Основные направления использования радиолокационных данных

0

Д. Б. Никольский

Рассмотрим варианты применения радиолокационных данных для решения конкретных задач.

Создание и обновление разномасштабных топографических и тематических карт: по сравнению с оптическими данными, радиолокационные снимки уступают по изобразительным свойствам, но они обладают очень важным преимуществом – возможностью съемки вне зависимости от освещенности и метеоусловий, следовательно, создание или обновление картографической продукции по радиолокационным данным, особенно в срочных случаях, востребовано и очень перспективно.

1
Тематическая карта типов земной поверхности, созданная на основе данных TerraSAR-X

 

Создание высокоточных цифровых моделей местности: интерферометрическая обработка данных позволяет получать цифровые модели местности для любых территорий, причем с высокой точностью (до нескольких метров по высоте), что является очень важным, так как актуальная информация о рельефе необходима для решения большого числа задач, от ортотрансформирования данных, до создания 3D-моделей местности.

2
Трехмерная модель местности, построенная по данным ALOS –PALSAR

 

Экологические задачи: одно из наилучших применений радиолокационных данных для решения экологических задач – это обнаружение и картографирование нефтяных разливов на различных водоемах, так как нефть выглаживает обычно взволнованную водную поверхность и, как следствие, изображения получаются высококонтрастными.

3
Радиолокационное поляриметрическое изображение TerraSAR-X, с четкими нефтяными разливами в акватории

 

Чрезвычайные ситуации: важным при возникновении какой-либо чрезвычайной ситуации является максимальная быстрота получения пространственной информации, что обеспечивается данными радиолокационной съемки. Помимо этого, ряд приложений позволяет прогнозировать возникновение тех или иных чрезвычайных ситуаций.

4
Карта оценки разрушений, произошедших в результате землетрясения, на основе данных TerraSAR-X

 

Мониторинг нефтегазовых и других месторождений: дифференциальная радиолокационная интерферометрия позволяет получать уникальные данные: просадки земной поверхности с высокой точностью, это альтернатива дорогостоящим и трудозатратным наземным измерениям. Мониторинг вертикальных смещений является одной из важнейших задач для территорий месторождений.

5
Карта вертикальных смещений территории нефтегазового месторождения, построенная по данным ENVISAT

 

Решение геологических задач: радиолокационные данные являются очень ценным источником информации для геологии, так как они очень хорошо подчеркивают структурность поверхности, тем самым, отображая все основные элементы рельефа местности. Также можно отметить, что для решения геологических задач активно используются результаты интерферометрической обработки изображений.

6
Радиолокационный снимок ERS-1 нефтегазоносной области и его интерпретация

 

Обеспечение обзорными и детальными данными лесного хозяйства: радиолокационные данные, особенно получаемые в нескольких поляризациях, позволяют выделять площади лесных массивов; выявлять вырубки, гари; выполнять оценочную классификацию лесов по породному составу, по высоте древостоев.

7
Тематическая карта типов растительности, на основе данных TerraSAR-X

 

Предупреждение паводков: радиолокационные данные и результаты их обработки успешно используются для выявления опасных в паводковом отношении районов: картографическую основу мы получаем по амплитудным изображениям, фазовая же информация дает данные о рельефе местности, при анализе которого выявляются районы, являющиеся потенциально опасными при паводковой ситуации.

8
Карта с выявленными площадями вероятного затопления в результате паводка, на основе данных TerraSAR-X

 

Сельское хозяйство: для слежения за состоянием сельскохозяйственных угодий радиолокационные данные применяются достаточно активно, так как изменения в состоянии полей/посевов достаточно существенно сказываются на изменении их отражательных свойств и четко прослеживаются на снимках. Наряду с этим различные типы с/х культур также по разному отображаются на поляриметрических изображениях, тем самым позволяя выполнять дешифрирование по эталонам.

9
Мультивременное композитное изображение Radarsat-1 (25 м), демонстрирующее различное состояние сельскохозяйственных полей

 

Мониторинг городской инфраструктуры: данный тип задач предусматривает оценку стабильности городских инженерных сооружений. Речь идет в первую очередь о вертикальных просадках зданий, эстакад, мостовых, тоннельных сооружений и т.д. Здесь используется методика Persistant Scatterer Interferometry, рассмотренная выше.

10
Карта и график вертикальных смещений зданий (результаты получены на базе данных ERS-1/2)

 

Задачи безопасности и видовой разведки: современные радиолокационные спутники имеют разрешение сходное с оптическими данными и для обнаружения различных целей (особенно металл) подходят даже лучше, чем данные оптического диапазона, плюс к этому оперативность съемки и всепогодность делают эти данные уникальными и незаменимыми.

11
Фрагмент снимка TerraSAR-X (разрешение 1 м) на территорию аэропорта

 

Автомобильный транспорт: для данных высокого разрешения (TerraSAR-X), применяются специализированные алгоритмы, позволяющие оценивать общую загруженность тех или иных участков магистралей, и даже оценивать скорости движения, используя доплеровское смещение.

12
Снимок TerraSAR-X (разрешение 1 м), по которому оцениваются скорости движения автомобилей

 

Водный транспорт: высокая отражательная способность металлических конструкций, в данном случае судов, позволяет с высокой степенью достоверности обнаруживать корабли на радиолокационных изображениях даже среднего пространственного разрешения. Для данной задачи используется автоматизированная методика, позволяющая определить положение судна в конкретный момент времени, направление его движения, а также оценить габариты судна.

13
Выявление судов на радиолокационном снимке TerraSAR-X

 

Гляциология: здесь можно выделить два направления: это оценка ледовой обстановки (определение толщины льдов, их расположения и движения) и исследования различных типов ледников от небольших горных, до мощных ледниковых куполов. С помощью радиолокационных данных четко определяются границы ледников, зоны наступления и отступаний, с помощью же интерферометрической обработки определяются скорости движений ледников.

14
Композитное изображение ERS-1/2 (амплитуда – суша, фаза – лед), демонстрирующее движение выводного ледника (по интерферометрическим полосам определяются скорости течения)

 

Для решения тех или иных задач лучше подходят либо радиолокационные данные, либо оптические, но для достижения наилучшего эффекта, обеспечения полноты исследования необходимо комплексное использование данных, получаемых в различных диапазонах.

Подбор данных для решения конкретных задач

В заключение приведена таблица, с помощью которой можно выбрать наиболее подходящий тип радиолокационных данных для решения задач ряда актуальных направлений (табл. 2):

Таблица 2. Рекомендации по выбору радиолокационных данных.

Направление

Cпутник, режим съемки

Уровень обработки

Картография TerraSAR-X,

режим съемки в зависимости от масштаба

Ортотрансформиро-ванные изображения
Цифровые модели местности ENVISAT-ASAR, Image(VV);

ALOS-PALSAR, FBS (VV)

RAW или SLC
Смещения на сантиметровом уровне ENVISAT-ASAR Image (VV)
Вертикальные смещения на миллиметровом уровне TerraSAR-X (HighSpot, SpotLight, StripMap), ERS-1,2 Image (VV)

ENVISAT-ASAR Image (VV)

Лесное хозяйство TerraSAR-X, Radarsat-2,

ALOS-PALSAR

Поляриметрические режимы

(либо 2, либо 4 поляризации)

RAW, SLC и ортотрансформиро-ванные изображения
Сельское хозяйство
Мониторинг

строительства

TerraSAR-X,

в зависимости от размеров объектов

Мониторинг судов Radarsat-1,2,  различные режимы, за исключением  режимов ScanSAR, TerraSAR-X, все режимы

Для картографических целей подходят различные виды радиолокационных данных. Выбор TerraSAR-X обусловлен наличием сверхвысокого разрешения (1 м), что необходимо для создания и обновления наиболее актуальных на сегодняшний день топографических и тематических карт крупных масштабов (вплоть до 1:10 000), а также наличием режимов с высоким (3 м) и средним (16 м) разрешением, позволяющих работать в масштабах 1:25 000 и 1:100 000 соответственно.

Создание цифровых моделей местности возможно на основе радиолокационных данных получаемых различными сенсорами, при выполнении определенных условий, описанных ранее. В таблице 2 рекомендуются данные ENVISAT-ASAR-IMAGE и ALOS-PALSAR-FBS, как наиболее надежные именно для выполнения интерферометрической обработки. Для данных Radarsat-1 необходимо дополнительное уточнение орбитальных параметров по наземным точкам. Интерферометрическая обработка TerraSAR-X (как впрочем, и Radarsat-2) в настоящее время только отрабатывается и не является приоритетной до запуска тандемного спутника (TanDEM-X). Одной из главных задач этой тандемной миссии будет являться создание глобальной высокоточной цифровой модели местности. Наряду с созданием цифровых моделей местности, данные ENVISAT-ASAR, являются одним из наиболее оптимальных решений для выполнения дифференциальной интерферометрической обработки, с целью определения смещений на сантиметровом уровне. Данные ALOS-PALSAR не рекомендованы в таблице 2 для решения этой задачи, потому что интерферометрические пары, получаемые этим спутником, как правило, имеют значительную базовую линию и в большей степени подходят для создания ЦММ.

Определение смещений на миллиметровом уровне (методика Persistant Scatterer Interferometry) – довольно новая методика и в настоящее время в SARscape реализована поддержка только указанных типов данных, поддержка других типов данных и сенсоров будет добавлена.

Для лесного и сельского хозяйства наиболее важным является возможность получения данных при нескольких поляризациях излучения, по наличию такой возможности и по необходимому разрешению и выбираются данные.

Для мониторинга строительства определяющим фактором является оперативность получения данных и разрешающая способность, на основании чего наилучшим вариантом является спутник TerraSAR-X.

Для мониторинга судов, так же как и для предыдущего направления необходима оперативность получения данных, но в данном случае высокое разрешение необязательно, так как суда однозначно идентифицируются и на снимках с разрешением 30 м, поэтому спутники серии Radarsat, обладающие наилучшими возможностями по съемке, являются оптимальными для данного направления. Данные TerraSAR-X также отлично подходят мониторинга судов, но уже в более крупном масштабе.