Радарная съемка

Рассматривая современные  тенденции в радиолокационном дистанционном  зондировании земной поверхности, нельзя не отметить активное развитие именно спутникового сегмента, а не только технологий обработки данных. Круг задач, решаемых с помощью радиолокационных данных, постоянно расширяется, что  требует использования данных с  новыми параметрами. В табл. 2.1 представлена обобщенная информация о современных  и перспективных радиолокационных системах. Некоторые из них рассмотрим более подробно, так как они  являются уникальными и в будущем  позволят получать данные для решения  принципиально нового класса задач.

Таблица 2.1 - Перспективные  и действующие радиолокационные системы

Наименование системыСтранаДата запуска, годДиапазонПериодичность днейCosmo-Sky Med-3Италия2008Х16TanDEM-XГермания2009Х11RISAT-1Индия2009С12Кондор-ЭРоссия2009S-HJ-1CКитай2010S31SAOCOM-1A/1BАргентина2010L16Kompsat-5Южная Корея2010Х-RADARSAT-1Канада2011С-SEОSARИспания2011н/дн/дSentinel-1Европа2013С12BIOMASSЕвропа2013Р30

Продукция спутника TerraSAR-X-1 имеет четыре основных уровня обработки. Single-look, slant, range, complex (SSC) набор данных одиночной наклонной съемки. Предназначен для приложений, в которых востребована информация о фазе и ширине полосы частот, имеет следующие характеристики:

равноудаленный пиксельный интервал в азимутальном и наклонном  диапазонах съемки;

данные представлены как  совокупность чисел;

каждый пиксель изображения  считается перпендикулярным маршруту полета спутника;

данные не геопривязаны;

представлена полная информация о фазе и ширине полосы частот /3/.

Некоторые радиолокационные системы, так как они являются уникальными и в будущем позволят получать данные для решения принципиально  нового класса задач. Система TanDEM_X служит дополнением к системе TerraSAR-X и предназначена для измерения высот на земной поверхности. В настоящее время она является одной из наиболее ожидаемых космических радиолокационных систем, так как в результате совместного использования TerraSAR-X и TanDEM_X будет получена глобальная высокоточная цифровая модель местности (ЦММ), не имеющая аналогов, а также появится возможность получать данные для построения ЦММ на конкретные регионы независимо от метеоусловий. Комплекс TerraSAR-X - TanDEM_X - это первый бистатический космический интерферометр, в котором земная поверхность облучается радиолокатором с одного спутника, а регистрируется радиолокаторами двух спутников (рис 2.1).

 

Рис. 2.1 - Тандемная пара радарных аппаратов

 

Он создается для достижения ряда целей. Основной целью является создание глобальной цифровой модели местности (90% поверхности Земли) стандарта HRTI_3 и региональных ЦММ более высокой точности стандарта HRTI_4. Среди дополнительных можно отметить следующие цели: поляриметрическую интерферометрию, достижение супер разрешения, отработку различных бистатических режимов, интерферометрию при использовании мультипространственной базовой линии (Multi, Baseline, InSAR), интерферометрию вдоль орбиты (Along, Track, Interferometry), получение данных при использовании четырех фазовых центров (за счет разделения антенны на две, на каждом спутнике). Комплекс TerraSAR-X - TanDEM_X за три года должен обеспечить многократную съемку земной поверхности, по результатам которой будет создана глобальная цифровая модель местности с относительной точностью по высоте 2 м для равнинных территорий и 4 м для горных районов. Точность ЦММ будет являться беспрецедентной для глобального покрытия /2/.

В настоящее время ближайшим  аналогом ЦММ, можно назвать построенную по интерферометрическим радиолокационным данным (C) диапазона системы SRTM (2000 г.) Как известно, в системе SRTM съемка проводилась и в X диапазоне, но ввиду небольшой полосы захвата полученное покрытие содержало значительные пропуски (хотя уровень точности выше, чем для данных (С) диапазона). SRTM имеет ограничения по широте 600, поэтому Антарктика, а также большинство северных территорий (что актуально для России), не обеспечены достаточно точной высотной информацией.

Космические аппараты серии SENTINEL являются новым проектом Европейского космического агентства и, в первую очередь, предназначены для получения  регулярных данных через каждые 12 дней (один Комплексный Аппарат). В 2011 г. запланирован запуск Комплексных Аппаратов Sentinel_1, а затем - Комплексный Аппарат Sentinel_2. С помощью двух Комплексных Аппаратов  появится возможность получать снимки земной поверхности с периодичностью в 6 дней. Такая периодичность съемки позволит выйти на новый уровень  в интерферометрической обработке  данных. Одной из тенденций развития съемочных систем является получение  данных в широкой полосе, но при  этом с достаточно высоким разрешением. В режиме, предназначенном именно для интерферометрии, съемка будет  проводиться в полосе 250 км с пространственным разрешением 5х20 м. Таким образом, одна сцена будет иметь площадь  более 60 тыс. км2 и в совокупности с высокой периодичностью съемки это позволит достичь качественных результатов по выявлению малейших подвижек и просадок земной поверхности на значительных территориях.

Система BIOMASS также разрабатывается  Европейским космическим агентством и предназначена для картографирования  и мониторинга лесной растительности в глобальном масштабе. Съемка земной поверхности проводиться в (P) диапазоне  длин волн (около 70 см) при полной поляризации  излучения. Уникальность системы BIOMASS состоит в том, что она впервые  будет проводить космическую  радиолокационную съемку в (P) диапазоне, который наилучшим образом обеспечивает решение задач, связанных с исследованием  растительного покрова.

В настоящее время отсутствуют  космические радиолокационные системы, работающие одновременно в двух диапазонах. Первой подобной системой станет CoRe_H2O, предназначенная для исследования снеговых и влагозапасов холодных регионов. В ней будут использованы коротковолновые диапазоны (X) и (Ku), которые обеспечивают существенно меньшую проникающую способность излучения (для данного случая в снежный и ледовый покровы), чем диапазоны с большей длиной волны /2/.

 

3. Передовые направления  в обработке и применении Радиолокационных  данных

 

В настоящее время происходит активное развитие различных направлений  и методик обработки радиолокационных данных (SAR_данных), причем большое число из них еще находится на экспериментальном, и даже на теоретическом уровнях. Рассмотрим наиболее перспективные из них, с точки зрения практического использования /2/.

радиолокационный съёмка топографический карта

3.1 Данные радиолокационной  съёмки - как пространственная основа

 

Упор делается на минимизацию  времени, проходящем между размещением  заказа и поставкой данных заказчику. Причем речь идет как об изображениях (исправленных геометрически и радиометрически), так и о готовой конечной картографической продукции, такой как: топографические, ситуационные и тематические карты, карты изменений местности (в большей степени двухмерные). Изучение вертикальных просадок и подвижек является отдельным направлением. При этом обработка радиолокационных данных максимально автоматизируется (в первую очередь, в области выявления изменений на местности - change detection), что позволяет существенно сократить сроки предоставления готовой продукции. Таким образом, заказчик может получить обработанные актуальные данные и созданную по ним картографическую продукцию в сжатые сроки - в течение нескольких дней /1/.

 

3.2 Измерение высот  объектов местности, построение  высокоточных ЦММ и ЦМР

 

Методика определения  высот объектов на радиолокационных изображениях называется SAR_tomography (рис. 3.1). Ее сущность заключается в определении высот объектов по серии изображений (около 5) и по одним и тем же объектам -отражателям (наподобие методики Persistent Scatterers). Используя данный метод, можно получить точные высоты объектов (как правило, объекты городской или промышленной застройки), но не цифровую модель местности.

Интерферометрическая обработка  радиолокационных данных позволяет  получать цифровые модели местности  для любых территорий, причем с  высокой точностью (до нескольких метров по высоте), что является важным, так  как актуальная информация о рельефе  необходима для решения большого числа задач, от ортотрансформирования космических изображений до создания трехмерных моделей местности (рис. 3.1).

 

Рис. 3.1 - Иллюстрация методики SAR-tomography, представленная в среде GoogleEarth (цвет точек соответствует высотам объектов на местности)

radar topographic mission (SRTM) - радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных, самых южных широт, а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных (что примерно равно объему информации библиотеки конгресса). В течение этого времени с помощью метода называемого радарной интерферометрией (radar interferometry) было собрано огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Но определенное количество информации уже доступно пользователям. нашли широкое применение; при отображении рельефа постройке трёхмерных карт с отмывкой, что делает более наглядным рельеф; возможность привязки отсканированного картографического материала.

В качестве иллюстрации приведем 3D-модель, созданную по данным двух матриц SRTM в среде программы GlobalMapper (рис. 3.2).

 

Рис. 3.2 - 3D-модель по данным SRTM

 

Еще одним направлением является исследование растительного покрова, в частности, определение высот  деревьев. Комбинация интерферометрических и поляриметрических данных позволяет  извлечь информацию о вертикальной структуре лесного покрова. На рис. 3.1 приведена карта с высотами растительного покрова. Описанная  методика уже отработана на самолетных радиолокационных данных, а ее реализация на основе спутниковой съемки еще  исследуется.

 

Рис. 3.3 - Карта (картограмма) высот растительности

 

3.3 Мониторинг  объектов на поверхности земли

 

Методика определения  просадок земной поверхности и сооружений на

ней, основанная на совместном выявлении постоянных объектов (отражателей) на большой серии снимков (Persistent Scatterers), стала активно применяться относительно недавно. Причем для обработки использовались только снимки среднего пространственного разрешения. С появлением данных нового поколения с разрешением 1-3 м данная методика получила дальнейшее развитие, так как высокое разрешение обеспечивает на порядок боль шее количество объектов (отражателей) на 1 км2, по которым выполняется определение величин деформаций, чем для данных среднего разрешения. Описанная методика развивается и в другом направлении: в целом принцип обработки остается неизменным, но объекты обработки (отражатели) выбираются на основе значений их когерентности (Coherence Scatterers). Классическая дифференциальная интерферометрия также остается актуальной для данных сверхвысокого разрешения. Изменения коснулись масштабов обработки: появилась возможность исследовать деформации отдельных крупных сооружений. На рис.5 приведен пример мониторинга деформаций здания конгресс-центра в Лас-Вегасе, США, по данным TerraSAR-X, выполненным в режиме съемки SpotLight. На интерферограмме (рис. 3.4), полученной за 44 дня, видны вертикальные смещения - одна цветовая полоса соответствует величине смещения в 1,55 см.

 

Рис. 3.4 - Пример мониторинга  деформаций здания конгресс-центра: а) амплитудное изображении; б) модель исследуемого здания; в) интерферограмма

 

Дифференциальная радиолокационная интерферометрия позволяет получать уникальные данные о просадках земной поверхности с высокой точностью, что является альтернативой дорогостоящим  и трудозатратным наземным геодезическим измерениям /1/.

Радиолокационные данные позволяют обнаруживать пространственное положение нефтяных разливов на различных  водоемах , так как нефтяная пленка сглаживает обычно неспокойную водную поверхность и, как следствие, изображения этих участков морской и речной водной поверхности получаются высококонтрастными. Обыкновенно анализ радиолокационного изображения с целью выявления загрязнений начинается с детектирования на нем «подозрительных» областей. Затем - классификация нефтяных загрязнений, естественных ликов, имеющих биологическую природу (продукты жизнедеятельности, планктон и проч.) и поверхность воды под влиянием неблагоприятных для съемки условий. Следующий этап - определение границ и подробный анализ, который может включать в себя определение толщины пленки, ее природу, физические характеристики (разумеется, с использованием дополнительной информации) /6/.

Радиолокационные данные, особенно получаемые при нескольких поляризациях, позволяют выделять площади  лесных массивов, выявлять вырубки  и гари, проводить оценочную классификацию  лесов по составу пород и по высоте древостоев.

Мониторинг городской  инфраструктуры предусматривает оценку стабильности планового и высотного  положения различных объектов и  инженерных сооружений на территории городов. Речь идет, в первую очередь, о выявлении вертикальных просадок зданий, эстакад, мостовых, тоннельных сооружений и т.д. Для этих целей  наибольшую эффективность обеспечивает использование методики Persistent Scatterers /2/.

Высокая отражательная способность  металлических конструкций, в данном случае морских и речных судов, позволяет  с высокой степенью достоверности  обнаруживать корабли на радиолокационных изображениях даже среднего пространственного  разрешения (рис. 14). Для данной задачи используется автоматизированная методика, позволяющая определить положение  судна в конкретный момент времени, направление его движения, а также  оценить габариты судна.

 
 

Рис. 3.5 - Пример выявление  морских судов на радиолокационном снимке (TerraSAR-X)

 

Мониторинг зон стихийных  бедствий и организация спасательных и восстановительных работ - важнейшие  задачи в современном мире, которые  позволяет решать данный вид съёмки /2/.

 

.4 Определение  скорости быстро движущихся объектов

 

По радиолокационным спутниковым  данным можно уверенно определять скорость быстро движущихся объектов, например, автомобилей.

Для этого используется методика - интерферометрия вдоль орбиты (Along_track Interferometry). Интерферометрическая пара представляет собой два изображения, полученных с одной орбиты, но с различными фазовыми центрами. Для отработки алгоритма использовались данные TerraSAR-X экспериментального режима Dual_Receive Antenna (DRA), при котором «разделение» на две субантенны (поддержка такого режима есть и у спутника Radarsat_2) позволяет получить два фазовых центра. В данном случае определяющей является временная базовая линия, составляющая миллисекунды или секунды. Полученные изображения обрабатываются совместно. Так как имеется задержка во времени и объекты движутся со значительной скоростью, появляется возможность получить смещение этих объектов относительно их реального положения и направления движения, которое определяет скорость (методика основана на доплеровском смещении). На рис. 6. приведен пример, иллюстрирующий данную методику. Цветные стрелки на трассе показывают скорость и направление движения, а красные квадраты обозначают автомобили, по которым, собственно, и определяется скорость /1/.