Современные тенденции в радиолокационном дистанционном зондировании Земли

0

Д. Б. Никольский

Оперативность получения актуальной пространственной информации о земной поверхности является одним из важнейших требований, предъявляемых к современным данным дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) наряду с высоким пространственным разрешением, а также геометрической точностью. Именно оперативность является одним из основных преимуществ радиолокационных систем ДЗЗ. Также следует отметить, что радиолокационные данные служат источником уникальной информации о подстилающей поверхности – они позволяют определять малейшие вертикальные смещения (вплоть до нескольких мм), что является альтернативой дорогостоящих и трудозатратных наземных измерений.

К современным тенденциям можно отнести следующие основные направления:

  • Использование в различных отраслях как пространственную основу для решения широкого круга задач, в том числе и комбинирование с данными оптического диапазона.
  • Получение данных в реальном времени, с задержкой буквально несколько часов.
  • Создание высокоточных цифровых моделей местности (тандемные миссии).
  • Определение просадок и подвижек земной поверхности с очень высокой точностью.
  • Использование поляриметрических данных.
  • Использование новых диапазонов и новых подходов в обработке данных.

В настоящее время идет очень активное развитие общемировой группировки коммерческих радиолокационных систем, еще 3 года назад на орбите находилось только 3 спутника среднего разрешения, работающих в радиодиапазоне, сейчас же доступны данные с 8 радиолокационных спутников, причем пространственное разрешение изображений достигает 1 м.

Перспективные радиолокационные спутники.

Рассматривая современные тенденции в радиолокационном дистанционном зондировании земной поверхности нельзя не отметить активное развитие именно спутникового сегмента, а не только развитие технологий обработки данных. Круг задач решаемых по радиолокационным данным постоянно расширяется, что требует использование данных с новыми параметрами. В таблице 1 представлена обобщенная информация по перспективным радиолокационным системам, но ряд систем мы рассмотрим более подробно, так как они являются в своем роде уникальными и в будущем позволят получать данные для решения целого класса новых задач.

Таблица 1. Перспективные радиолокационные спутники

Спутник

Страна Запуск Диапа-зон Период, дней Съемка ПЛ
ПР,м

ПС, км

1 2 3 4 5 6 7 8
COSMO-SkyMed-3 Италия Лето 2008 X 16 1 10 +
RISAT-1 Индия 2008/2009 C 12 2 10 +
TanDEM-X Германия Сентябрь 2009 X 11 1 10х5 +
Кондор-Э Россия Осень 2009 S 1-2 10-20
HJ-1C Китай 2009 S 31 1
SAOCOM-1A/1B Аргентина 2010 L 16 7 50 +
1 2 3 4 5 6 7 8
Kompsat-5 Ю. Корея 2010 X 1 5 н/д
Sentinel-1 Европа 2011 С 12 5 80 +
BIOMASS Европа 2013 P 30 50 +
CoRe-H2O Европа X и Ku 3-12 50 100 +

ПР – максимальное пространственное разрешение, которое дает система

ПС – полоса съемки, соответствующего режима

ПЛ – возможность поляриметрической съемки (- нет, + есть, н/д — нет данных)

TanDEM-X

Спутник TanDEM-X (TerraSAR-X Add-on for Digital Elevation Measurement – дополнение к спутнику TerraSAR-X для измерения высот поверхности) является одним из самых ожидаемых космических радиолокационных аппаратов в настоящее время, так как в результате совместной миссии TerraSAR-X – TanDEM-X будет получена глобальная высокоточная цифровая модель местности (ЦММ) не имеющая аналогов, а также будет возможность получать данные для построения ЦММ на конкретные регионы, вне зависимости от метеоусловий.

TerraSAR-X и TanDEM-X – это первый бистатический космический интерферометр (поверхность облучается сенсором одного спутника, а регистрируется датчиками двух спутников (рис. 1), он создается для достижения следующих целей:

  • Основная цель миссии: создание глобальной цифровой модели рельефа (90% поверхности) стандарта HRTI-3 и региональных ЦММ более высокой точности стандарта HRTI-4 (табл. 2).

 

  • Дополнительные цели: поляриметрическая интерферометрия, достижение суперразрешения, отработка различных бистатических режимов, интерферометрия при использовании мультипространственной базовой линии (Multi Baseline InSAR), интерферометрия вдоль орбиты (Along-Track Interferometry), получение данных при использовании 4-х фазовых центров (по сути разделение антенны на две для двух спутников) и т. д.

 

1a
Рис. 1. Система TerraSAR-X и TanDEM-X а) Иллюстрация бистатического режима: красная стрелка – облучение поверхности, синие – регистрация отраженных сигналов
1b
б) Орбита двух спутников будет представлять собой своеобразную спираль (справа), что обеспечит получение интерферометрических данных при различных базовых линиях. Такая концепция получила название HELIX
1v
в) Трехмерное представление орбит по временной шкале

Запуск TanDEM-X запланирован на сентябрь 2009 года, после чего около 3-х месяцев будет проводиться тестирование систем аппарата и, начиная с 2010 года, начнется плановая съемка земной поверхности, которая должна быть закончена в 2012 году. Съемка будет выполняться в несколько этапов:

1 этап: 2010 год. Получение полного покрытия поверхности с небольшой перпендикулярной базовой линией (около 300 м), небольшая базовая линия дает меньшую точность, но обработка данных упрощается.

2 этап: 2011 год. Получение полного покрытия поверхности с большей перпендикулярной базовой линией (около 500 м), получение данных четко соответствующих стандарту HRTI-3, при обработке будут использоваться результаты, полученные на предыдущем этапе.

3 этап: 2012 год. Съемка сложных (в отношении рельефа) регионов (зоны переналожений и теней) под «другим ракурсом», а также съемка с большими базовыми линиями для получения региональных ЦММ более высокой точности.

В таблице 2 приведены точностные характеристики ЦММ, различных стандартов (DTED – Digital Terrain Elevation Data – ЦММ либо ЦМР среднего пространственного разрешения;  HRTI – High Resolution Terrain Information – ЦММ либо ЦМР высокого пространственного разрешения).

Таблица 2.  Стандартные уровни цифровых моделей местности

Уровень

Пространственное разрешение Вертикальная точность Источник
Абсолютная*

Относительная**

DTED-1 90×90 м 30 м 20 м SRTM-C, распространяе-мая свободно
DTED-2 30×30 м 18 м 12 м ASTER, SRTM-X, ERS Tandem, SPOT 5 HRS, SRTM-С (ограниченные территории)
HRTI-3 12×12 м 10 м 2 — 4 м*** TanDEM-X, оптические спутники высокого разрешения
HRTI-4 6×6 м 5 м 0,8 – 2 м*** TanDEM-X, системы самолетного базирования,


*
— определяется как 90% линейная ошибка в глобальном масштабе

** — определяется как 90% линейная ошибка по точкам для участка 1°×1°

*** — в зависимости от рельефа местности

Система двух спутников TerraSAR-X и TanDEM-X за три года должна 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. В настоящее время ближайшим аналогом можно назвать ЦММ, построенную по интерферометрическим радиолокационным данным C-диапазона миссии SRTM (2000 г.) и имеющую уровень точности DTED-1 (см. таблицу 2).  Как известно в миссии SRTM съемка проводилась и в X диапазоне, но ввиду небольшой полосы захвата полученное покрытие имеет очень значительные пропуски (хотя уровень точности выше, чем для данных С-диапазона). SRTM имеет ограничения по широтам ±60°N, соответственно Антарктика, а также значительные северные территории (очень актуально для России) не обеспечены достаточно современной высотной информацией. Запуск аппарата TanDEM-X позволит  решить эту проблему и у пользователей появится возможность использовать актуальные высокоточные высотные данные в глобальном масштабе. На рис. 2 для наглядности приведено сравнение ЦММ, построенной по данным TerraSAR-X и SRTM.

2
Рис. 2. Сравнение ЦММ, построенной по данным TerraSAR-X (StripMAP, 12х12 м) и SRTM (90×90 м)

 

Sentinel

Спутники серии Sentinel являются новым проектом Европейского космического агентства, которые в первую очередь предназначены для получения регулярного покрытия земной поверхности в течение 12 дней (один спутник). В 2011 году запланирован запуск первого спутника Sentinel-1, затем  – запуск Sentinel-2. Два спутника позволят получать снимки земной поверхности с периодичностью 6 дней, такая частота съемки позволит выйти на новый уровень в интерферометрической обработке данных.

Одной из тенденций в развитии съемочных систем является получение данных в широкой полосе, но при этом с достаточно высоким разрешением. В одном из режимов, предназначенном именно для интерферометрии съемка будет производиться в полосе 250 км с пространственным разрешением 5×20 м. Таким образом, 1 сцена будет иметь площадь более 60 тыс. км2 и в совокупности с высокой периодичностью съемки это позволит получать качественные результаты по выявлению малейших подвижек и просадок на значительных территориях.

BIOMASS 

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

CoRe-H2

В настоящее время нет космических радиолокационных систем, работающих одновременно в двух диапазонах. На спутнике CoRe-H2O, предназначенном в первую очередь для исследования снего- и влагозапасов холодных регионов будет использован принцип съемки в двух диапазонах, причем коротковолновых X- и Ku-диапазонах, которые обеспечивают существенно меньшую проникающую способность излучения (для данной миссии в первую очередь в снежный и ледовый покровы), чем диапазоны с большей длиной волны.

Самолетные и вертолетные радиолокационные системы

Наряду с космическими системами в мире очень активно используются радиолокационные SAR-системы самолетного и вертолетного базирования: OrbiSAR, E-SAR, F-SAR (Германия), SETHI, ONERA RAMSES, MARSE (Франция). В России это направление развито очень слабо: имеется ряд разработок в данной области, но в настоящее время они практически не используются и не доступны для широкого круга пользователей. Основные преимущества SAR-систем самолетного базирования – это сверхвысокое разрешение (до 10-20 см), возможность проведения мультидиапазонной (до 5 диапазонов: X, C, S, L, P) и мультиполяризационной съемки, возможность выполнения однопроходной интерферометрической съемки, а, следовательно, и очень высокий уровень точности при проведении обработки данных. Недостатками самолетной радиолокационной съемки являются, во-первых, высокая стоимость, а во-вторых, небольшая полоса захвата на местности. На рис. 3 приведены два примера самолетных радиолокационных данных.

3a
Рис. 3. Примеры данных, получаемых самолетными SAR-системами: а) Радиолокационный снимок (камера MARSE, X-диапазон, разрешение около 10 см)
3b
б) Интерферометрическое SAR изображение (камера F-SAR, X-диапазон, цвет характеризует высоты объектов)

 

 

 

 

 

 

 

В подготовке статьи использованы материалы VII Европейской конференции, посвященной радиолокации с синтезированной апертурой EUSAR 2008 (Германия, Фридрихсхафен). EUSAR является одной из крупнейших конференций в мире, посвященных данной тематике. То, что участниками из 36 стран было представлено более 300 докладов еще раз подчеркивает востребованность и огромный интерес к радиолокационным данным на общемировом уровне.