Обзор современных радарных данных ДЗЗ

Ю. И. Кантемиров

Радарная космическая съемка в настоящее время выполняется в ультракоротковолновой (сверхвысокочастотной) области радиоволн, подразделяемой на X-, C-, и L-диапазоны (табл. 1). В ближайшие годы также планируется запуск первого космического радиолокатора P-диапазона (BIOMASS, Европейское космическое агентство — ESA).

Таблица 1. Диапазоны радиоволновой области электромагнитного спектра, в которых выполняется (или выполнялась) космическая съемка

Широкое применение спутниковых радарных данных началось в 1991 году с запуском спутника ERS-1 (ESA) с радиолокатором на борту. Первоначальная цель запуска этого первого гражданского спутникового радиолокатора среднего пространственного разрешения (20 м) определялась довольно узко и ограничивалась морскими приложениями (мониторинг ледовой обстановки, айсбергов,  судоходства, течений, нефтяных пятен и т. д.). Однако, уже после прохождения спутником нескольких полных циклов повторения орбиты выяснилось, что кроме морских приложений у этого радиолокатора имеется большой потенциал и для выполнения различных задач на суше.

Во-первых, на опытных участках были успешно построены цифровые модели рельефа (ЦМР) по результатам интерферометрической обработки пар радарных снимков, выполненных с временным интервалом, равным кратному числу полных циклов повторения орбиты. Однако, для большинства типов ландшафтов (кроме пустынь) когерентность (мера корреляции фаз радарных снимков) для построения ЦМР оказывалась недостаточной, поскольку минимально возможный период между интерферометрическими съемками составлял один полный цикл повторения орбиты, то есть 35 дней во время основной фазы эксплуатации С, и 3 дня во время фаз эксплуатации A, B и D.

В том числе поэтому, в пару к ERS-1 был запланирован запуск спутника ERS-2, а вместе они должны были составить тандемную пару спутников, способных выполнять тандемную интерферометрическую съемку одной и той же территории с временным интервалом в 1 сутки. В тандемном режиме пара этих спутников проработала около года (1995–1996 гг.). Затем, с выходом из строя определенного оборудования на спутнике ERS-1 тандемная миссия официально закончилась. Фактически же тандемные съемки продолжались до марта 2000 г., когда прекратилась эксплуатация ERS-1, хотя в интерферометрической обработке тандемных пар после 1996 г. возникают некоторые дополнительные трудности. Всего тандемом ERS-1 – ERS-2 отснята большая часть земного шара, иногда по несколько раз.

Еще одним важным практическим применением спутниковых радиолокаторов стал мониторинг смещений земной поверхности по результатам дифференциальной интерферометрической обработки. Если учесть, что спутник ERS-1 выполнял съемку с 1991 г., а спутник ERS-2 находился на орбите до середины 2011 г., а также то, что эти два спутника находились на примерно одной и той же орбите и производили радарную съемку одинаковым сенсором SAR, то на значительную часть земного шара имеются многопроходные интерферометрические цепочки снимков за период с 1991 по 2011 гг. Так, например, многие европейские города снимались каждый месяц с 1995 г. (а с 1991 г. по 5–10 раз в год). То есть, в настоящее время имеются 100- или 200-проходные цепочки радарных снимков, которые, в случае достаточной когерентности (например, в случае застроенных территорий), могут быть обработаны всеми возможными дифференциальными интерферометрическими методиками, описанными ниже, с получением на выходе карт смещений и деформаций земной поверхности и сооружений за период до 20 лет. На территорию России и стран СНГ нередко имеются 30–40 проходные, и практически всегда 15–20 проходные цепочки таких снимков.

В 2002 году ESA был запущен спутник ENVISAT, с радиолокатором ASAR на борту, который представлял собой следующее поколение спутников по сравнению с ERS-1 и ERS-2. Этот спутник характеризуется большим количеством углов и режимов съемки, возможностью съемки в разных поляризациях (в т. ч., в двух одновременно) и в широкополосном режиме. При этом снимки, сделанные в режиме Image Mode в полосе съемки IS2 и с поляризацией VV интерферометрически совместимы со снимками ERS-1 и ERS-2. Эта особенность позволила в течение нескольких временных периодов организовать тандемную съемку ERS-2 — ENVISAT с временным интервалом в 30 минут на больших базовых линиях. Съемка в таком режиме характеризуется крайне высоким фазовым разрешением интерферограмм по высоте и при этом довольно высокой когерентностью фаз этих снимков, что позволяет строить ЦМР высокой точности (но среднего пространственного разрешения 20 м).

Кроме того, спутник ENVISAT также вел многопроходную интерферометрическую съемку значительных территорий, в том числе, России и стран СНГ, что позволяет выстраивать 20–40 проходные интерферометрические цепочки снимков для мониторинга смещений и деформаций земной поверхности и сооружений.

Компания MDA (Канада) в 1995 году запустила радарный спутник RADARSAT-1 несколько иной концепции. Спутник мог вести съемку с пространственным разрешением от 100 до 7 м, под многими углами съемки и с разными площадями кадра. Наличие большого количества режимов съемки позволяло выполнять мониторинговые задачи, поскольку одна и та же территория могла сниматься не только через полный цикл орбиты (как в случае ERS-1 и ERS-2), но и через каждые 2–3 дня (но под разными углами съемки). Другим принципиальным отличием от спутников ESA являлась ориентация на съемку на заказ (в отличие от ERS и ENVISAT, ведущих более или менее регулярную съемку всего земного шара). Поэтому для RADARSAT-1 архивные снимки как правило есть только на те территории, где выполнялась съемка на заказ.

Логическим продолжением спутника RADARSAT-1 стал запущенный в 2007 г. спутник RADARSAT-2 (MDA, Канада). Этот спутник характеризуется пространственным разрешением от 100 до 1 м, возможностью съемки во всех возможных поляризационных режимах, широким диапазоном площадей кадров и очень высокой производительностью, а также возможностью мониторинговой съемки через 2–3 дня. Главным преимуществом этого радарного спутника является наилучшее среди всех радарных спутников соотношение «пространственное разрешение — площадь сцены» (по состоянию на начало 2012 года). Так, в режиме съемки Wide Fine пространственное разрешение составляет 7 м при размере сцены 150х170 км с возможностью съемки в двух поляризациях одновременно; в режиме Wide Ultrafine — разрешение 3 м при размере сцены 50х50 км, в режиме Spotlight A – разрешение 1 м при размере сцены 18х8 км.

Германские спутники сверхвысокого пространственного разрешения TerraSAR-X и TanDEM-X (Astrium GEO-Information Services) также предлагают все возможные режимы съемки и комбинации поляризаций сигнала, а также большой диапазон площадей кадров и углов съемки. Среди важных особенностей этого спутника следует отметить крайне высокую точность определения орбиты, а следовательно и крайне низкую (субпиксельную) ошибку геолокации снимков (естественно, это соблюдается только при использовании ЦМР в процессе геокодирования). Для мониторинга смещений земной поверхности и деформаций сооружений данные TerraSAR-X могут быть использованы только в условиях пустынь, степей и застроенных территорий, поскольку при съемке в X-диапазоне с периодом 11 дней и более даже незначительная растительность резко ухудшает когерентность даже между соседними по времени съемками (полный цикл орбиты – 11 дней, а интерферометрическая обработка возможна для снимков, сделанных через целое число полных циклов орбиты). С запуском спутника TanDEM-X в пару к спутнику TerraSAR-X для выполнения одновременной тандемной интерферометрической съемки начался проект по построению беспрецедентной по точности и пространственному разрешению глобальной ЦМР, который должен завершиться к 2015 году.

Радиолокатор PALSAR, расположенный на японском спутнике ALOS, в период с 2006 г. по начало 2011 г. являлся единственным спутниковым радиолокатором L-диапазона. Он выполнял съемку всей поверхности Земли ежегодно по нескольку раз, поэтому на любую точку на Земле, скорее всего, найдется архив в 10–20 интерферометрических проходов. Данные ALOS/PALSAR пригодны для построения ЦМР и мониторинга смещений интерферометрическим методом, для мониторинговых задач лесного и сельского хозяйства (по архивным данным) и т. д. L-диапазон позволяет дольше сохранять когерентность, и, в некоторой степени, компенсировать ее падение, вызванное влиянием растительности. Плотный лес и джунгли, все же являются ограничением для интерферометрии, даже в L-диапазоне. Значительным недостатком ALOS/PALSAR являлось отсутствие возможности съемки на заказ.

Одной из наиболее многофункциональных и интересных на сегодняшний день, по мнению автора, группировкой радарных спутников является группировка из 4 спутников COSMO-SkyMed 1-4 (E-GEOS, Италия). Среди основных особенностей этой группировки можно отметить частоту интерферометрических съемок до 8 раз в месяц, наличие различных поляризационных режимов, пространственное разрешение до 1 м. Высокая частота интерферометрических съемок, в частности, позволяет генерировать высококачественные когерентные мультивременные композиты высокого разрешения, находящие широкое применение в сельском и лесном хозяйстве, а также при мониторинге землепользования. Немаловажным фактором является также очень привлекательная ценовая политика, особенно, на данные высокого разрешения (3 м и 1 м) при заказе многопроходных новых съемок (от 15 проходов над одной и той же территорией и больше).

Важной тенденцией в развитии спутниковых Радарных систем (помимо повышения пространственного разрешения и увеличения числа режимов съемки) является расширение поляризационных возможностей, и, в особенности, появление возможности одновременной съемки в четырех возможных поляризациях (такая съемка позволяет в дальнейшем генерировать так называемую полную поляризационную матрицу). Многополяризационные режимы съемки, в частности, открывают новые возможности для использования радарных съемок в задачах лесного и сельского хозяйства.

Планируемые к запуску радарные спутники приведены в табл. 2.

Таблица 2. Планируемые к запуску радарные спутники 

Компания «Совзонд» поставляет данные со всех вышеперечисленных радарных спутников, а также предоставляет программное обеспечение для обработки радарных данных SARscape (SARMAP, Швейцария) и оказывает услуги по тематической обработке данных радарных съемок, а также по обучению работе в SARscape.