Весь комплекс задач, возникающих при работе с SAR-данными, может быть решен при помощи модулей SAR Polarimetry Workstation, RADAR DEM Extraction, RADAR и ПО EarthViewў InSAR


М.Ю. Александров («Гео-Альянс»)

В настоящее время существуют два основных способа дистанционного получения информации о поверхности Земли: оптические системы, использующие солнечный свет (пассивные системы) и радарные (RAdio Detecting And Ranging) системы с собственным источником излучения (активные системы).

Выявление объектов (целей) происходит за счет облучения поверхности электромагнитными волнами и получения отраженных импульсов. Расстояние до цели (range) определяется по времени прохождения волны до объекта и обратно.

Радарные (SAR) системы «видят» сквозь облачность и в темное время суток, что позволяет, например, осуществлять постоянный мониторинг ледовой обстановки во время полярной ночи.

Значение серого цвета в пикселе зависит от трех факторов: SAR-системы, SAR-обработки и объекта. Объект, в свою очередь, может классифицироваться по геометрии, диэлектрическим свойствам и скорости движения. На уровень серого цвета не влияют освещение, химический состав (за исключением соли и льда) и температура (деление только на замерзшие и незамерзшие) объектов.

Рассеянное отражение (Diffuse reflection) от объемных массовых объектов (например, растительность) соответствует среднему уровню серого цвета и текстуры. Зеркальное отражение (Specular reflection) от поверхностей (например, спокойная водная поверхность) смещает цвет в темную область, угловое отражение (Corner reflection) от таких объектов, как здания, в светлую область.

Рис. 1. Рассеивающие поверхности в зависимости от частоты падающих волн

На рис. 1 показаны поверхности, от которых рассеиваются падающие электромагнитные волны с различной частотой. Для спутника TerraSAR-X рассеивание происходит от поверхности, не от земли.

Диэлектрические свойства материала влияют на интенсивность отраженного сигнала. Коэффициент диэлектрической проницаемости характеризует способность материала поглощать электрическую энергию и зависит от используемой частоты. Различие значений коэффициентов для разных материалов обусловливает возможность их выявления при помощи SAR (табл. 1).

Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация это передаваемый и получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости. Поляризация излучения свойство, присущее радарным системам.

При линейной поляризации плоскости могут располагаться горизонтально H и вертикально V.

Вертикально поляризованная волна будет взаимодействовать с вертикальными стеблями слоя растений, горизонтально поляризованная проникать сквозь слой.

Комбинирование разных видов поляризации может улучшать детальность классификации, например, позволять определять различные классы растительности. Очень важно правильно подобрать вид поляризации для каждого конкретного проекта, чтобы улучшить характеристики результирующего продукта.

В SAR-системах применяется геометрия боковой съемки, в отличие от оптических систем, формирующих снимки центральной проекции. Для спутника TerraSAR-X, как правило, применяется правая боковая съемка.

Таблица 1. Коэффициенты диэлектрической проницаемости для различных материалов

В результате обработки «сырые» данные (отраженный сигнал) преобразуются в полутоновое (пиксельное) изображение. Азимутальное и боковое (наклонное) разрешение имеют различные концепции.

При боковой съемке расстояния до цели определяют географическое положение в соответствии с измеряемой разностью времени прохождения сигнала. Поэтому последовательность получения пикселей может быть нарушена в районах с сильно выраженным рельефом или в условиях городской застройки. Боковое разрешение зависит только от ширины частотного диапазона (150 и 300 МГц) и угла падения луча (Ground range). Пространственное разрешение улучшается с увеличением угла падения луча.

При азимутальной съемке сигналы, имеющие одинаковое время прохождения, расположены в правильной последовательности в соответствии со сдвигом их частоты, определяемым эффектом Доплера. Пространственное разрешение регулируется за счет изменения апертуры. Азимутальное разрешение постоянно вдоль маршрута и зависит от режима съемки, размера антенны и частоты повторения импульсов.

Данные одиночной наклонной съемки (Single-look slant range complex) имеют более высокое разрешение. Во всех остальных базовых продуктах TerraSAR-X (Multi-look ground range detected, Geocoded ellipsoid corrected, Enhanced ellispoid corrected) используются 1 7 сигналов в зависимости от угла падения. Заказчик может влиять на выбор числа сигналов. Для проектов, в которых приоритетно пространственное разрешение SE, используют минимум сигналов. Для улучшения радиометрического разрешения требуется большее число сигналов, но при этом ухудшается пространственное разрешение.

Технические характеристики спутника TerraSAR-X-1
Основные технические характеристики солнечно-синхронной орбиты спутника TerraSAR-X-1 приведены в табл. 2.

Таблица 2. Характеристики орбиты TerraSAR-X-1

С помощью электронного управления сигналом осуществляется быстрое переключение режимов съемки и наведение на новые цели.

Минимальная дистанция между двумя кадрами для режима SpotLight составляет 18 30 км, для режимов StripMap и ScanSAR 7 км. Доступны опции мультиполяризации и левой/правой боковой съемки. Разворот спутника для двухсторонней съемки осуществляется меньше чем за 5 мин. Прием полученных данных может происходить в режиме реального времени.

На рис. 2 показаны схемы работы спутника в доступных режимах съемки (SpotLight, StripMap, ScanSAR), а в табл. 3 приведены их характеристики.

Рис. 2. Режимы съемки TerraSAR-X-1

Таблица 3. Характеристики режимов съемки TerraSAR-X-1

Продукция спутника TerraSAR-X-1
Предлагаемая 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 (например, радарная интерферометрия и интерференционная поляриметрия), 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.

Multi-look ground range detected (MGD) стандартная продукция уровня 1B. Координаты изображения вычислены вдоль направлений полета и угла падения луча. Для проведения съемки используются несколько сигналов (Multi-look detected). Изображение приводится к проекции на эллипсоиде WGS 84 и средней постоянной высоте рельефа. Результирующее изображение не имеет геопривязки и коррекции за влияние рельефа. MGD это продукция с уменьшенной зернистостью изображения и приблизительно квадратными ячейками разрешения. Шаг пикселя одинаков вдоль направлений азимута и угла падения луча. Преимущество этого продукта в том, что без развертывания изображения в картографическую координатную систему отсутствуют интерполяционные артефакты. Точность определения положения пикселя хуже, чем в геопривязанной продукции. Прилагаются только координаты углов и центра изображения. Соответствует продукции ERS (PRI) или ENVISAT (ASA_IMP_1P).

Geocoded ellipsoid corrected (GEC) геопривязанная, приведенная к проекции на эллипсоид WGS 84 (с присвоением одного усредненного значения высоты рельефа) стандартная продукция уровня 1B. Имеет второй по точности уровень геометрической коррекции, полученный по нескольким сигналам. Работа с GEC затруднена в районах с горным рельефом. Нет коррекции за влияние рельефа. Стандартные проекции UTM и UPS. Точность определения положения пикселя зависит от сложности рельефа, особенно это справедливо для сильно выраженного горного рельефа с крутыми склонами. GEC соответствует продукции ERS (GEC) или ENVISAT (ASA_IMG_1P).

Enhanced ellipsoid corrected (EEC) улучшенная геопривязанная, приведенная к проекции на эллипсоид WGS 84 (с использованием цифровых моделей рельефа) стандартная продукция уровня 1B. Среди используемых ЦМР такие, как глобальные SRTM/X-SAR (30 м), SRTM/C-band (100 м), GLOBE (1 км) и региональная DTED-1/2 (100 м). Выходное изображение является ортоисправленным. Точность определения положения пикселя может достигать метрового уровня, но зависит от качества ЦМР. EEC соответствует продукции ERS (GTC) или ENVISAT (DLR).

Среди предлагаемых продуктов с добавленной стоимостью (VAP) отдельный интерес могут представлять комбинации восходящих и нисходящих сцен. Радарные тени обычно видимы в SAR-изображениях и не всегда являются полезным атрибутом. Комбинация восходящих и нисходящих сцен одной и той же территории снижает эффекты наложения (перекрытия) и радарных теней в результирующем изображении.

Традиционные области, в которых эффективно используются SAR-технологии: лесное хозяйство; управление ресурсами; повышение продуктивности сельскохозяйственных культур; своевременное предоставление продовольственной помощи; выявление загрязнений; планирование развития территорий; топографическое и тематическое картографирование; оценка изменений климата и его влияния на окружающую среду; исследование океанских и речных течений, качества воды, эрозионных процессов; оценка риска наводнений и ущерба при ЧС; рыболовство; мониторинг арктических территорий, ледовой обстановки, нефтегазовых месторождений; определение местоположения судов.

Интерферометрические измерения в радарных технологиях позволяют решать различные задачи, в том числе получать высокоточные ЦМР; выявлять перемещения объектов; проводить мониторинг приграничных территорий, нестабильных склонов; отслеживать изменения на объектах, подвижки земной поверхности, проседание почвы при добыче нефти, газа и др.

Интерферометрические измерения проводятся с использованием пар снимков одной территории, полученных при разных положениях сенсора. В настоящее время для формирования таких пар используется 11-дневный цикл повторного пролета TerraSAR-X-1, когда спутник оказывается на той же орбите. Необходимы SSC-данные для получения информации об интенсивности и фазе излучения. Базис между двумя изображениями и качество интерферометрической фазы являются определяющими для точности результирующей цифровой модели местности (ЦММ). Извлекаемая ЦММ содержит составляющую, обусловленную поверхностью растительности, т. е. не является цифровой моделью рельефа.

Интерферометрические (INSAR) технологии могут использоваться только при хорошей схожести парных изображений (пустыни, скалистая местность). INSAR с 11-дневным циклом не применимы для тропического климата, нарушение связей (схожести) за этот период препятствует работе с интерферометрией.

Намного легче станет получать INSAR после запуска TanDEM-X дополнения к TerraSAR-X для цифровых измерений рельефа (рис. 3).

Рис. 3. Тандемная пара радарных аппаратов

Приобрести продукцию TerraSAR-X и программное обеспечение для работы с ней можно в компании «Гео-Альянс». Наши специалисты готовы ответить на любые вопросы, связанные c продукцией спутника TerraSAR-X, проконсультировать по вопросам выбора технических параметров съемки, способов ее проведения и необходимого уровня обработки. В качестве инструментария для эффективной работы с радарными снимками компания предлагает программные решения Geomatica 10.1 (PCI Geomatics, Канада). Весь комплекс задач, возникающих при работе с SAR-данными, может быть решен при помощи модулей SAR Polarimetry WorkStation, RADAR DEM Extraction, RADAR и ПО EarthView InSAR.

Организуются местные и выездные курсы по обучению работе с продукцией TerraSAR-X Services.