Сосна обыкновенная (сосна лесная)

Диапазон

Длина волны (см)

Частота (Гц)

Ка

0,8-1,1

40,0-26,0

К

1,1-1,7

26,5-18,5

Ku

1,7-2,4

18,5-12,5

X

2,4-3,8

12,5-0,8

C

3,8-7,5

8,0-4,0

S

7,5-15,0

4,0-2,0

L

15,0-30,0

2,0-1,0

P

30,0-100,0

1,0-0,3

Рис. 1.1 - Рассеивающие поверхности в зависимости от частоты падающих волн

На рис. 1.1 показаны поверхности, от которых рассеиваются падающие электромагнитные волны с различной частотой.

Диэлектрические свойства материала влияют на интенсивность отраженного сигнала. Коэффициент диэлектрической проницаемости характеризует способность материала поглощать электрическую энергию и зависит от используемой частоты. Различие значений коэффициентов для разных материалов обусловливает возможность их выявления при помощи SAR (табл. 2).

Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация - это передаваемый и получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости. Поляризация излучения, свойство, присущее радарным системам. При линейной поляризации плоскости могут располагаться горизонтально (H) и вертикально (V).

Вертикально поляризованная волна будет взаимодействовать с вертикальными стеблями слоя растений, горизонтально поляризованная проникать сквозь слой. Комбинирование разных видов поляризации может улучшать детальность классификации, например, позволять определять различные классы растительности /2/.

Таблица 1.2 - Коэффициенты диэлектрической проницаемости для различных материалов

Очень важно правильно подобрать вид поляризации для каждого конкретного проекта, чтобы улучшить характеристики результирующего продукта. В SAR-системах применяется геометрия боковой съемки, в отличие от оптических систем, формирующих снимки центральной проекции. При боковой съемке расстояния до цели определяют географическое положение в соответствии с измеряемой разностью времени прохождения сигнала. Поэтому последовательность получения пикселей может быть нарушена в районах с сильно выраженным рельефом или в условиях городской застройки. Боковое разрешение зависит только от ширины частотного диапазона (150 и 300 МГц) и угла падения луча (Ground range). Пространственное разрешение улучшается с увеличением угла падения луча. При азимутальной съемке сигналы, имеющие одинаковое время прохождения, расположены в правильной последовательности в соответствии со сдвигом их частоты, определяемым эффектом Доплера. Пространственное разрешение регулируется за счет изменения апертуры. Азимутальное разрешение постоянно вдоль маршрута и зависит от режима съемки, размера антенны и частоты повторения импульсов. Данные одиночной наклонной съемки (Single-look, slant, range, complex) имеют более высокое разрешение /4/.

Интерферометрические измерения проводятся с использованием пар снимков одной территории, полученных при разных положениях сенсора. В настоящее время для формирования таких пар используется 11-дневный цикл повторного пролета TerraSAR-X-1, когда спутник оказывается на той же орбите. Необходимы SSC-данные для получения информации об интенсивности и фазе излучения. Базис между двумя изображениями и качество интерферометрической фазы являются определяющими для точности результирующей цифровой модели местности (ЦММ). Извлекаемая ЦММ содержит составляющую, обусловленную поверхностью растительности, т. е. не является цифровой моделью рельефа. Интерферометрические (INSAR) технологии могут использоваться только при хорошей схожести парных изображений (пустыни, скалистая местность). INSAR с 11-дневным циклом не применимы для тропического климата, нарушение связей (схожести) за этот период препятствует работе с интерферометрией /1/.

2. СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

К современным тенденциям в области радиолокации можно отнести следующие основные направления: использование радиолокационных данных в различных отраслях в качестве пространственной основы для решения широкого круга задач, в том числе совместно с данными оптического диапазона; получение данных в режиме реального времени с задержкой буквально на несколько часов; создание высокоточных цифровых моделей местности (тандемные комплексы); определение просадок и подвижек земной поверхности с высокой точностью; применение поляриметрических данных; использование новых диапазонов и подходов в обработке данных. Происходит активное развитие общемировой группировки коммерческих радиолокационных систем. В 2005 г. на орбите находилось только три космических аппарата с системами среднего разрешения, работающих в радиодиапазоне. В настоящее время доступны данные восьми радиолокационных систем, причем пространственное разрешение изображений, получаемых с их помощью, достигает 1 м.

Рассматривая современные тенденции в радиолокационном дистанционном зондировании земной поверхности, нельзя не отметить активное развитие именно спутникового сегмента, а не только технологий обработки данных. Круг задач, решаемых с помощью радиолокационных данных, постоянно расширяется, что требует использования данных с новыми параметрами. В табл. 2.1 представлена обобщенная информация о современных и перспективных радиолокационных системах. Некоторые из них рассмотрим более подробно, так как они являются уникальными и в будущем позволят получать данные для решения принципиально нового класса задач.

Таблица 2.1 - Перспективные и действующие радиолокационные системы

Продукция спутника TerraSAR-X-1 имеет четыре основных уровня обработки. Single-look, slant, range, complex (SSC) набор данных одиночной наклонной съемки. Предназначен для приложений, в которых востребована информация о фазе и ширине полосы частот, имеет следующие характеристики:

равноудаленный пиксельный интервал в азимутальном и наклонном диапазонах съемки;

данные представлены как совокупность чисел;

каждый пиксель изображения считается перпендикулярным маршруту полета спутника;

данные не геопривязаны;

представлена полная информация о фазе и ширине полосы частот /3/.

Некоторые радиолокационные системы, так как они являются уникальными и в будущем позволят получать данные для решения принципиально нового класса задач. Система TanDEM_X служит дополнением к системе TerraSAR-X и предназначена для измерения высот на земной поверхности. В настоящее время она является одной из наиболее ожидаемых космических радиолокационных систем, так как в результате совместного использования TerraSAR-X и TanDEM_X будет получена глобальная высокоточная цифровая модель местности (ЦММ), не имеющая аналогов, а также появится возможность получать данные для построения ЦММ на конкретные регионы независимо от метеоусловий. Комплекс TerraSAR-X - TanDEM_X - это первый бистатический космический интерферометр, в котором земная поверхность облучается радиолокатором с одного спутника, а регистрируется радиолокаторами двух спутников (рис 2.1).

Рис. 2.1 - Тандемная пара радарных аппаратов

Он создается для достижения ряда целей. Основной целью является создание глобальной цифровой модели местности (90% поверхности Земли) стандарта HRTI_3 и региональных ЦММ более высокой точности стандарта HRTI_4. Среди дополнительных можно отметить следующие цели: поляриметрическую интерферометрию, достижение супер разрешения, отработку различных бистатических режимов, интерферометрию при использовании мультипространственной базовой линии (Multi, Baseline, InSAR), интерферометрию вдоль орбиты (Along, Track, Interferometry), получение данных при использовании четырех фазовых центров (за счет разделения антенны на две, на каждом спутнике). Комплекс TerraSAR-X - TanDEM_X за три года должен обеспечить многократную съемку земной поверхности, по результатам которой будет создана глобальная цифровая модель местности с относительной точностью по высоте 2 м для равнинных территорий и 4 м для горных районов. Точность ЦММ будет являться беспрецедентной для глобального покрытия /2/.

В настоящее время ближайшим аналогом ЦММ, можно назвать построенную по интерферометрическим радиолокационным данным (C) диапазона системы SRTM (2000 г.) Как известно, в системе SRTM съемка проводилась и в X диапазоне, но ввиду небольшой полосы захвата полученное покрытие содержало значительные пропуски (хотя уровень точности выше, чем для данных (С) диапазона). SRTM имеет ограничения по широте 600, поэтому Антарктика, а также большинство северных территорий (что актуально для России), не обеспечены достаточно точной высотной информацией.

Космические аппараты серии SENTINEL являются новым проектом Европейского космического агентства и, в первую очередь, предназначены для получения регулярных данных через каждые 12 дней (один Комплексный Аппарат). В 2011 г. запланирован запуск Комплексных Аппаратов Sentinel_1, а затем - Комплексный Аппарат Sentinel_2. С помощью двух Комплексных Аппаратов появится возможность получать снимки земной поверхности с периодичностью в 6 дней. Такая периодичность съемки позволит выйти на новый уровень в интерферометрической обработке данных. Одной из тенденций развития съемочных систем является получение данных в широкой полосе, но при этом с достаточно высоким разрешением. В режиме, предназначенном именно для интерферометрии, съемка будет проводиться в полосе 250 км с пространственным разрешением 5х20 м. Таким образом, одна сцена будет иметь площадь более 60 тыс. км2 и в совокупности с высокой периодичностью съемки это позволит достичь качественных результатов по выявлению малейших подвижек и просадок земной поверхности на значительных территориях.

Система BIOMASS также разрабатывается Европейским космическим агентством и предназначена для картографирования и мониторинга лесной растительности в глобальном масштабе. Съемка земной поверхности проводиться в (P) диапазоне длин волн (около 70 см) при полной поляризации излучения. Уникальность системы BIOMASS состоит в том, что она впервые будет проводить космическую радиолокационную съемку в (P) диапазоне, который наилучшим образом обеспечивает решение задач, связанных с исследованием растительного покрова.

В настоящее время отсутствуют космические радиолокационные системы, работающие одновременно в двух диапазонах. Первой подобной системой станет CoRe_H2O, предназначенная для исследования снеговых и влагозапасов холодных регионов. В ней будут использованы коротковолновые диапазоны (X) и (Ku), которые обеспечивают существенно меньшую проникающую способность излучения (для данного случая в снежный и ледовый покровы), чем диапазоны с большей длиной волны /2/.

3. Передовые направления в обработке и применении Радиолокационных данных

В настоящее время происходит активное развитие различных направлений и методик обработки радиолокационных данных (SAR_данных), причем большое число из них еще находится на экспериментальном, и даже на теоретическом уровнях. Рассмотрим наиболее перспективные из них, с точки зрения практического использования /2/.

радиолокационный съёмка топографический карта

3.1 Данные радиолокационной съёмки - как пространственная основа

Упор делается на минимизацию времени, проходящем между размещением заказа и поставкой данных заказчику. Причем речь идет как об изображениях (исправленных геометрически и радиометрически), так и о готовой конечной картографической продукции, такой как: топографические, ситуационные и тематические карты, карты изменений местности (в большей степени двухмерные). Изучение вертикальных просадок и подвижек является отдельным направлением. При этом обработка радиолокационных данных максимально автоматизируется (в первую очередь, в области выявления 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 сжатые сроки - в течение нескольких дней /1/.

3.2 Измерение высот объектов местности, построение высокоточных ЦММ и ЦМР

Методика определения высот объектов на радиолокационных изображениях называется SAR_tomography (рис. 3.1). Ее сущность заключается в определении высот объектов по серии изображений (около 5) и по одним и тем же объектам -отражателям (наподобие методики Persistent Scatterers). Используя данный метод, можно получить точные высоты объектов (как правило, объекты городской или промышленной застройки), но не цифровую модель местности.

Интерферометрическая обработка радиолокационных данных позволяет получать цифровые модели местности для любых территорий, причем с высокой точностью (до нескольких метров по высоте), что является важным, так как актуальная информация о рельефе необходима для решения большого числа задач, от ортотрансформирования космических изображений до создания трехмерных моделей местности (рис. 3.1).

Рис. 3.1 - Иллюстрация методики SAR-tomography, представленная в среде GoogleEarth (цвет точек соответствует высотам объектов на местности)

radar topographic mission (SRTM) - радарная топографическая съемка большей части территории земного шара, за исключением самых северных, самых южных широт, а также океанов, произведенная за 11 дней в феврале 2000г с помощью специальной радарной системы. Двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR, было собрано более 12 терабайт данных (что примерно равно объему информации библиотеки конгресса). В течение этого времени с помощью метода называемого радарной интерферометрией (radar interferometry) было собрано огромное количество информации о рельефе Земли, ее обработка продолжается до сих пор. Но определенное количество информации уже доступно пользователям. нашли широкое применение; при отображении рельефа постройке трёхмерных карт с отмывкой, что делает более наглядным рельеф; возможность привязки отсканированного картографического материала.

В качестве иллюстрации приведем 3D-модель, созданную по данным двух матриц SRTM в среде программы GlobalMapper (рис. 3.2).

Рис. 3.2 - 3D-модель по данным SRTM

Еще одним направлением является исследование растительного покрова, в частности, определение высот деревьев. Комбинация интерферометрических и поляриметрических данных позволяет извлечь информацию о вертикальной структуре лесного покрова. На рис. 3.1 приведена карта с высотами растительного покрова. Описанная методика уже отработана на самолетных радиолокационных данных, а ее реализация на основе спутниковой съемки еще исследуется.

Рис. 3.3 - Карта (картограмма) высот растительности

3.3 Мониторинг объектов на поверхности земли

Методика определения просадок земной поверхности и сооружений на

ней, основанная на совместном выявлении постоянных объектов (отражателей) на большой серии снимков (Persistent Scatterers), стала активно применяться относительно недавно. Причем для обработки использовались только снимки среднего пространственного разрешения. С появлением данных нового поколения с разрешением 1-3 м данная методика получила дальнейшее развитие, так как высокое разрешение обеспечивает на порядок боль шее количество объектов (отражателей) на 1 км2, 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 Scatterers). Классическая дифференциальная интерферометрия также остается актуальной для данных сверхвысокого разрешения. Изменения коснулись масштабов обработки: появилась возможность исследовать деформации отдельных крупных сооружений. На рис.5 приведен пример мониторинга деформаций здания конгресс-центра в Лас-Вегасе, США, по данным TerraSAR-X, выполненным в режиме съемки SpotLight. На интерферограмме (рис. 3.4), полученной за 44 дня, видны вертикальные смещения - одна цветовая полоса соответствует величине смещения в 1,55 см.

Рис. 3.4 - Пример мониторинга деформаций здания конгресс-центра: а) амплитудное изображении; б) модель исследуемого здания; в) интерферограмма

Дифференциальная радиолокационная интерферометрия позволяет получать уникальные данные о просадках земной поверхности с высокой точностью, что является альтернативой дорогостоящим и трудозатратным наземным геодезическим измерениям /1/.

Радиолокационные данные позволяют обнаруживать пространственное положение нефтяных разливов на различных водоемах , так как нефтяная пленка сглаживает обычно неспокойную водную поверхность и, как следствие, изображения этих участков морской и речной водной поверхности получаются высококонтрастными. Обыкновенно анализ радиолокационного изображения с целью выявления загрязнений начинается с детектирования на нем «подозрительных» областей. Затем - классификация нефтяных загрязнений, естественных ликов, имеющих биологическую природу (продукты жизнедеятельности, планктон и проч.) и поверхность воды под влиянием неблагоприятных для съемки условий. Следующий этап - определение границ и подробный анализ, который может включать в себя определение толщины пленки, ее природу, физические характеристики (разумеется, с использованием дополнительной информации) /6/.

Радиолокационные данные, особенно получаемые при нескольких поляризациях, позволяют выделять площади лесных массивов, выявлять вырубки и гари, проводить оценочную классификацию лесов по составу пород и по высоте древостоев.

Мониторинг городской инфраструктуры предусматривает оценку стабильности планового и высотного положения различных объектов и инженерных сооружений на территории городов. Речь идет, в первую очередь, о выявлении вертикальных просадок зданий, эстакад, мостовых, тоннельных сооружений и т.д. Для этих целей наибольшую эффективность обеспечивает использование методики Persistent Scatterers /2/.

Высокая отражательная способность металлических конструкций, в данном случае морских и речных судов, позволяет с высокой степенью достоверности обнаруживать корабли на радиолокационных изображениях даже среднего пространственного разрешения (рис. 14). Для данной задачи используется автоматизированная методика, позволяющая определить положение судна в конкретный момент времени, направление его движения, а также оценить габариты судна.

Рис. 3.5 - Пример выявление морских судов на радиолокационном снимке (TerraSAR-X)

Мониторинг зон стихийных бедствий и организация спасательных и восстановительных работ - важнейшие задачи в современном мире, которые позволяет решать данный вид съёмки /2/.

.4 Определение скорости быстро движущихся объектов

По радиолокационным спутниковым данным можно уверенно определять скорость быстро движущихся объектов, например, автомобилей.

Для этого используется методика - интерферометрия вдоль орбиты (Along_track Interferometry). Интерферометрическая пара представляет собой два изображения, полученных с одной орбиты, но с различными фазовыми центрами. Для отработки алгоритма использовались данные TerraSAR-X экспериментального режима Dual_Receive Antenna (DRA), при котором «разделение» на две субантенны (поддержка такого режима есть и у спутника Radarsat_2) позволяет получить два фазовых центра. В данном случае определяющей является временная базовая линия, составляющая миллисекунды или секунды. Полученные изображения обрабатываются совместно. Так как имеется задержка во времени и объекты движутся со значительной скоростью, появляется возможность получить 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, а красные квадраты обозначают автомобили, по которым, собственно, и определяется скорость /1/.

Рис. 3.6 - Графическое представление методики определения скоростей автомобилей

3.5 Создание и обновление топографических и тематических карт различных масштабов

Несмотря на то, что радиолокационные данные уступают по изобразительным свойствам снимкам в оптическом диапазоне, они обладают важным преимуществом - возможностью съемки вне зависимости от освещенности и метеоусловий. Поэтому при создании и обновлении топографических и тематических карт различных масштабов, в срочных случаях, радиолокационные данные являются востребованными и незаменимыми /2/.

3.6 Предупреждение паводков

Радиолокационные данные и результаты их обработки успешно используются для выявления опасных в паводковом отношении районов. По картографической основе, получаемой по амплитудным изображениям, и данным о рельефе местности, определяемым по фазовым характеристикам снимка, проводится оценка площади вероятного затопления местности при оценке паводков.

При возникновении каких-либо чрезвычайных ситуаций важным является максимальная скорость получения пространственной информации о районе бедствия. Такую информацию, независимо от погодных и климатических условий, обеспечивают данные радиолокационной съемки (рис. 3.6). Помимо этого, ряд приложений позволяет прогнозировать возникновение тех или иных чрезвычайных ситуаций /1/.

3.7 Решение геологических задач

Радиолокационные данные являются ценным источником информации для геологов, так как они хорошо подчеркивают структурность поверхности, тем самым, отображая основные элементы рельефа местности. Также следует отметить, что для решения большого класса геологических задач активно используются результаты интерферометрической обработки изображений /1/.

Для этих целей радиолокационные данные применяются достаточно активно, так как изменения в состоянии полей/посевов существенно сказываются на изменении их отражательных свойств и четко прослеживаются на снимках (рис. 12). Наряду с этим, различные типы сельскохозяйственных культур по разному отображаются на поляриметрических изображениях, тем самым, позволяя выполнять их дешифрирование по эталонам.

Рис. 3.7 - Мальтивременное композитное изображение, демонстрирующее различное состояние сельскохозяйственных угодий /1/

.9 Проведение видовой разведки

Современные космические радиолокационные системы позволяют

получать изображения с разрешением, сходным с оптическими снимками, и для обнаружения некоторых целей подходят даже лучше, чем данные в оптическом диапазоне. Кроме того, оперативность и всепогодность радиолокационной съемки делает эти изображения уникальными и незаменимыми /1/.

3.10 Решение задач в гляциологии

Здесь можно выделить два направления: это оценка ледовой обстановки (определение толщины льдов, их расположения и движения) и исследование различных типов ледников от небольших горных до мощных ледниковых куполов. С помощью радиолокационных данных четко определяются границы ледников, зоны наступления и отступания. В результате интерферометрической обработки радиолокационных данных можно по интерферометрическим полосам определить скорость движения ледников (рис. 3.8) /1/.

Рис. 3.8 Композитное изображение. (Амплитуда - суша, фаза - лед), демонстрирующее движение выводного ледника

Практический опыт показывает, что для решения тех или иных задач лучше подходят либо радиолокационные данные, либо оптические, но для достижения наибольшего эффекта, обеспечения полноты исследования, необходимо комплексное использование данных, получаемых в различных диапазонах /4/.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящее время радиолокационная съёмка как способ получения данных дистанционного зондирования приобретает всё большее значение. Увеличивается число радарных систем, на орбите появляются всё новые и новые спутники, оснащенные оборудованием для РЛС, увеличивается число диапазонов для съёмки, разрабатываются новейшие технологии обработки и получения данных.

Такие особенности РЛС как: независимость от природных условий, возможность проникать под подстилающую поверхность, обусловили использование радиолокационных данных в следующих сферах: лесное хозяйство, управление ресурсами, повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, выявление загрязнений, планирование развития территорий, топографическое и тематическое картографирование, оценка изменений климата и его влияния на окружающую среду, исследование океанских и речных течений, качества воды, эрозионных процессов; оценка риска наводнений и ущерба при ЧС, рыболовство, мониторинг арктических территорий, ледовой обстановки, нефтегазовых месторождений; определение местоположения судов. Радарную съёмку используют при сканировании других планет солнечной системы, кроме Земли, тем самым дают нам возможность заглянуть под покровы планет с не прозрачной атмосферой и представить картину коры, и рельефа этих планет. Одним из наиболее перспективных направлений является получение ЦМР способом интерферометрии и создания ЦММ.

В работе рассмотрен только ряд наиболее интересных направлений применения радиолокационных данных. В действительности возможных прикладных направлений гораздо больше. Так как данная отрасль развивается достаточно активно, в дальнейшем число сфер деятельности и объем конкретных задач, решаемых по данным дистанционного зондирования Земли в радиодиапазоне, будет только увеличиваться.

Список использованных источников

1. http://geomatica.ru/pdf/2008_01.html - журнал «Геоматика» 2008, №1.

. Александров М.Ю. Общие принципы и технологии радарной (SAR) съемки // Пространственные данные, 2008. - №3. - С. 7-8.

. Лабутина И.А. Дешифрирование аэрокосмических снимков. Москва: Изд-во «Аспект Пресс», 2004. - 182 с.

. Чандра А.М., Гош С.К. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Москва: Изд-во «Техносфера», 2008. - 307 с.

. Капралов Е.Г., Кошкарёв А.В., Тикунов В.С. и др. Геоинформатика. Книга 2. Москва: Издательский центр «Академия», 2004. - 379 с.

6. <http://www.gis_1.gorodok.net> - Ошейко С.В. Опыт применения данных радиолокационного зондирования Земли к определению нефтяных загрязнений на водной поверхности (Новосибирский региональный центр геоинформационных технологий ИГМ СО РАН).

© 2003 - 2022 «Библиофонд»

Обратная связь

Пользовательское соглашение

Политика конфиденциальности

Полная версия

Помощь по учебным работам

Консультация по курсовой работе

Консультация по дипломной работе ВКР

Консультация по реферату

Консультация по отчетам о практике