Передовые направления в обработке и применении радиолокационных данных

0

Д.Б. Никольский

В настоящее время идет активное развитие очень большого числа направлений и методик обработки радиолокационных данных, причем большое число из них еще находятся на экспериментальном, а некоторые и на теоретическом уровнях. Рассмотрим ряд наиболее интересных применений с точки зрения их практического использования:

  1. SAR-данные – как пространственная основа. Упор делается на минимизации времени проходящим между размещением заказа и поставкой данных заказчику, причем речь идет как об изображениях (исправленных геометрически и радиометрически), так и о готовой конечной картографической продукции: топографические и ситуационные карты, различные тематические и карты изменений местности (в большей степени двумерные, вертикальные просадки и подвижки являются отдельным направлением). Причем обработка радиолокационных данных максимально автоматизируется (в первую очередь – выявление 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 очень сжатые сроки: буквально в течение нескольких дней выполняется съемка интересующей территории, и затем, срочная обработка данных – создание специализированных картографических материалов.
  2. Измерение высот объектов местности, построение высокоточных ЦММ. Для решения приведенных задач используется радиолокационная интерферометрия. Классическая методика интерферометрической обработки подразумевает использование данных, полученных при некоторых значениях базовых линий и, как правило, через определенный промежуток времени. Для достижения высокой точности, а также обеспечения полноты результирующей интерферограммы наиболее эффективно применение однопроходной интерферометрической съемки, которую практически невозможно реализовать для космических систем. В связи с этим разработчиками системы TerraSAR-X – TanDEM-X была предложена уникальная в своем роде система из 2 спутников, работающих в бистатическом режиме, которые будут вести однопроходную интерферометрическую съемку.

Для самолетных систем развивается другое направление – multi baseline interferometry (интерферометрия при различных значениях базовых линий), по сути, обрабатываются матрицы данных с различными базовыми линиями, что позволяет работать на высокодетальном уровне. Методика, подразумевающая использование серий интерферометрических изображений (минимум при двух базовых линиях), будет реализована и в проекте TerraSAR-X – TanDEM-X. Также следует отметить, что для интерферометрической обработки данных сверхвысокого разрешения используются несколько отличные алгоритмы, нежели чем при работе с данными среднего разрешения, в новой версии программного обеспечения SARscape, распространяемого компанией «СОВЗОНД», такая поддержка уже реализована.

Наряду с описанными методиками существует методика определения высот объектов на радиолокационных изображениях, которая называется SAR-tomography, сущность заключается в определении высот объектов по серии изображений (около 5) и по отражателям (наподобие методики Persistent Scatters Interferometry). Используя данный метод можно получить точные высоты объектов (как правило, городская или инфраструктурная застройка), но не цифровую модель местности.

Рис. 1. Иллюстрация методики SAR-tomography, представленная в среде GoogleEarth (цвет точек соответствует высотам объектов на местности)
Рис. 1. Иллюстрация методики SAR-tomography, представленная в среде GoogleEarth (цвет точек соответствует высотам объектов на местности)

  1. Мониторинг деформаций различных объектов, выявление просадок. Методика определения просадок земной поверхности и сооружений на ней, основанная на совместном выявлении постоянных отражателей на большой серии снимков (Persistent Scatters Interferometry), стала активно применяться относительно недавно. Причем для обработки использовались только снимки среднего пространственного разрешения. С появлением данных нового поколения (разрешением 1-3 м) данная методика получила дальнейшее развитие, так как высокое разрешение обеспечивает на порядок большее количество точек – отражателей на кв. км, 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 Scatters Interferometry).

Классическая дифференциальная интерферометрия, также остается актуальной для данных сверхвысокого разрешения, изменения касаются масштабов обработки – появилась возможность исследовать деформации отдельных крупных сооружений, в качестве примера приведен рис. 2.

Рис. 2. Мониторинг деформации здания конгресс центра (г. Лас-Вегас), по данным TerraSAR-X (режим съемки SpotLight). Слева – асплитудное изображение, справа – интерферограмма (период 44 дня, 1 цветовая полоса соответствует вертикальным смещениям 1,55 см), в центре – модель исследуемого здания
Рис. 2. Мониторинг деформации здания конгресс центра (г. Лас-Вегас), по данным TerraSAR-X (режим съемки SpotLight). Слева – асплитудное изображение, справа – интерферограмма (период 44 дня, 1 цветовая полоса соответствует вертикальным смещениям 1,55 см), в центре – модель исследуемого здания

  1. Определение скоростей быстро движущихся объектов. По радиолокационным спутниковым данным можно уверенно определять скорости быстро движущихся объектов, например, автомобилей. Для этого используется методика Along-track Interferometry (интерферометрия вдоль орбиты). Интерферометрическая пара представляет собой пару изображений полученных с одной орбиты, но с различными фазовыми центрами. Для отработки алгоритма использовались данные TerraSAR-X, экспериментального режима Dual-Receive Antenna (DRA): «разделение» на две субантенны (поддержка такого режима есть и у спутника Radarsat-2), тем самым получается два фазовых центра. В данном случае определяющей является именно временная базовая линия (величины: миллисекунды – секунды). Полученные изображения обрабатываются совместно, так как у нас имеется задержка во времени и объекты движутся со значительной скоростью, мы получаем 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, красные квадраты – это отображение автомобилей, по которому собственно и определяется их скорость, обусловленное доплеровским смещением (к северу и югу от трассы – автомобили, движущиеся на северо-запад и юго-восток, соответственно).
Рис. 3. Графическое представление методики определения скоростей автомобилей (TerraSAR-X, экспериментальный режим съемки DRA)
Рис. 3. Графическое представление методики определения скоростей автомобилей (TerraSAR-X, экспериментальный режим съемки DRA)

  1. Поляриметрическая интерферометрия (Pol-inSAR). Использование поляриметрических данных в настоящее время развито достаточно хорошо. Одной из главных тенденций в этой области является использование интерферометрических многополяризационных данных, причем акценты в использовании данных такого типа изменились в последнее время, если раньше поляриметрические данные использовались для интерферометрии с целью оптимизации и улучшения значений когерентности, то теперь основное направление – это исследование растительного покрова, в частности определение высот деревьев. Комбинация интерферометрических и поляриметрических данных позволяет извлечь информацию о вертикальной структуре лесного покрова. На рис. 7 приведена карта высот растительного покрова. Данная методика отработана на  самолетных радиолокационных данных, ее реализация на основе спутниковой съемки исследуется в настоящее время.