Цели • Понять физику формирования радиолокационного изображения (РЛИ) РСА • Описать взаимодействие излучения с земной поверхностью. • Описать необходимую предварительную обработку данных • Объяснить, какую информацию можно получить с помощью РСА Электромагнитный спектр • Оптические датчики измеряют отраженный солнечный свет и работают только в дневное время • Поверхность Земли невозможно увидеть, используя датчики видимого или инфракрасного диапазона, когда есть облака. • Микроволны могут проникать сквозь облака и растительность и работают как днем, так и ночью. Преимущества и недостатки радиолокационного дистанционного зондирования по сравнению с оптическим Преимущества • Практически при любых погодных условиях • Работа днем и ночью • Проникновение сквозь растительный покров • Проникновение через почву • Минимальное влияние атмосферы • Чувствительность к диэлектрическим свойствам (жидкая вода отличается от замороженной воды) • Чувствительность к структуре Недостатки • Информационное содержание отличается от оптического, и иногда его трудно интерпретировать • Эффекты пятен (спекл, зернистость изображения) • Влияние топографии Нечувствительность к облачному покрытию • Общий годовой объем фракционной облачности, усредненный с 1983 по 1990 год, составлен с использованием данных Международного проекта спутниковой климатологии облаков (ISCCP). Источник: ISCCP, NASA Earth Observatory Оптика против радара Вулкан на Камчатке, Россия, 5 октября 1994 г. Изображение: Michigan Tech Volcanology Активное и пассивное дистанционное зондирование Пассивные датчики: • Излучение происходит естественных источников. из • например, Солнце, Земля, другие «горячие» тела Активные датчики • Обеспечивают собственный искусственный источник изучения для «подсветки» • например, радар, синтезированной (РСА), лидар радар с апертурой Типовая система дистанционного зондирования Основные понятия: Радар нижнего и бокового обзора Основные понятия: Радар бокового обзора • Каждый пиксель на радиолокационном изображении представляет собой комплексную величину энергии, отраженной обратно в сторону летательного аппарата. • Значение каждого пикселя представляет собой интенсивность отраженного эхосигнала. Обзор формирования радиолокационного изображения 1. Радар может измерять амплитуду (силу отраженного эха) и фазу (положение точки во времени на форме сигнала). 2. Обычный радар может измерять только ту часть эхосигнала, которая отражается обратно в сторону антенны (обратное рассеяние). 3. Радиолокационные импульсы распространяются со скоростью света Параметры радара, которые следует учитывать при исследовании • Длина волны • Поляризация • Угол падения Параметры радара: Длина волны Длина волны = Скорость света частота * Длины волн, наиболее часто используемые в РСА, указаны в скобках. Параметры радара: Длина волны • Проникновение - главный фактор при выборе длины волны. • Проникновение через листву леса или в почву больше при использовании более длинных волн. Проникновение как функция длины волны • Волны могут проникать в растительность и (в сухих условиях) в почву. Растительность • Как правило, чем длиннее длина волны, тем сильнее проникновение в объект. Сухой песок Сухой заснеже нный лед Х-диапазон 3 см C-диапазон 5 см L-диапазон 23 см Пример: Проникновение радиолокационного сигнала в сухие почвы • Различные спутниковые снимки юго-запада Ливии • Стрелками указаны возможные речные системы. SIR-C C-диапазон SIR-C L-диапазон Пример: Проникновение радиолокационного сигнала в сухие почвы Пример: Проникновение радиолокационного сигнала в растительность Пример: Проникновение радиолокационного сигнала в заболоченные почвы • L-диапазон идеально подходит для изучения болотистых угодий, потому что сигнал проникает сквозь листву и позволяет определить, есть ли под ней стоячая вода. • Залитые водой области на изображении справа выглядят белыми. Радарная мозаика Амазонки Параметры радара: Поляризация • • Сигнал радара поляризован Поляризации обычно регулируются между H и V: – HH: Горизонтальная на передачу, горизонтальная на прием – HV: Горизонтальная на передачу, вертикальная на прием – VH: Вертикальная на передачу, горизонтальная на прием – VV: Вертикальная на передачу, вертикальная на прием • Режим Quad-Pol: когда измеряются все четыре поляризации • Различные поляризации позволяют определять различные физические свойства наблюдаемого объекта. Пример использования нескольких поляризаций для исследований растительности Лесной заповедник Пакая-Самирия в Перу Изображения с UAVSAR (HH, HV, VV) Параметры радара: угол падения • Угол между направлением излучения радара и плоскостью поверхности Земли. • Угол падения будет меняться в зависимости от высоты датчика. • Геометрия изображения может отличаться от точки к точке в направлении дальности. • Местный угол падения: – учитывает местный наклон поверхности – влияет на яркость изображения Обратное рассеяние радара Обратное рассеяние радара • Эхо-сигнал радара содержит информацию о поверхности Земли, вызвавшей отражение радиолокационного сигнала. • Это отражение обусловлено следующими факторами: – Частота или длина волны: параметр радара. – Поляризация: параметр радара – Угол падения: параметр радара – Диэлектрическая проницаемость: параметр поверхности – Шероховатость поверхности относительно длины волны: параметр поверхности – Структура и ориентация объектов на поверхности: параметр поверхности Механизмы обратного рассеяния Плотность Размер по отношению к длине волны Диэлектрическая постоянная Размер и ориентация Параметры поверхности Диэлектрическая постоянная Диэлектрические свойства поверхности и ее замороженное или оттаявшее состояние. • Во время перехода от замерзания / оттаивания поверхности земли происходит изменение диэлектрических свойств поверхности. • Это вызывает заметное увеличение обратного рассеяния. Взаимодействие с радиолокационным сигналом • Сигнал радара в первую очередь чувствителен к структуре поверхности. • Масштаб поверхности относительно длины волны определяет, насколько шероховатыми или гладкими они выглядят и насколько яркими или темными они будут на изображении. Механизмы обратного рассеяния Механизмы обратного рассеяния Обратное рассеяние излучения радара в лесах Примеры радиолокационного взаимодействия Отражение от гладкой поверхности (зеркальное отражение) Радарная мозаика бассейна Амазонки, апрель 2015 г. (диапазон L, HH, 3 км) Цвет пикселя Ровная, ровная поверхность (открытая вода, дорога) Примеры радиолокационного взаимодействия Отражение от шероховатой поверхности Радарная мозаика бассейна Амазонки, апрель 2015 г. (диапазон L, HH, 3 км) Цвет пикселя неровная оголенная поверхность (вырубленные участки, вспаханные сельскохозяйственные поля) Примеры радиолокационного взаимодействия Объемное рассеяние от растительности Радарная мозаика бассейна Амазонки, апрель 2015 г. (диапазон L, HH, 3 км) Цвет пикселя Растительность Примеры радиолокационного взаимодействия Двойное отражение Радарная мозаика бассейна Амазонки, апрель 2015 г. (диапазон L, HH, 3 км) 2 1 Затопленная растительность Цвет пикселя Пример: Обнаружение разливов нефти на воде UAVSAR (2 метра): HH, HV, VV Пример: Классификация земного покрова • Бразилия • JERS-1 L-диапазон • Разрешение 100 метров Геометрические и радиометрические искажения радиолокационного сигнала. Искажение дальности по земле Наклонная дальность Дальность по земле Источник: Natural Resources Canada Геометрическое искажение Задержка распространения Ракурс Источник: Natural Resources Canada Ракурс До коррекции Источник: ASF После коррекции Тень Источник: Natural Resources Canada Радиометрическое искажение • Пользователь должен скорректировать влияние топографии на обратное рассеяние. • Эта коррекция устраняет высокие значения в областях со сложной топографией. До коррекции После коррекции Спекл Спекл Спекл - это «шум» зернистости, который изначально присутствует в изображениях РСА и ухудшает их качество. Изображение: Изображение: Natural Resources Canada Уменьшение спекла: Некогерентные накопления • Делит луч радара на несколько более узких под-лучей - например, 5 лучей справа • Каждый дополнительный луч - это один «взгляд» на сцену. • РЛИ для каждого «взгляда» содержит спекл. • Суммируя и усредняя различные РЛИ вместе, позволяет уменьшить спекл в окончательном выходном изображении. Источник: Natural Resources Canada Уменьшение спекла: Пространственная фильтрация • Перемещение окна по каждому пикселю изображения • Применяется математический расчет по значениям пикселей в окне • Центральный пиксель заменяется новым значением • Окно перемещается по осям x и y по одному пикселю за шаг. • Уменьшает визуальное появление пятен и оказывает сглаживающий эффект. Источник: Natural Resources Canada Радиолокационные данные от различных спутниковых датчиков Название датчика Агентство Инструмент Угол падения (угол места) Поляризация Высота датчика на экваторе Орбита RADARSAT-2 Канадская космическая программа (CSP) Sentinel-1A RISAT-1 Европейское космическое Индийская организация агентство (ЕКА) космических исследований (ISRO) РСА C-диапазона (5,4 РСА C-диапазона (5,4 РСА C-диапазона (5,35 ГГц) ГГц) ГГц) Боковой обзор, Боковой обзор, 36,85° отклонение от надира 15- отклонение от надира 1545° 45° HH, HV, VV и VH (VV и VH) или (HH и HV) HH и HV 798 км 693 км 542 км Солнечно-синхронная (закат/рассвет) Период прохождения 24 дня (цикл повторения орбиты) Солнечно-синхронная (закат/рассвет) 12 дней Солнечно-синхронная (закат/рассвет) 25 дней Радиолокационные данные от различных спутников Название датчика RADARSAT-2 Sentinel-1A RISAT-1 Разрешение 100 м 5 м x 20 м 25 м 250 км (режим IWS) 115 км (MRS) Ширина полосы захвата 500 км (режим ScanSAR) Среднее местное время 6:00, восходящий виток 6:00, восходящий виток 6:00 Запуск 14 декабря 2007 г. 3 апреля 2014 г. 26 апреля 2012 г. Запланированн ый срок службы Минимум 7 лет 7 лет 5 лет Источники РСА для спутниковой станции на Аляске Миссия РСА NASA-ISRO SAR (NISAR) • Высокое пространственное разрешение с частым посещением • Самая ранняя предполагаемая дата запуска: 2021 • Двухчастотный РСА в L- и S-диапазонах - SAR L-диапазона от NASA и SAR Sдиапазона от ISRO • 3 года научных работ (запас топлива на 5+ лет) • Все научные данные будут доступны бесплатно и в открытом доступе. Применение NISAR дл гидрологии и обнаружения подповерхностных структур Реакция на наводнения Конкретные применения Направление затопления Информационный продукт NISAR (L1 или L2) Необходимый информационный продукт * • Геокодированный и откалиброванный продукт • Подойдет SLC с геокодированием / калибровкой • Когерентность InSAR (интерферометрия) и • Изменение протяженности открытой воды • Степень затопления лесов изображения, зарегистрированные при повторных проходах (дифференциальная интерферометрия) Изменение уровня воды в лесных и городских районах Фаза и когерентность InSAR Затопление из-за ураганов и тайфунов (осадки и Геокодированная карта когерентности штормовые нагоны) Наводнение из-за стока и таяния снегов Геокодированная карта когерентности Измерение изменения уровня воды в зонах затопления лесов и городских зонах. Аэрофотоснимок затопления Аэрофотоснимок затопления Применение NISAR для гидрологии и обнаружения подповерхностных структур Деформация поверхности из-за объемных изменений в подземных водохранилищах Конкретные применения Осадка и подпитка водоносных горизонтов (как естественная, так и антропогенная) Добыча нефти и природного газа с береговых месторождений Масштабы и степень опускания шахт Информационный продукт NISAR (L1 Необходимый информационный или L2) продукт * Скорости и временные ряды • Геокодированные вертикального смещения развернутые поверхности интерферограммы • Геокодированные карты Скорость вертикального когерентности смещения поверхности • Геокодированные векторные карты • Необработанные данные РСА • • • (быстрое реагирование) Геокодированные развернутые интерферограммы Геокодированные карты когерентности Геокодированные векторные карты Вертикальное смещение поверхности за период времени, ограничивающий событие Применение NISAR для гидрологии и обнаружения подповерхностных структур Конкретные применения Информационный продукт NISAR (L1 или L2) Резервуары для газа и жидкости Необходимый информационный продукт * Улавливание CO 2 SLC InSAR Деформация временного ряда Подземное хранилище газа (ПХГ) SLC InSAR • Деформация временного ряда • Деформация из-за утечек Выдача и залив жидкости Землетрясения, вызванные изменением водоносного горизонта SLC InSAR • Деформация временного ряда • Деформация из-за утечек Водный эквивалент снега Оценка водного эквивалента снега по бассейну подземных вод • Геокодированный и калиброванный продукт • InSAR и PolSAR • Водный эквивалент снега
