเป็นภาพก่อนและหลังเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหว จากการประมวลจะได้แผนที่แสดงการเคลื่อนตัวดังรูปที่  4

รูปที่ 4 แผนที่แสดงการเคลื่อนตัวจากเทคนิค InSAR จากเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่เมืองปาลู โดยใช้ภาพถ่ายดาวเทียม ALOS-2 PALSAR (ที่มา: JAXA) 

จากรูปที่ เราจะเห็นเป็นแถบสี (Fringe) แสดงถึงการเคลื่อนตัวของแผ่นดิน เมื่อเรานำผลลัพธ์ที่ได้นำมาวิเคราะห์ในขั้นตอนต่อไปจะได้แผนที่แสดงการเคลื่อนตัวของแผ่นดินและทิศทางทั้งหมด ดังรูปที่ 5

รูปที่ 5 แผนที่แสดงขนาดและทิศทางการเคลื่อนตัวโดยสีแดงแสดงการเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันตกเฉียงลงมาทางใต้ (ที่มา: NASA Caltech-JPL)

จากการศึกษาจนพบวิธีการตรวจสอบการเคลื่อนตัวของแผ่นดินด้วยเทคนิค InSAR และตัวอย่างการวิเคราะห์โดยใช้ข้อมูลจากดาวเทียม ALOS-2 ทำให้พวกเรารู้สึกสนใจเทคนิค InSAR มากยิ่งขึ้นจนเกิดเป็นแรงบันดาลใจว่า “เราน่าจะสามารถวิเคราะห์การเคลื่อนตัวของแผ่นดินด้วยเทคนิค InSAR ได้โดยใช้ดาวเทียมดวงอื่น” ดังนั้นพวกเราจึงได้ทำการค้นคว้าหาข้อมูลอีกครั้งจนได้พบกับข้อมูลดาวเทียม SENTINEL-1 ซึ่งเป็นดาวเทียมระบบเรดาร์ช่องเปิดสังเคราะห์ทำให้เราสามารถใช้เทคนิค InSAR ในการวิเคราะห์ได้และที่สำคัญสามารถดาวน์โหลดข้อมูลภาพถ่ายได้ฟรีไม่มีค่าใช้จ่าย

เลือกข้อมูลอย่างไร?...ให้ได้ไปต่อ

อันดับแรกที่พวกเราต้องทำไม่ใช่การประมวลผลหรือการวิเคราะห์ผล แต่พวกเราจะต้องเตรียมข้อมูลภาพถ่ายจากดาวเทียม SENTINEL-1 ให้เรียบร้อยเสียก่อน เพราะว่าการเลือกข้อมูลที่จะนำมาวิเคราะห์นั้นมีความสำคัญไม่แพ้ขั้นตอนการประมวลผลเลย ดังสุภาษิตที่ว่า “เริ่มต้นดี...มีชัยไปกว่าครึ่ง”

ภาพถ่ายจากดาวเทียมที่เราจะนำมาวิเคราะห์นั้นจะต้องครอบคลุมพื้นที่ที่เราสนใจก็คือ เมืองปาลู ประเทศอินโดนีเซีย และต้องเป็นภาพถ่ายชนิด SLC (Single Look Complex) เท่านั้น จึงจะสามารถประมวลผลได้เนื่องจากเป็นข้อมูลที่มีค่า Phase และ Amplitude ที่ใช้ในการวิเคราะห์การเคลื่อนตัวของแผ่นดิน อีกทั้งภาพถ่ายทั้งสองภาพจะต้องเป็นภาพถ่าย ณ ตำแหน่งเดียวกันแต่คนละช่วงเวลา ซึ่งจากการค้นหาพวกเราได้พบภาพถ่ายที่ตรงตามเงื่อนไขดังกล่าว ดังนั้นพวกเราจึงใช้ภาพจากดาวเทียม SENTINEL-1 ชนิด SLC path 134 frame 594 (รูปที่ 6 )โดยใช้ภาพของวันที่ 7 มิถุนายน พ.ศ. 2561 และวันที่ 4 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 ซึ่งเป็นภาพก่อนเกิดและหลังเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหวที่เมืองปาลู ประเทศอินโดนีเซีย

รูปที่ 6  ภาพถ่ายจากดาวเทียม SENTINEL-1 ชนิด SLC path 134 frame 594 รูปที่ 6-a แผนที่แสดงตำแหน่งภาพถ่ายดาวเทียมที่ครอบคลุมพื้นที่เมืองปาลู รูปที่ 6-b ตัวอย่างภาพถ่ายดาวเทียมที่ใช้ในการวิเคราะห์ 

ทำอย่างไร?...ให้ได้ผล

ในการวิเคราะห์ภาพถ่ายจากดาวเทียม SENTINEL-1 ชนิด SLC path 134 frame 594 โดยใช้ภาพของวันที่ 7 มิถุนายน พ.ศ. 2561 และวันที่ 4 พฤศจิกายน พ.ศ. 2561 โดยใช้เทคนิค InSAR จากนั้นพวกเราได้นำทั้งสองภาพเข้าสู่โปรแกรม SNAP (Sentinel Application Platfrom) ซึ่งเป็นโปรแกรมที่พวกเราใช้ในการประมวลผล โดยมีขั้นตอนกระบวนการดังรูปที่ 7

รูปที่ 7 ขั้นตอนการประมวลผลด้วยโปรแกรม SNAP

เรียนรู้จาก...ความล้มเหลว

จากการประมวลผลภาพถ่ายจากดาวเทียมโดยใช้เทคนิค InSAR ด้วยโปรแกรม SNAP แต่ผลลัพธ์ที่ได้นั้นไม่สามารถนำมาวิเคราะห์ผลต่อได้เนื่องจากไม่พบการเปลี่ยนแปลงใด ๆ ในตัวภาพที่กำหนดให้แสดงออกมาในรูปแบบของแถบสี (Fringe) ดังนั้นพวกเราเลยได้ทำการศึกษาเพิ่มเติมว่าเพราะเหตุใดการประมวลผลครั้งนี้ถึงล้มเหลว จากการศึกษาจึงได้ข้อสรุปว่า เทคนิค InSAR มีข้อจำกัดในเรื่องของช่วงห่างของการถ่ายภาพซ้ำที่บริเวณตำแหน่งเดิม (temporal decorrelation) หมายถึง ถ้าช่วงเวลาในการกลับมาถ่ายภาพที่เดิมนั้นยิ่งมีระยะเวลาห่างกันมากเท่าไหร่ ยิ่งทำให้ค่าสหสัมพันธ์ (coherence) ลดลงมากเท่านั้น ซึ่งภาพดาวเทียมทั้งสองภาพที่เรานำมาประมวลผลมีระยะเวลาห่างกันถึง 150 วัน จึงมีความเป็นไปได้ว่าค่าสหสัมพันธ์จะต่ำลงจนไม่สามารถประมวลผลได้ 

เปลี่ยนแผน !!!

ถึงแม้ว่าพวกเราจะไม่ประสบความสำเร็จในการวิเคราะห์การเคลื่อนตัวของแผ่นดินที่เมืองปาลู แต่ความพยายามของพวกเรานั้นไม่ได้สิ้นสุดตามไปด้วย พวกเราจึงเปลี่ยนมาลองประมวลผลการเคลื่อนตัวของแผ่นดินที่เกาะลอมบอก ประเทศอินโดนีเซีย เนื่องจากวันที่ 5 สิงหาคม พ.ศ.2561 เกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.9 ศูนย์กลางแผ่นดินไหวอยู่ที่บริเวณนอกชายฝั่งตอนเหนือของเกาะลอมบอก (รูปที่ 8 ) และอยู่ลึกลงไปใต้ดิน 34 กิโลเมตร 

รูปที่ 8 ศูนย์กลางแผ่นดินไหวขนาด 6.9 ที่เมืองลอมบอก (ที่มา: USGS)

หลังจากเกิดแผ่นดินไหวขนาด 6.9 แล้วยังเกิดอาฟเตอร์ช็อกตามมาอีก 340 ครั้ง ทำให้มีผู้เสียชีวิตและบาดเจ็บจำนวนมาก สิ่งก่อสร้างต่าง ๆ ได้รับความเสียหายอย่างหนัก ซึ่งแผ่นดินไหวครั้งนี้นับว่าเหตุการณ์แผ่นไหวที่รุนแรงที่สุดในรอบ 100 ปีของเกาะแห่งนี้

พวกเราจึงเลือกข้อมูลในการประมวลผลเพื่อหาการเคลื่อนตัวของแผ่นดินที่ได้รับผลกระทบจากแผ่นดินไหวที่เกาะลอมบอกคือ ภาพถ่ายจากดาวเทียม Sentinel-1 ชนิด SLC path 32 frame 619 โดยใช้ภาพของวันที่ 30 กรกฏาคม พ.ศ.2561 และวันที่ 5 สิงหาคม พ.ศ.2561 ซึ่งเป็นภาพก่อนเกิดและหลังเกิดเหตุการณ์แผ่นดินไหว

ผลลัพธ์ที่รอคอย

หลังจากที่พวกเราทุ่มเทความสามารถและความพยายามในการประมวลผลการเคลื่อนตัวของแผ่นดินที่เกาะลอมบอก...ในที่สุดผลลัพธ์ที่รอคอยก็มาถึง พวกเราได้ผลลัพธ์จากการประมวลผลดังรูปที่ 9

รูปที่ 9  แสดงการเคลื่อนตัวจากเทคนิค InSAR จากเหตุการแผ่นดินไหว Lombok Earthquake โดยใช้ข้อมูลจากภาพถ่ายดาวเทียม Sentinel-1

จากรูปที่ 9 จะเห็นฟริงก์ (fringe cycle) หรือแถบสี ที่แสดงถึงการเคลื่อนตัวของแผ่นดิน จำนวน 19 cycle โดย 1 fringe cycle เท่ากับครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่น (ความยาวคลื่นของเครื่องรับรู้บนดาวเทียม sentinel-1 = 5.6 ซม.) ดังนั้นจึงได้ขนาดความยาวของรอยแยก (rupture length) อยู่ที่ประมาณ 53 ซม. และจากรูปที่ 10  พบว่า แผ่นดินมีเปลี่ยนแปลงตามแนวทิศทางของดาวเทียม (LOS, Line of Sight) คือ บริเวณที่เป็นสีขาวทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือ หมายถึงแผ่นดินยกตัวสูงขึ้น (uplift) ซึ่งอยู่ตรงบริเวณศูนย์กลางการเกิดแผ่นดินไหว มีขนาดประมาณ 30 ซม.

รูปที่ 10  ผลลัพธ์จากการประมวลผลข้อมูลจากดาวเทียม Sentinel-1 ด้วยวิธี Phase to Displacement

แผ่นดินไหวกับงานวิศวกรรมสำรวจ

หลังจากที่พวกเราได้ทำการทดลองประมวลผลข้อมูลจากภาพถ่ายดาวเทียมทำให้พวกเราได้เรียนรู้เทคนิค  InSAR เทคนิคนี้เป็นศาสตร์ความรู้ด้าน Remote Sensing และ GIS โดยทั้งสองศาสตร์นี้เป็นส่วนหนึ่งของงานวิศวกรรมสำรวจ ซึ่งงานวิศวกรรมสำรวจนั้นไม่ได้มีเพียงงานการหาตำแหน่งพิกัด การทำวงรอบ หรือการทำระดับเท่านั้น แต่ยังสามารถประยุกต์ใช้องค์ความรู้ได้อย่างหลากหลาย ตัวอย่างที่เห็นได้ชัดคือ เราสามารถวิเคราะห์ผลการเคลื่อนตัวของแผ่นดินเพื่อติดตามเหตุการณ์แผ่นดินไหวหรือภัยพิบัติต่าง ๆ ได้  ทำให้พวกเรารู้สึกภูมิใจที่ได้นำความรู้มาใช้ให้เกิดประโยชน์เพราะว่าผลลัพธ์ที่เราประมวลผลนั้นสามารถนำมาใช้เป็นข้อมูลตั้งต้นในการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงลึกตามหลักการของศาสตร์ด้าน ๆ ต่อไปได้