Использование материалов радиолокационной космической съемки для иформационнного обеспечения мониторинга пространственных данных алябьев А. А., Коберниченко В. Г

Вид материала

Содержание

Таблица 1. - Характеристики режимов работы РСА RADARSAT-1
Таблица 2. Основные технические характеристики снимков КА ALOS

Подобный материал:

УДК 528.914: 621.397

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СЪЕМКИ ДЛЯ ИФОРМАЦИОНННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОНИТОРИНГА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ

Алябьев А.А., Коберниченко В.Г.

«Уралгеоинформ», Уральский государственный технический университет – УПИ

Критическими факторами для проведения космической съемки в оптическом диапазоне являются уровень освещенности поверхности Земли, задаваемый предельным углом места Солнца (15-20 град.), и состояние облачного покрова. При метеорологическом прогнозе облачного покрова свыше 20% съемка поверхности Земли в коммерческих целях, как правило, не производится. Анализ статистических характеристик степени закрытия облаками небосвода и длительности светлого времени суток в течение года, приведенный в работе [1], показывает, что для большинства регионов России приемлемые условия для космической съемки поверхности Земли в оптическом диапазоне обеспечиваются преимущественно в летний период.

За последние годы УРПЦГ «Уралгеоинформ» накопил определенный опыт по использованию данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) для обновления топографических карт различных масштабов. Центр обеспечивает пространственными данными органы государственной власти и предприятия, в первую очередь, Уральского федерального округа, имеющего большую протяженность прибрежных полярных районов с устойчивым облачным покровом. Это предопределяет интерес к анализу возможностей применения космических радиолокационных изображений (РЛИ), получаемых с помощью радиолокаторов с синтезированной апертурой антенны (РСА) для решения задач топографического мониторинга. С помощью РСА могут быть получены детальные изображения земной и водной поверхности и расположенных на них объектов независимо от метеоусловий и естественной освещенности. Кроме этого они обеспечивают большую дальность наблюдения, одновременный обзор широкой полосы местности, возможность наблюдения объектов, невидимых в оптическом диапазоне волн, а высокая разрешающая способность таких систем приближает детальность РЛИ к детальности оптического изображения.

В этой связи в УРПЦГ «Уралгеоинформ» совместно с кафедрой теоретических основ радиотехники Уральского государственного технического университета – УПИ в 2005-2006 гг. проводилась работа по анализу возможностей практического использования материалов космических радиолокационных съемок для информационного обеспечения решения задач обновления топографических карт. В частности, решались следующие задачи:

- обзор характеристик радиолокационных изображений и, получаемых современными и перспективными космическими системами, особенностей этапов и уровней обработки данных, и тематических задач;

- анализ процесса формирования радиолокационных изображений местности в космических радиолокаторах с синтезированной апертурой высокого разрешения, определение специфических искажающих факторов и параметров качества цифровых снимков в СВЧ диапазоне;

- экспериментальная оценка точностных и информационных характеристик радиолокационных изображений типовых топографических объектов.

В настоящее время на рынке данных ДЗЗ наиболее распространены космические РЛИ, полученные в рамках проектов, реализуемых в двух организациях, являющихся операторами соответствующих космических систем [2]. Европейское космическое агентство (ESA) представлено космическими аппаратами ERS-1, ERS-2 (радиолокатор SAR) и ENVISAT (радиолокатор ASAR). КА ERS-2 дополнительно осуществляет съемку в двух зонах видимой и ИК областей спектра.

Канадское космическое агентство (CSA) представлено космическим аппаратом RADARSAT-1. Запущенный в 1995 г., он до настоящего времени является наиболее удачной коммерческой космической радиолокационной системой. РСА спутника RADARSAT-1 выполняет съемку поверхности в С-диапазоне длин волн (5.6 см), на горизонтальной поляризации излучения, в диапазоне углов падения от 10 до 59 градусов. РСА может работать в одном из 7 основных режимов (таблица 1).

РЛИ RADARSAT-1 первоначально предназначавшиеся для мониторинга ледовой обстановки в море Бофорта с целью обеспечения безопасности судоходства и разведки нефти, в настоящее время широко используются различными организациями из более чем 60 стран мира. Основные задачи, решаемые с помощью космических РЛИ: всепогодные, вне зависимости от времени суток наблюдения за состоянием ледовой обстановки, оценка состояния лесных и сельскохозяйственных угодий, степени разрушений в районах стихийных бедствий, контроль нелегального рыболовства и лесных вырубок, исследования береговой зоны и океанология, обнаружение разливов нефтепродуктов, выделение геологических структур, мониторинг районов наводнений и паводков.

Таблица 1. - Характеристики режимов работы РСА RADARSAT-1

Режим	Ширина полосы обзора, км	Пределы смещения полосы обзора, км	Разрешение (дальность х путевая дальность), м
Стандартный (Standard)	100	500	28 x 25
Широкополосный (Wide)	150	500	28 x 23-35
Детальный (Fine)	50	500	9 x 8-9
Обзорный широкий (ScanSAR-W)	500	425	100 x100
Обзорный узкий (ScanSAR-N)	300	250	50 x 50
Расширенный дальний (Extended High)	75	500	28 x 25
Расширенный ближний (Extended Low)	75	500	28 x 25

Применению РЛИ RADARSAT-1 в картографии посвящено значительное число исследований. Прежде всего внимание уделялось построению карт Арктики и Антарктики, поскольку этот КА предназначался в первую очередь для исследования полярных областей [3-5]. В рамках проекта NASA Antarctic Mapping Project по картографированию Антарктики Канадским космическим агентством CSA и NAGA составлена карта континента по данным съемки южного полушария в 1997 г. При создании цифровой карты использовано свыше 8000 изображений, в том числе 2000 изображений для внутренних районов Антарктики, никогда прежде не охватывавшихся радарной съемкой высокого разрешения. Благодаря всепогодному сбору данных в дневное и ночное время оказалось возможным получить их для всего континента за 18 суток, вместо 13 лет (1980-1994), затраченных при предыдущем картографировании с 5 различных ИСЗ.

В работе [6] сообщается о проектах систематического покрытия топографическими картами, в масштабе 1:50 000 - 1:100 000 для 30% территории Амазонии, составляющей более половины площади Бразилии (около 2 млн. кв. км).

Французским Национальным географическим институтом разработаны способы получения ортофотоизображений и реализован проект покрытия Гвианы картами в масштабе 1:200 000 по данным RADARSAT-1[7].

Одним из направлений использования данных РСА является построение цифровых моделей рельефа (ЦМР) по получаемым стереопарам. Примером реализации такого проекта по данным RADARSAT-1 является составление Центром дистанционного зондирования Сингапура CRISP ЦМР территорий Гонконга, Филиппин (вулкан Пинатубо) и Брунея [8]. Приведенные в [9] результаты исследования влияния на точность построения ЦМР таких параметров как разрешение, углы наблюдения и пересечения, радиометрия, спекл, рельеф местности, показывают, что единственным параметром, значительно влияющим на точность ЦМР, является тип рельефа (наклон поверхности).

Успешная эксплуатация КА RADARSAT-1 стимулировала создание космических радиолокаторов в различных странах.

Интерес к анализу информативных свойств космических радиолокационных снимков возрастает в связи с появлением на рынке данных ДЗЗ КА ALOS с частичным перекрытием полос оптико-электронной и радиолокационной съемки (таблица 2), и планируемым в 2007 г. запуском радиолокационных спутников сверхвысокого разрешения (RADARSAT–2 - до 3 м, TerraSAR-X – до 1 м).

Оснащение спутника TerraSAR-X, разработанного немецким аэрокосмическим центром (DLR) и компанией EADS Astrium GmbH, новейшим радаром с синтезированной апертурой, позволяющим выполнять съемку земной поверхности с пространственным разрешением (1 - 3 м) и возможностью интерферометрической обработки, сделает систему TerraSAR-X одним из наиболее совершенных инструментов дистанционного зондирования Земли.

Таблица 2. Основные технические характеристики снимков КА ALOS

Съемочная аппаратура (режим)	PRISM (панхроматический)	AVNIR-2 (мультиспектральный)	PALSAR
Спектральный диапазон (мкм):	0,52-0,77	голубой: 0,42-0,50 зеленый: 0,52-0,60 красный: 0,61-0,69 ближний ИК: 0,76-0,89	Радар L-диапазона (5,6 см) с синтезированной апертурой
Пространственное разрешение (м)	2,5	10	10 – 100
Ширина полосы съемки, (км)	70	70	70 – 350
Радиометрическое разрешение, (бит на пиксел)	8	8	5

Вместе с тем при использовании космических радиолокационных изображений для информационного обеспечения мониторинга пространственных данных следует учитывать ряд особенностей, к числу которых относятся: геометрия бокового бокового обзора, проведение съемки на одной длине волны при когерентном излучении, формирование изображения на наземном приемном пункте с помощью специального программного обеспечения, наличие на РЛИ характерной пятнистости (спекл-шума).

Процедура формирования РЛИ основана на довольно сложных методах цифровой обработки принятого на участке траектории отраженного сигнала, включающих следующие этапы: сжатие по дальности в каждом периоде зондирования; компенсация эффекта смещения элементов дальности (миграции дальности); сжатие по азимуту (путевой дальности) и вычисление модуля по синфазной и квадратурной составляющим выходного сигнала. На заключительном этапе может также производиться некогерентное суммирование частных изображений, полученных в нескольких парциальных лучах, в целях снижения уровня спекл-шума [10].

Искажения на космических радиолокационных изображениях местности делятся на две группы: радиометрические искажения, нарушающие соответствие уровня входного сигнала отражающим свойствам целей (их эффективной поверхности рассеивания) и ухудшающие наблюдаемость целей и геометрические искажения, ухудшающие точность измерения координат объектов по радиолокационному снимку и затрудняющие проведение картографических работ.

Источниками искажений являются:

аппаратурные нестабильности и искажения, связанные с прохождением сигналов через тракт РСА;
нестабильности траектории движения носителя РЛС;
затухание сигналов, фазовые и поляризационные нестабильности в трассе распространения сигналов;
нестабильности отражающих свойств объектов, движение подстилающей поверхности (море, растительность).

Для космических РСА основной траекторный фактор - ошибки измерения параметров относительного движения и ошибки ориентации КА.

Одной из особенностей изображений, получаемых космическими РСА, является неравномерность фона, обусловленная когерентным спекл-шумом. Первопричиной пятнистости изображения однородной поверхности (участки изображений, занятых лесной растительностью, луга) является когерентное сложение откликов от большого количества элементарных отражателей, находящихся в пределах одного поверхностного элемента разрешения и изменение их состава при переходе от одного элемента к другому. Спекл-шум может использоваться для идентификации пространственно-распределенных объектов и оценивания некоторых характеристик РСА, однако в подавляющем большинстве случаев он является нежелательным фактором и затрудняет дешифровку РЛИ (может привести к ложному обнаружению точечных целей или к пропуску слабоконтрастных объектов).

Особое внимание в работе уделялось экспериментальной оценке информативности и изобразительных свойств радиолокационных снимков. Исследования проводились по трем радиолокационным снимкам RADARSAT-1 территории Свердловской области, полученным 30.09.04 г. и 1.12.05 г. с пространственным разрешением 25 м (стандартный режим), и 30.09.2004 г. с пространственным разрешением 8 м (режим высокого разрешения).

Для сравнительного анализа выделения топографических объектов на радиолокационных и спектрозональных снимках одинакового разрешения использовались панхроматические снимки той же территории, полученные КА Landsat-7 (разрешение 15 м) в июне 2002 г. и в марте 2006 г.

По стандартной технологии производилась привязка снимков к местности с использованием опорных точек и экспериментальная оценка точностных характеристик радиолокационных изображений. Количество опорных точек – от 12 до 28, контрольных точек – от 5 до 11. Примеры опознавания типовых топографических объектов – опорных и контрольных точек – приведены на рисунке 1. Точность привязки в целом соответствовала требуемой для карт масштаба 1: 200 000. Средняя ошибка составила 21-28 м на опорных точках и 42-44 м на контрольных. Вместе с тем следует отметить, что по мнению операторов, работа с РЛИ из-за наличия спекла является более сложной и поэтому точность привязки оказывается хуже, чем для панхроматических снимков Landsat-7.

Первичным дешифровочным признаком на РЛИ является интенсивность пиксела. Модифицированные дешифровочные признаки формируются путем выявления и формализации структурных, текстурных и контекстных свойств объектов различных классов.

Одним из основных результатов работы явилось составление альбома образцов дешифрирования объектов топографических карт масштаба 1:200 000 по радиолокационным снимкам космического аппарата RADARSAT-1.

Интенсивность изображения водной поверхности и радиолокационных теней отображаются на радиолокационных снимках черным тоном, который существенно отличается от изображения всех других объектов. Таким образом, все объекты гидрографии и гидротехнических сооружений, встречающиеся на рассматриваемых участках местности (озера, острова, реки с постоянным водотоком, реки и ручьи пересыхающие, обрывистые и заболоченные берега, оросительные и дренажные каналы, котловины высохших озер, молы, причалы, мосты), дешифрируются уверенно (рисунки 2-4).

Хорошо дешифрируются общие контуры крупных населенных пунктов. Прослеживаются основные черты планировки и общий характер квартальной застройки (рисунок 5). Распознавание плотно застроенных кварталов домов возможно по чередующимся темным и светлым линиям. Распознавание отдельных домов при плотной застройке затруднительно. Общие контуры поселков городского типа и сельских населенных пунктов дешифрируются не всегда четко из-за наличия спекла.

Автомобильные и железные дороги хорошо распознаются и четко читаются ровными черными прямыми немного отличающимися по ширине. Распознавание железных дорог возможно по косвенному признаку – строгий радиус кривизны на поворотах, прямолинейность основных участков (рисунок 6).

В отличие от оптических снимков, хорошо дешифрируются металлические опоры линий электропередач, выделяющиеся яркими белыми точками на темном тоне. Дешифрирование облегчается большой протяженностью ЛЭП. На фрагменте РЛИ, приведенном на рисунке 7, хорошо видны две ЛЭП с разными типами опор. В окне на этом же рисунке представлено сечение изображения вдоль направления ЛЭП, указанного на снимке красной линией. Приведенное сечение позволяет оценить пространственную разрешающую способность РЛИ.

Количественная оценка неравномерности фона производилась путем вычисления коэффициента контраста, представляющего собой отношение стандартного отклонения к среднему уровню изображения протяженного однородного объекта (лесной массив, сельскохозяйственные поля, водная поверхность, пашня). У изображения идеальной шероховатой поверхности коэффициент контраста равен 0,52.

Исследованы методы обработки космических радиолокационных изображений, направленные на улучшение их дешифровочных свойств. Для фильтрации спекл-шума использовались различные фильтры: усредняющий, медианный, фильтр Ли, фильтр Фроста и ряд других [11]. На рисунке 8 приведен пример результатов обработки фрагмента РЛИ фильтром Ли с окном 3х3. Однако снижение уровня спекл-шума таким способом сопровождается ухудшением разрешения, поэтому, в большинстве случаев квалифицированный оператор-дешифровщик отдает предпочтение высокой разрешающей способности.

Особый интерес в последние годы вызывает интерферометрический режим обработки данных космических РСА. Он позволяет строить цифровые модели рельефа из двух радиолокационных изображений в комплексном формате, полученных при почти одинаковой геометрии съёмки. Результаты выполнения опытных проектов, приведенные в [12], показали, что интерферометрическая обработка данных КА ENVISAT и ERS по предложенной технологии позволяет определить вертикальные смещения земной поверхности для изученных регионов на уровне единиц сантиметров. Это покаазывает, что космическая радарная интерферометрия является эффективным методом оценки плановых и высотных смещений земной поверхности на больших площадях.

Таким образом, космические радиолокационные снимки высокого разрешения являются важным материалом для информационного обеспечения обновления топографических карт, особенно в сочетании с оптическими и спектрозональными снимками. В этой связи весьма важной является проблема комплексной обработки радиолокационных и спектрозональных снимков, как на этапе формирования производных дешифровочных признаков, в частности, путем объединения данных различного разрешения методами слияния изображений (image fusion, pansharpening), так и на этапах автоматизированной кластеризации и классификации.

Литература

Филатов В.Н., Зиновьев В.Г., Присяжнюк С.П., Полетаев А.М. Тенденции в дистанционном зондировании Земли и проблемы стандартизации данных // Информация и космос, 2005, №1, с. 9-23.
Гершензон О.Н. Космические программы ДЗЗ, доступные в России//Пространственные данные, 2005, №3, с. 47-51.
RADARSAT gives first mapping of the Antarctic. Earth Observ. 1997. 9, N 5, р. 38.
Steitz David E., Kenitzer Allen. NASA unveils new, most accurate map of Antarctic continent. Earth Observ. 1999. 11, N 5, p. 15,-18.
Gray L., Short N., Bindschadler R., Joughin I., Padman L., Vornberger P., Khananian A. RADARSAT interferometry for Antarctic grounding-zone mapping. Annals of Glaciology. Vol. 34. Papers from the 4 International Symposium on Remote Sensing in Glaciology. College Park. Md. 3-8 June. 2001. Cambridge: Int. Glaciol. Soc. 2002, P. 269-276.
Da Silva E. A. Cartography and remote sensing in the Amazon the SIVAM project. GIS Brno'98 Conf. "Geogr. Inf. Syst.: Inf. Infrastruct. and Interoperabil. 21st Cent. Inf. Soc. and ICA Map Use Commiss. Sess.", Brno, June 28 - July 1, 1998: Conf. Proc.. Vol. 1. Brno. 1998, P. A1-3-A1-19.
Sylvander Sylvia, Gigord Patrick. Exploitation cartographique d'images radar. Bull. inf. Inst. geogr. nat. 1996, N 65, P. 102-104.
Singh Kuldip, Keong Kwoh Leong, Xiaojing Huang, Hock Lim. DEM generation using Spot and Radarsat stereo-imagery at CRISP. Euro-Asian Space Week Co-oper. Space "Where East and West Finally Meet", Singapore, 23-27 Nov., 1998. Noordwijk. 1999, p. 355-358.
Toutin Thierry. Evaluating RADARSAT stereoscopic pairs. Remote Sens. Can. 1997. 25, N 2, p. 4-5.
Коберниченко В.Г. Особенности формирования изображений в космических радиолокаторах с синтезированной апертурой //Вестник УГТУ-УПИ. Теория и практика радиолокации земной поверхности. Сер. радиотехническая, Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. № 19(71).
Иванов О.Ю., Коберниченко В.Г. Обработка когерентных радиолокационных изображений космического дистанционного зондирования // Х международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 13-15.04.2004. НПФ «САКВОЕЕ». Т.3. с. 1734-1740.
Брыксин В.М., Евтюшкин А.В., Филатов А.В. Мониторинг деформаций земной поверхности в районах интенсивной нефтедобычи по радарным интерферометрическим изображениям ENVISAT и ERS// Четвёртая всероссийская открытая конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса», Москва, ИКИ РАН, 13-17 ноября 2006 г. Сборник тезисов конференции. с. 183.

Рисунок 1 Примеры опознавания опорных и контрольных точек

Снимок RADARSAT Карта Снимок LANDSAT

Рисунок 2. Альбом образцов дешифрирования. Реки с постоянным водотоком

Снимок RADARSAT Карта Снимок LANDSAT

Рисунок 3. Альбом образцов дешифрирования. Заболоченный берег озера.

Снимок RADARSAT Карта Снимок LANDSAT

Рисунок 4. Альбом образцов дешифрирования. Мосты.

Снимок RADARSAT Карта Снимок LANDSAT

Рисунок 5. Альбом образцов дешифрирования. Город.

Снимок RADARSAT Карта Снимок LANDSAT

Рисунок 6. Альбом образцов дешифрирования. Железная дорога.

Снимок RADARSAT Карта Снимок LANDSAT

Рисунок 7. Альбом образцов дешифрирования. Автомобильная дорога.

Опоры ЛЭП

Рисунок 8. Определение разрешающей способности по РЛИ опор ЛЭП.

а) б)

Рисунок 9.Фильтрация спекл-шума. Определение разрешающей способности по РЛИ опор ЛЭП.

Фрагмент исходного РЛИ (а). Фрагмент РЛИ после обработки фильтром Ли с окном 3х3 пиксела (б).

Blog

Содержание

Таблица 1. - Характеристики режимов работы РСА RADARSAT-1