Ю. И. Кантемиров
Ð Ð°Ð´Ð°Ñ€Ð½Ð°Ñ ÐºÐ¾ÑмичеÑÐºÐ°Ñ Ñъемка в наÑтоÑщее Ð²Ñ€ÐµÐ¼Ñ Ð²Ñ‹Ð¿Ð¾Ð»Ð½ÑетÑÑ Ð² ультракоротковолновой (ÑверхвыÑокочаÑтотной) облаÑти радиоволн, подразделÑемой на X-, C-, и L-диапазоны (табл. 1). Ð’ ближайшие годы также планируетÑÑ Ð·Ð°Ð¿ÑƒÑк первого коÑмичеÑкого радиолокатора P-диапазона (BIOMASS, ЕвропейÑкое коÑмичеÑкое агентÑтво — ESA).
Таблица 1. Диапазоны радиоволновой облаÑти Ñлектромагнитного Ñпектра, в которых выполнÑетÑÑ (или выполнÑлаÑÑŒ) коÑмичеÑÐºÐ°Ñ Ñъемка
Диапазон |
ЧаÑтоты, ГГц | Длины волн, Ñм |
Спутниковые ÑиÑтемы |
X | 5,20 – 10,90 | 2,75 – 5,77
(2,4 – 3,8) |
USGS SLAR, TerraSAR-X/TanDEM-X,
COSMO-SkyMed 1–4 |
C | 3,9 – 6,2 | 3,8 – 7,6 | ERS-1,2; ENVISAT-ASAR; RADARSAT-1,2 |
L | 0,39 – 1,55 | 19,3 – 76,9
(15 – 30) |
SIR-A,B, JERS, ALOS/PALSAR |
Широкое применение Ñпутниковых радарных данных началоÑÑŒ в 1991 году Ñ Ð·Ð°Ð¿ÑƒÑком Ñпутника ERS-1 (ESA) Ñ Ñ€Ð°Ð´Ð¸Ð¾Ð»Ð¾ÐºÐ°Ñ‚Ð¾Ñ€Ð¾Ð¼ на борту. ÐŸÐµÑ€Ð²Ð¾Ð½Ð°Ñ‡Ð°Ð»ÑŒÐ½Ð°Ñ Ñ†ÐµÐ»ÑŒ запуÑка Ñтого первого гражданÑкого Ñпутникового радиолокатора Ñреднего проÑтранÑтвенного Ñ€Ð°Ð·Ñ€ÐµÑˆÐµÐ½Ð¸Ñ (20 м) определÑлаÑÑŒ довольно узко и ограничивалаÑÑŒ морÑкими приложениÑми (мониторинг ледовой обÑтановки, айÑбергов, ÑудоходÑтва, течений, нефтÑных пÑтен и т. д.). Однако, уже поÑле Ð¿Ñ€Ð¾Ñ…Ð¾Ð¶Ð´ÐµÐ½Ð¸Ñ Ñпутником неÑкольких полных циклов Ð¿Ð¾Ð²Ñ‚Ð¾Ñ€ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¾Ñ€Ð±Ð¸Ñ‚Ñ‹ выÑÑнилоÑÑŒ, что кроме морÑких приложений у Ñтого радиолокатора имеетÑÑ Ð±Ð¾Ð»ÑŒÑˆÐ¾Ð¹ потенциал и Ð´Ð»Ñ Ð²Ñ‹Ð¿Ð¾Ð»Ð½ÐµÐ½Ð¸Ñ Ñ€Ð°Ð·Ð»Ð¸Ñ‡Ð½Ñ‹Ñ… задач на Ñуше.
Во-первых, на опытных учаÑтках были уÑпешно поÑтроены цифровые модели рельефа (ЦМР) по результатам интерферометричеÑкой обработки пар радарных Ñнимков, выполненных Ñ Ð²Ñ€ÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ñ‹Ð¼ интервалом, равным кратному чиÑлу полных циклов Ð¿Ð¾Ð²Ñ‚Ð¾Ñ€ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¾Ñ€Ð±Ð¸Ñ‚Ñ‹. Однако, Ð´Ð»Ñ Ð±Ð¾Ð»ÑŒÑˆÐ¸Ð½Ñтва типов ландшафтов (кроме пуÑтынь) когерентноÑть (мера коррелÑции фаз радарных Ñнимков) Ð´Ð»Ñ Ð¿Ð¾ÑÑ‚Ñ€Ð¾ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¦ÐœÐ Ð¾ÐºÐ°Ð·Ñ‹Ð²Ð°Ð»Ð°ÑÑŒ недоÑтаточной, поÑкольку минимально возможный период между интерферометричеÑкими Ñъемками ÑоÑтавлÑл один полный цикл Ð¿Ð¾Ð²Ñ‚Ð¾Ñ€ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¾Ñ€Ð±Ð¸Ñ‚Ñ‹, то еÑть 35 дней во Ð²Ñ€ÐµÐ¼Ñ Ð¾Ñновной фазы ÑкÑплуатации С, и 3 Ð´Ð½Ñ Ð²Ð¾ Ð²Ñ€ÐµÐ¼Ñ Ñ„Ð°Ð· ÑкÑплуатации A, B и D.
Ð’ том чиÑле поÑтому, в пару к ERS-1 был запланирован запуÑк Ñпутника ERS-2, а вмеÑте они должны были ÑоÑтавить тандемную пару Ñпутников, ÑпоÑобных выполнÑть тандемную интерферометричеÑкую Ñъемку одной и той же территории Ñ Ð²Ñ€ÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ñ‹Ð¼ интервалом в 1 Ñутки. Ð’ тандемном режиме пара Ñтих Ñпутников проработала около года (1995–1996 гг.). Затем, Ñ Ð²Ñ‹Ñ…Ð¾Ð´Ð¾Ð¼ из ÑÑ‚Ñ€Ð¾Ñ Ð¾Ð¿Ñ€ÐµÐ´ÐµÐ»ÐµÐ½Ð½Ð¾Ð³Ð¾ Ð¾Ð±Ð¾Ñ€ÑƒÐ´Ð¾Ð²Ð°Ð½Ð¸Ñ Ð½Ð° Ñпутнике ERS-1 Ñ‚Ð°Ð½Ð´ÐµÐ¼Ð½Ð°Ñ Ð¼Ð¸ÑÑÐ¸Ñ Ð¾Ñ„Ð¸Ñ†Ð¸Ð°Ð»ÑŒÐ½Ð¾ закончилаÑÑŒ. ФактичеÑки же тандемные Ñъемки продолжалиÑÑŒ до марта 2000 г., когда прекратилаÑÑŒ ÑкÑÐ¿Ð»ÑƒÐ°Ñ‚Ð°Ñ†Ð¸Ñ ERS-1, Ñ…Ð¾Ñ‚Ñ Ð² интерферометричеÑкой обработке тандемных пар поÑле 1996 г. возникают некоторые дополнительные трудноÑти. Ð’Ñего тандемом ERS-1 – ERS-2 отÑнÑта Ð±Ð¾Ð»ÑŒÑˆÐ°Ñ Ñ‡Ð°Ñть земного шара, иногда по неÑколько раз.
Еще одним важным практичеÑким применением Ñпутниковых радиолокаторов Ñтал мониторинг Ñмещений земной поверхноÑти по результатам дифференциальной интерферометричеÑкой обработки. ЕÑли учеÑть, что Ñпутник ERS-1 выполнÑл Ñъемку Ñ 1991 г., а Ñпутник ERS-2 находилÑÑ Ð½Ð° орбите до Ñередины 2011 г., а также то, что Ñти два Ñпутника находилиÑÑŒ на примерно одной и той же орбите и производили радарную Ñъемку одинаковым ÑенÑором SAR, то на значительную чаÑть земного шара имеютÑÑ Ð¼Ð½Ð¾Ð³Ð¾Ð¿Ñ€Ð¾Ñ…Ð¾Ð´Ð½Ñ‹Ðµ интерферометричеÑкие цепочки Ñнимков за период Ñ 1991 по 2011 гг. Так, например, многие европейÑкие города ÑнималиÑÑŒ каждый меÑÑц Ñ 1995 г. (а Ñ 1991 г. по 5–10 раз в год). То еÑть, в наÑтоÑщее Ð²Ñ€ÐµÐ¼Ñ Ð¸Ð¼ÐµÑŽÑ‚ÑÑ 100- или 200-проходные цепочки радарных Ñнимков, которые, в Ñлучае доÑтаточной когерентноÑти (например, в Ñлучае заÑтроенных территорий), могут быть обработаны вÑеми возможными дифференциальными интерферометричеÑкими методиками, опиÑанными ниже, Ñ Ð¿Ð¾Ð»ÑƒÑ‡ÐµÐ½Ð¸ÐµÐ¼ на выходе карт Ñмещений и деформаций земной поверхноÑти и Ñооружений за период до 20 лет. Ðа территорию РоÑÑии и Ñтран СÐГ нередко имеютÑÑ 30–40 проходные, и практичеÑки вÑегда 15–20 проходные цепочки таких Ñнимков.
Ð’ 2002 году ESA был запущен Ñпутник ENVISAT, Ñ Ñ€Ð°Ð´Ð¸Ð¾Ð»Ð¾ÐºÐ°Ñ‚Ð¾Ñ€Ð¾Ð¼ ASAR на борту, который предÑтавлÑл Ñобой Ñледующее поколение Ñпутников по Ñравнению Ñ ERS-1 и ERS-2. Ðтот Ñпутник характеризуетÑÑ Ð±Ð¾Ð»ÑŒÑˆÐ¸Ð¼ количеÑтвом углов и режимов Ñъемки, возможноÑтью Ñъемки в разных полÑризациÑÑ… (в Ñ‚. ч., в двух одновременно) и в широкополоÑном режиме. При Ñтом Ñнимки, Ñделанные в режиме Image Mode в полоÑе Ñъемки IS2 и Ñ Ð¿Ð¾Ð»Ñризацией VV интерферометричеÑки ÑовмеÑтимы Ñо Ñнимками ERS-1 и ERS-2. Ðта оÑобенноÑть позволила в течение неÑкольких временных периодов организовать тандемную Ñъемку ERS-2 — ENVISAT Ñ Ð²Ñ€ÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ñ‹Ð¼ интервалом в 30 минут на больших базовых линиÑÑ…. Съемка в таком режиме характеризуетÑÑ ÐºÑ€Ð°Ð¹Ð½Ðµ выÑоким фазовым разрешением интерферограмм по выÑоте и при Ñтом довольно выÑокой когерентноÑтью фаз Ñтих Ñнимков, что позволÑет Ñтроить ЦМРвыÑокой точноÑти (но Ñреднего проÑтранÑтвенного Ñ€Ð°Ð·Ñ€ÐµÑˆÐµÐ½Ð¸Ñ 20 м).
Кроме того, Ñпутник ENVISAT также вел многопроходную интерферометричеÑкую Ñъемку значительных территорий, в том чиÑле, РоÑÑии и Ñтран СÐГ, что позволÑет выÑтраивать 20–40 проходные интерферометричеÑкие цепочки Ñнимков Ð´Ð»Ñ Ð¼Ð¾Ð½Ð¸Ñ‚Ð¾Ñ€Ð¸Ð½Ð³Ð° Ñмещений и деформаций земной поверхноÑти и Ñооружений.
ÐšÐ¾Ð¼Ð¿Ð°Ð½Ð¸Ñ MDA (Канада) в 1995 году запуÑтила радарный Ñпутник RADARSAT-1 неÑколько иной концепции. Спутник мог веÑти Ñъемку Ñ Ð¿Ñ€Ð¾ÑтранÑтвенным разрешением от 100 до 7 м, под многими углами Ñъемки и Ñ Ñ€Ð°Ð·Ð½Ñ‹Ð¼Ð¸ площадÑми кадра. Ðаличие большого количеÑтва режимов Ñъемки позволÑло выполнÑть мониторинговые задачи, поÑкольку одна и та же Ñ‚ÐµÑ€Ñ€Ð¸Ñ‚Ð¾Ñ€Ð¸Ñ Ð¼Ð¾Ð³Ð»Ð° ÑниматьÑÑ Ð½Ðµ только через полный цикл орбиты (как в Ñлучае ERS-1 и ERS-2), но и через каждые 2–3 Ð´Ð½Ñ (но под разными углами Ñъемки). Другим принципиальным отличием от Ñпутников ESA ÑвлÑлаÑÑŒ Ð¾Ñ€Ð¸ÐµÐ½Ñ‚Ð°Ñ†Ð¸Ñ Ð½Ð° Ñъемку на заказ (в отличие от ERS и ENVISAT, ведущих более или менее регулÑрную Ñъемку вÑего земного шара). ПоÑтому Ð´Ð»Ñ RADARSAT-1 архивные Ñнимки как правило еÑть только на те территории, где выполнÑлаÑÑŒ Ñъемка на заказ.
ЛогичеÑким продолжением Ñпутника RADARSAT-1 Ñтал запущенный в 2007 г. Ñпутник RADARSAT-2 (MDA, Канада). Ðтот Ñпутник характеризуетÑÑ Ð¿Ñ€Ð¾ÑтранÑтвенным разрешением от 100 до 1 м, возможноÑтью Ñъемки во вÑех возможных полÑризационных режимах, широким диапазоном площадей кадров и очень выÑокой производительноÑтью, а также возможноÑтью мониторинговой Ñъемки через 2–3 днÑ. Главным преимущеÑтвом Ñтого радарного Ñпутника ÑвлÑетÑÑ Ð½Ð°Ð¸Ð»ÑƒÑ‡ÑˆÐµÐµ Ñреди вÑех радарных Ñпутников Ñоотношение «проÑтранÑтвенное разрешение — площадь Ñцены» (по ÑоÑтоÑнию на начало 2012 года). Так, в режиме Ñъемки Wide Fine проÑтранÑтвенное разрешение ÑоÑтавлÑет 7 м при размере Ñцены 150Ñ…170 км Ñ Ð²Ð¾Ð·Ð¼Ð¾Ð¶Ð½Ð¾Ñтью Ñъемки в двух полÑризациÑÑ… одновременно; в режиме Wide Ultrafine — разрешение 3 м при размере Ñцены 50Ñ…50 км, в режиме Spotlight A – разрешение 1 м при размере Ñцены 18Ñ…8 км.
ГерманÑкие Ñпутники ÑверхвыÑокого проÑтранÑтвенного Ñ€Ð°Ð·Ñ€ÐµÑˆÐµÐ½Ð¸Ñ TerraSAR-X и TanDEM-X (Astrium GEO-Information Services) также предлагают вÑе возможные режимы Ñъемки и комбинации полÑризаций Ñигнала, а также большой диапазон площадей кадров и углов Ñъемки. Среди важных оÑобенноÑтей Ñтого Ñпутника Ñледует отметить крайне выÑокую точноÑть Ð¾Ð¿Ñ€ÐµÐ´ÐµÐ»ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¾Ñ€Ð±Ð¸Ñ‚Ñ‹, а Ñледовательно и крайне низкую (ÑубпикÑельную) ошибку геолокации Ñнимков (еÑтеÑтвенно, Ñто ÑоблюдаетÑÑ Ñ‚Ð¾Ð»ÑŒÐºÐ¾ при иÑпользовании ЦМРв процеÑÑе геокодированиÑ). Ð”Ð»Ñ Ð¼Ð¾Ð½Ð¸Ñ‚Ð¾Ñ€Ð¸Ð½Ð³Ð° Ñмещений земной поверхноÑти и деформаций Ñооружений данные TerraSAR-X могут быть иÑпользованы только в уÑловиÑÑ… пуÑтынь, Ñтепей и заÑтроенных территорий, поÑкольку при Ñъемке в X-диапазоне Ñ Ð¿ÐµÑ€Ð¸Ð¾Ð´Ð¾Ð¼ 11 дней и более даже Ð½ÐµÐ·Ð½Ð°Ñ‡Ð¸Ñ‚ÐµÐ»ÑŒÐ½Ð°Ñ Ñ€Ð°ÑтительноÑть резко ухудшает когерентноÑть даже между ÑоÑедними по времени Ñъемками (полный цикл орбиты – 11 дней, а интерферометричеÑÐºÐ°Ñ Ð¾Ð±Ñ€Ð°Ð±Ð¾Ñ‚ÐºÐ° возможна Ð´Ð»Ñ Ñнимков, Ñделанных через целое чиÑло полных циклов орбиты). С запуÑком Ñпутника TanDEM-X в пару к Ñпутнику TerraSAR-X Ð´Ð»Ñ Ð²Ñ‹Ð¿Ð¾Ð»Ð½ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¾Ð´Ð½Ð¾Ð²Ñ€ÐµÐ¼ÐµÐ½Ð½Ð¾Ð¹ тандемной интерферометричеÑкой Ñъемки началÑÑ Ð¿Ñ€Ð¾ÐµÐºÑ‚ по поÑтроению беÑпрецедентной по точноÑти и проÑтранÑтвенному разрешению глобальной ЦМР, который должен завершитьÑÑ Ðº 2015 году.
Радиолокатор PALSAR, раÑположенный на ÑпонÑком Ñпутнике ALOS, в период Ñ 2006 г. по начало 2011 г. ÑвлÑлÑÑ ÐµÐ´Ð¸Ð½Ñтвенным Ñпутниковым радиолокатором L-диапазона. Он выполнÑл Ñъемку вÑей поверхноÑти Земли ежегодно по неÑкольку раз, поÑтому на любую точку на Земле, Ñкорее вÑего, найдетÑÑ Ð°Ñ€Ñ…Ð¸Ð² в 10–20 интерферометричеÑких проходов. Данные ALOS/PALSAR пригодны Ð´Ð»Ñ Ð¿Ð¾ÑÑ‚Ñ€Ð¾ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¦ÐœÐ Ð¸ мониторинга Ñмещений интерферометричеÑким методом, Ð´Ð»Ñ Ð¼Ð¾Ð½Ð¸Ñ‚Ð¾Ñ€Ð¸Ð½Ð³Ð¾Ð²Ñ‹Ñ… задач леÑного и ÑельÑкого хозÑйÑтва (по архивным данным) и Ñ‚. д. L-диапазон позволÑет дольше ÑохранÑть когерентноÑть, и, в некоторой Ñтепени, компенÑировать ее падение, вызванное влиÑнием раÑтительноÑти. Плотный Ð»ÐµÑ Ð¸ джунгли, вÑе же ÑвлÑÑŽÑ‚ÑÑ Ð¾Ð³Ñ€Ð°Ð½Ð¸Ñ‡ÐµÐ½Ð¸ÐµÐ¼ Ð´Ð»Ñ Ð¸Ð½Ñ‚ÐµÑ€Ñ„ÐµÑ€Ð¾Ð¼ÐµÑ‚Ñ€Ð¸Ð¸, даже в L-диапазоне. Значительным недоÑтатком ALOS/PALSAR ÑвлÑлоÑÑŒ отÑутÑтвие возможноÑти Ñъемки на заказ.
Одной из наиболее многофункциональных и интереÑных на ÑегоднÑшний день, по мнению автора, группировкой радарных Ñпутников ÑвлÑетÑÑ Ð³Ñ€ÑƒÐ¿Ð¿Ð¸Ñ€Ð¾Ð²ÐºÐ° из 4 Ñпутников COSMO-SkyMed 1-4 (E-GEOS, ИталиÑ). Среди оÑновных оÑобенноÑтей Ñтой группировки можно отметить чаÑтоту интерферометричеÑких Ñъемок до 8 раз в меÑÑц, наличие различных полÑризационных режимов, проÑтранÑтвенное разрешение до 1 м. Ð’Ñ‹ÑÐ¾ÐºÐ°Ñ Ñ‡Ð°Ñтота интерферометричеÑких Ñъемок, в чаÑтноÑти, позволÑет генерировать выÑококачеÑтвенные когерентные мультивременные композиты выÑокого разрешениÑ, находÑщие широкое применение в ÑельÑком и леÑном хозÑйÑтве, а также при мониторинге землепользованиÑ. Ðемаловажным фактором ÑвлÑетÑÑ Ñ‚Ð°ÐºÐ¶Ðµ очень Ð¿Ñ€Ð¸Ð²Ð»ÐµÐºÐ°Ñ‚ÐµÐ»ÑŒÐ½Ð°Ñ Ñ†ÐµÐ½Ð¾Ð²Ð°Ñ Ð¿Ð¾Ð»Ð¸Ñ‚Ð¸ÐºÐ°, оÑобенно, на данные выÑокого Ñ€Ð°Ð·Ñ€ÐµÑˆÐµÐ½Ð¸Ñ (3 м и 1 м) при заказе многопроходных новых Ñъемок (от 15 проходов над одной и той же территорией и больше).
Важной тенденцией в развитии Ñпутниковых Радарных ÑиÑтем (помимо Ð¿Ð¾Ð²Ñ‹ÑˆÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¿Ñ€Ð¾ÑтранÑтвенного Ñ€Ð°Ð·Ñ€ÐµÑˆÐµÐ½Ð¸Ñ Ð¸ ÑƒÐ²ÐµÐ»Ð¸Ñ‡ÐµÐ½Ð¸Ñ Ñ‡Ð¸Ñла режимов Ñъемки) ÑвлÑетÑÑ Ñ€Ð°Ñширение полÑризационных возможноÑтей, и, в оÑобенноÑти, поÑвление возможноÑти одновременной Ñъемки в четырех возможных полÑризациÑÑ… (Ñ‚Ð°ÐºÐ°Ñ Ñъемка позволÑет в дальнейшем генерировать так называемую полную полÑризационную матрицу). МногополÑризационные режимы Ñъемки, в чаÑтноÑти, открывают новые возможноÑти Ð´Ð»Ñ Ð¸ÑÐ¿Ð¾Ð»ÑŒÐ·Ð¾Ð²Ð°Ð½Ð¸Ñ Ñ€Ð°Ð´Ð°Ñ€Ð½Ñ‹Ñ… Ñъемок в задачах леÑного и ÑельÑкого хозÑйÑтва.
Планируемые к запуÑку радарные Ñпутники приведены в табл. 2.
Таблица 2. Планируемые к запуÑку радарные ÑпутникиÂ
Ðазвание Ñпутника |
Оператор | Диапазон
длин волн |
Планируемые
годы запуÑка |
ПроÑтранÑтвенное разрешение, м |
RISAT-1 | ISRO (ИндиÑ) | C | 2012 | 3–15 |
Sentinel-1 A/B | ESA (Европа) | C | 2013–2015 | 5–20 |
SAOCOM-1 A/B | CONAE (Ðргентина)
ASI (ИталиÑ) |
L | 2013–2015 | 5 |
ALOS-2 | JAXA (ЯпониÑ) | L | 2012–2013 | 3–15 |
COSMO-SkyMed-5/6/7/8 | ASI (ИталиÑ) | X | 2013–2015 | 1–15 |
RADARSAT constellation
mission (RCM) |
CSA, MDA (Канада) | C | 2014–2015 | 1–100 |
BIOMASS | ESA (Европа) | P | 2015–2017 | 50 |
ÐšÐ¾Ð¼Ð¿Ð°Ð½Ð¸Ñ Â«Ð¡Ð¾Ð²Ð·Ð¾Ð½Ð´Â» поÑтавлÑет данные Ñо вÑех вышеперечиÑленных радарных Ñпутников, а также предоÑтавлÑет программное обеÑпечение Ð´Ð»Ñ Ð¾Ð±Ñ€Ð°Ð±Ð¾Ñ‚ÐºÐ¸ радарных данных SARscape (SARMAP, ШвейцариÑ) и оказывает уÑлуги по тематичеÑкой обработке данных радарных Ñъемок, а также по обучению работе в SARscape.