В даний час йде активний розвиток ринку даних дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) в різних напрямках: це і можливість використання нових, раніше недоступних даних, і поява нових технологій обробки, нових рішень на базі даних ДЗЗ. Сьогодні можна чітко виділити два кілька відокремлених напрямки отримання просторової інформації про земну поверхню: зйомка у видимій та інфрачервоній зонах спектра - пасивне ДЗЗ (за винятком теплового ІК діапазону) і зйомка в сантиметровому (радіо) діапазоні - активне ДЗЗ. Дані, одержувані в оптичній області спектра, використовуються дуже широко і технології їх обробки добре розроблені, на відміну від радіолокаційних даних, активне застосування яких для вирішення широкого кола завдань - від класифікації і до побудови точних цифрових моделей місцевості / рельєфу (ЦММ / ЦМР) і карт зсувів земної поверхні - тільки починається в Росії. Можна виділити ряд основних тенденцій розвитку в цій області:
- Збільшення просторового дозволу, і як результат точностних характеристик радарних даних.
- Зменшення періоду між повторними зйомками.
- Можливість інтерферометричної зйомки.
- Можливість многополярізаціонной зйомки.
- Використання даних, отриманих в різних діапазонах різними сенсорами.
- Запуск тандемних місій для проведення одноразової інтерферометричної зйомки.
В даний час на орбіті перебуває 8 радарних космічних апаратів (КА), дані з яких доступні користувачам. Як і у випадку з оптичними даними, для досягнення хороших результатів при вирішенні різних завдань необхідно коректно вибрати вихідні дані. Мета цієї статті, показати які сучасні радарні дані представлені на ранці ДЗЗ, і які класи завдань можна вирішувати за допомогою тих чи інших даних.
Особливості радіолокаційних даних
Супутникове радіолокаційне дистанційне зондування проводиться в радіодіапазоні: довжини хвиль від 1 мм до 1 метра, частоти від 0.3 до 300 ГГц. Сенсор направляє промінь енергетичних імпульсів на об'єкт (близько 1500 імпульсів в секунду). Частина імпульсів відбивається назад від об'єкта, і система вимірює як зворотний сигнал, так і відстань до цілі в залежності від часу проходження сигналу до мети і назад. Для радіолокації використовують довжини хвиль, певні наступним чином (таблиця 1):
Таблиця 1. Мікрохвильовий радіодіапазон
Діапазони Ka, K і Ku використовуються для радіолокаторів, розташованих на повітряних радарних системах, але вони вже досить рідкісні. Діапазони X, C і L використовуються для отримання даних як з літаків, так і з космосу, S і P застосовуються тільки для зондування із супутників. Радіосигнал здатний проникати через хмарність і дощові краплі, ця здатність визначається довжиною хвилі. Сигнал з довжиною хвилі більше 2 см гарантовано проникає через хмарність, при довжині хвилі 3-4 см і більше сигнал проникає і через дощ. Довжина хвилі істотно впливає на амплітуду відбитого радіолокаційного сигналу, а також на характеристики зворотного розсіювання від підстильної поверхні. Робота на довших радіохвилях (L-діапазон) забезпечує сильні відбиті сигнали головним чином для більших об'єктів земної поверхні, а також часткове проникнення радіохвиль крізь сніговий і рослинний покриви і, за певних умов, через пісок і грунт. Більш короткі хвилі (C- і X-діапазони) корисні для виявлення меж малих об'єктів місцевості, крім того, випромінювання на в цих діапазонах має тенденцію більш сильно відбиватися рослинним і сніжним покривами, а також грунтом.
а) Спотворення похилій дальності
б) Ефект складки
г) Радіолокаційна тінь
Мал. 1. Ефекти, що виникають на радарних знімках обумовлені геометрією зйомки і рельєфом місцевості
Геометрія зйомки для радарних систем істотно відрізняється від оптичних, так як зйомка виконується при значному відхиленні від надира. Для радарних даних система координат знімка виглядає наступним чином: азимут - напрямок, паралельне траєкторії і дальність - похиле відстань від сенсора до поверхні. Значення кутів зйомки змінюються в залежності від сенсорів і режимів зйомки і можуть досягати від 8 ° до 60 °, така геометрія зйомки викликає ряд геометричних спотворень на знімках (рис. 1): спотворення похилій дальності (нерівномірність дозволу знімка по дальності), ефект складки, переналоженія і радіолокаційні тіні. Усунення цих ефектів виконується при ортотрансформірованіі даних по точної ЦМР. На рис. 2 приведені два зображення, наочно демонструють значні відмінності в геометрії зйомки між радіолокаційними і оптичними даними.
Радарні зображення мають ряд радіометричних особливостей: на знімках навіть для однорідної поверхні виявляються значні варіації рівня яскравості між сусідніми пікселями, створюючи зернисту текстуру. Це - спекл-шум, який виникає через те, що результуюче зображення конкретного пікселя виходить в результаті складання безлічі значень, так як антена сенсора синтезується. При отриманні зображень використовується принцип радіолокації з синтезованою апертурою (РСА, або SAR). Всі сучасні датчики - це SAR системи, і на всіх радарних зображеннях присутня спекл-шум. Застосування саме SAR систем викликано тим, що при невеликих розмірах реальних антен КА неможливо отримати високу просторову роздільну здатність. При використанні ж синтезованої апертури, коли антена синтезується на досить великій ділянці орбіти, вдається досягти високого просторового дозволу. Спекл-шум (зернистість на рис. 3) - це мультиплікативне спотворення, тобто, чим сильніше сигнал, тим сильніше спотворення. Для усунення спекл-шуму використовуються різні типи фільтрації.
а) TerraSAR-X (режим SCANSAR, просторову роздільну здатність 16 м)
б) Landsat-7 (комбінація каналів: 3-2-1, просторову роздільну здатність 30 м)
Мал. 2. Порівняння радарного знімка і знімка у видимій зоні спектра
Поряд зі спекл-шумом, на зображенні присутні радіометричні спотворення, викликані геометрією зйомки. Так як зйомка проводиться під різними кутами для різних точок знімка, то з'являється неоднорідність яскравості по полю знімка: при малому куті - яскравіше, ніж при більшому куті зйомки (див. Рис. 3). Дане спотворення усувається шляхом введення різних коефіцієнтів посилення антени по полю знімка.
Ще одна група спотворень викликана геометрією зйомки і рельєфом поверхні: це області затінення і переналоженій, вони відносяться до геометричних спотворень, але також впливають на радіометр.
Багато хто з сучасних радарних супутникових систем ДЗЗ (ALOS-PALSAR, TerraSAR, Radarsat-2 та ін.) Дозволяють отримувати зображення при різній поляризації випромінювання. Поляризація визначається орієнтацією вектора електромагнітної індукції, при взаємодії з об'єктом поляризація змінюється і несе в собі інформацію про об'єкт.
Паралельна поляризація: випромінений і прийнятий сигнал має одну і ту ж поляризацію: HH і VV (з якою поляризацією опромінюється поверхню, з такою ж поляризацією приймається обратноотраженное випромінювання), такі типи поляризації мають тенденцію фіксувати зворотне розсіювання хвиль від об'єктів, орієнтованих в тому ж самому напрямку, що і падаюча хвиля.
Кроссполярізація: випромінений і прийнятий сигнал мають різну поляризацію: HV і VH (опромінення поверхні йде при одній поляризації, а приймається відбитий сигнал з іншого поляризацією), такі типи поляризації дозволяють фіксувати відбиті сигнали, які утворюються в результаті об'ємного розсіювання, яке деполяризує енергію, як наприклад , в разі сигналів, відбитих від земної поверхні і стовбурів дерев. На рис.4 схематично показаний принцип кроссполярізаціі.
Зображення, одержувані при різних поляризаціях випромінювання, дозволяють більш коректно проводити класифікацію об'єктів підстильної поверхні. Як видно з наведеного прикладу (рис. 5) при використанні ложноцветового поляриметричного композитного зображення ми можемо чітко класифікувати об'єкти: блакитні і сині тони - це низькоросла рослинність, червоні - ліс, зелені - болотна рослинність, більш темні відтінки свідчать про зволоження поверхні. В даному випадку по знімку з одиничною поляризацією розрізнити низькорослу рослинність і ліс досить складно - тонові відмінності мінімальні.
а) Поляризація НН
б) Композитний поляриметричної зображення HV-HH-VV
Мал. 5. ALOS PALSAR PLR
Порівняльний огляд сучасних радіолокаційних систем
В даний час на орбіті знаходяться 8 радіолокаційних КА, дані з яких доступні користувачам, також досить велика кількість апаратів планується до запуску в найближчі кілька років. У таблиці 2 наведено ряд основних характеристик радарних систем: діапазон, періодичність зйомки, максимальне просторове дозвіл, відповідна йому смуга захоплення, а також можливість поляриметричної зйомки.
Таблиця 2. Сучасні та перспективні радарні системи ДЗЗ
ПР - максимальне просторове дозвіл, яке дає система
ПС - смуга зйомки, відповідного режиму
ПЛ - можливість поляриметричної зйомки (- немає, + є, +/- частково, н / д - немає даних)
* - питання комерційного поширення даних на території Росії уточнюється
Існуючі дані можна розділити за кількома групами: 1 - дані середнього дозволу (ERS і ENVISAT), 2 - з високою роздільною здатністю (Radarsat і ALOS PALSAR) і 3 - надвисокої роздільної здатності (TerraSAR-X, COSMO-SkyMed). Всі наведені супутники також мають можливість проводити зйомку з більш низьким дозволом, але більшій території (в таблиці наведено найкраще дозвіл). Важливим параметром є період повторення орбіти - це мінімально можливий період для отримання інтерферометричної пари радіолокаційних знімків тих чи інших сенсором, або для отримання знімка території при однаковій геометрії. Мінімальний період на сьогоднішній день - 11 днів має супутник TerraSAR-X, максимальний ALOS - 46 днів. В останній колонці показана можливість сенсорів отримувати поляриметричні дані.
Слід зазначити, що для всіх, хто знаходиться на орбіті сенсорів, за винятком ALOS-PALSAR, існує можливість замовлення нової зйомки, причому дати проведення зйомки узгоджуються з замовником. Що стосується даних ALOS-PALSAR, зйомка даними апаратом земної поверхні виконується за спеціальною програмою і архів даних постійно поповнюється. На рис. 6 наведено план зйомок Земний поверхні КА ALOS (PALSAR) в трьох основних режимах.
Як видно з наведеного плану (рис. 6), зйомка території Росії ведеться і планується регулярно. Основними знімальними режимами є FBS (одинична поляризація) і FBD (подвійна поляризація). Зйомка в широкосмуговому режимі (WS, дозвіл 100 м), також проводиться на регулярній основі.
Вартість радіолокаційних даних варіюється в залежності від роздільної здатності і сенсора. У таблиці 3 наведена узагальнена інформація за основними технічними параметрами і вартості радіолокаційних даних, одержуваних різними SAR-системами.
Таблиця 3. Основні технічні параметри і вартість радіолокаційних даних
1 - знак / значить, що вибирається якась одна поляризація із зазначених
2 - вартість даних вказана без урахування ПДВ
3 - для різних супутників, дані є архівними після закінчення таких строків:
TerraSAR-X: HighSpot і SpotLight - 6 місяців, StripMap і ScanSAR - 12 місяців;
Radarsat-1,2: після виконання зйомки;
ALOS-PALSAR: після виконання зйомки;
ENVISAT, ERS-2: після виконання зйомки
4 - стандартний режим зйомки. При замовленні нової зйомки для ряду супутників існує поняття пріоритетною зйомки, при якій вартість даних збільшується.
5 - при замовленні даних Radarsat-2 можливо вибрати одиничну або подвійну поляризацію, за подвійну - доплата в розмірі 5000 руб.
Як видно з наведених вище таблиць (2 і 3) на ринку представлені досить різноманітні дані, як з дозволу, діапазонами зйомки, так і за вартістю. З цих причин при використанні радіолокаційних даних важливо правильно вибирати необхідні знімки для вирішення конкретних завдань.