Date Редакция Категория sci Теги InSAR / Doris

Пособие "Формирование спутниковой интерферограммы средствами Doris" (12.4 Мб). Доступно по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike (Атрибуция — С сохранением условий) — http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Введение

В настоящее время для дистанционного получения информации о поверхности Земли используются оптические системы, фиксирующие отраженный от поверхности солнечный свет (пассивные системы) и радарные системы, которых облучают поверхность радиоволнами и регистрируют отраженные волны (активные системы).

Оптические системы регистрируют отраженное от поверхности Земли электромагнитное излучение Солнца в виде бесчисленных независимых световых волн или фотонов. Таким образом, каждый элемент результирующего изображения (пиксель) характеризуется яркостью — амплитудой зарегистрированного излучения или количеством фотонов.

Использование радиоволн позволяет радарным системам «видеть» сквозь облачность и в темное время суток, что, например, делает возможным постоянный мониторинг ледовой обстановки во время полярной ночи. Однако еще более существенно то, что радары способны измерять не только амплитуду, но и точный момент колебаний — фазу отраженных волн.

Какие же преимущества дает знание фазы колебаний? Предположим, что со спутника, находящегося на орбите высотой 800 км посылается к Земле радиосигнал с частотой 6 ГГц. Длина волны при этом составляет 5 см. Сигнал достигает поверхности Земли и отражается назад, проделав общий путь в 1600 км, что соответствует очень большому, но целому числу длин волн. Фаза колебаний при этом остается неизменной.

Однако если расстояние до Земли превышает 800 км хотя бы на один сантиметр, то волна должна проделать в оба конца дополнительный путь в два сантиметра, что составляет 40% от длины волны. В результате, когда фаза отраженной волны достигнет спутника, она будет отставать на 40% периода колебаний, что можно легко зарегистрировать. Таким образом, измерение фазы дает возможность оценить расстояние до цели с сантиметровой или даже миллиметровой, точностью.

Так, если два последовательных радарных снимка получены при совершенно одинаковых положениях спутника, то не должно быть никакой разности фаз для любой пары соответствующих точек. Но если сцена на Земле изменилась в промежутке между съемками хотя бы незначительно, то фазы некоторых пикселей будут отличаться. Таким образом, на основе двух радарных снимков можно получить интерферограмму, которая позволит отслеживать малые смещения земной поверхности.

Тем не менее, на протяжении нескольких десятилетий использования радаров для дистанционного зондирования Земли эта возможность оставалась невостребованной. Дело в том, что разрешающая способность радарных систем ~λL/d, где d — размеры антенны радара (апертура). Учитывая, что размеры антенны не превышали десятков метров, разрешающая способность радарных систем составляла единицы километров. На участке земной поверхности такой площади располагается большое количество элементарных отражателей (камней, скал, листьев и ветвей деревьев и др.), что делает фазу отраженного сигнала практически случайной (см. рис. ниже). Это, в свою очередь, делало невозможным наблюдение интерференции. Таким образом, чтобы использовать информацию о фазе колебаний для измерения деформации земной поверхности, необходимо было повысить разрешение радаров.

Между радиоволнами, отраженными от пары объектов возникает интерференция, как конструктивная (когда волны усиливают друг друга), так и деструктивная (когда волны гасят друг друга). Таким образом, даже небольшие изменения геометрии поверхности могут привести к значительным изменениям амплитуды результирующих колебаний.

Между радиоволнами, отраженными от пары объектов возникает интерференция, как конструктивная (когда волны усиливают друг друга), так и деструктивная (когда волны гасят друг друга). Таким образом, даже небольшие изменения геометрии поверхности могут привести к значительным изменениям амплитуды результирующих колебаний

Интенсивность света, отраженного от пары объектов, пропорциональна числу отраженных фотонов, и не зависит от точного местоположения объектов. Таким образом, яркость пикселей оптического изображения не меняется при небольших изменениях в расположении отражателей.

Интенсивность света, отраженного от пары объектов, пропорциональна числу отраженных фотонов, и не зависит от точного местоположения объектов. Таким образом, яркость пикселей оптического изображения не меняется при небольших изменениях в расположении отражателей

Для обеспечения высокого разрешения спутниковых радаров необходимы были антенны очень больших размеров (километры), размещение которых на космических аппаратах невозможно. Идея метода получения высокого разрешения при малых размерах антенны была основана на формировании большой апертуры антенны на борту спутника искусственным способом. Для этого апертура синтезировалась, т. е. формировалась последовательно во времени при полете спутника по определенной, точно известной траектории путем запоминания отраженного от объекта электромагнитного поля — амплитуды и фазы сигнала. Радары с подобными антеннами получили названия радаров с синтезированной апертурой (РСА или SAR — Synthetic Aperture Radar). Разрешение РСА составляет от единиц до нескольких десятков метров, что позволяет воспользоваться информацией о фазе колебаний. Так появилось новое направление исследований — спутниковая радарная интерферометрия (InSARInterferometric Synthetic Aperture Radar).

Спутниковая радарная интерферометрия — метод измерений, использующий эффект интерференции электромагнитных волн. Основная идея метода заключается в формировании интерферограммы, которая представляет собой результат композиции двух радиолокационных изображений одной и той же территории, содержащих информацию об амплитуде и фазе сигнала, и полученных идентичными радарами из близко расположенных точек орбиты.

Среди областей применения данных спутниковой радарной интерферометрии можно выделить:

  • создание ЦМР, в том числе высокоточных (с пространственным разрешением около метра и точностью определения высоты около 1–2 метров);
  • измерение деформаций отражающей поверхности с точностью порядка доли длины волны радара, в частности:
    • мониторинг землетрясений;
    • мониторинг вулканической активности;
    • мониторинг оползнеопасных участков;
    • выявление просадок, деформации сооружений;
    • мониторинг движения поверхности моря;
    • высокоточные измерения задержки радиосигналов в атмосфере (напрямую связанной с распределением в атмосфере водяного пара);
    • мониторинг сельскохозяйственной деятельности. В частности, комбинация интерферометрических и поляриметрических данных позволяет извлечь информацию о вертикальной структуре лесного покрова, определить высоту деревьев;
  • определение скорости быстро движущихся объектов, например, автомобилей.

Для обработки данных спутниковой радарной интерферометрии используется следующее свободное программное обеспечение:

SNAP (Sentinel Application Platform) — пакет обработки и анализа радарных снимков, начиная с Уровня 1. Модуль интерферометрии разработан при участии сотрудников Delft University of Technology. Мультиплатформенный, реализован на Java. Распространяется под лицензией GNU GPL. Развертка фазы реализована через импорт в snaphu. Есть пакетный режим обработки снимков. На сегодняшний день является наиболее популярным некоммерческим пакетом рассматриваемого направления.

GMTSAR — пакет для обработки радарных снимков, основанный на утилитах GMT (Generic Mapping Tools). Реализован на С и скриптах C-shell. Работает под Unix-подобными операционными системами, под Windows — при помощи Cygwin.

StaMPS (Stanford Method for Persistent Scatterers) — пакет, реализующий метод интерферометрии по постоянным отражателям. Нуждается в предварительной обработке снимков: фокусировке сырых (raw) данных и формировании интерферограммы из SLC-снимков. Для решения первой задачи иcпользуется ROI_PAC, для второй — Doris (если исходные снимки уровня 1, то используется только Doris). В настоящее время поддерживаются данные спутников ERS и Envisat (Уровни 1, 2), ALOS (Уровень 0) и RADARSAT-1 (Уровень 1).

Doris (Delft object-oriented radar interferometric software) — пакет для обработки радарных снимков (начиная с Уровня 1), разработанный в Техническом Университете г. Дельфт (Delft University of Technology, DUT). Реализован на C++, работает под основными операционными системами (под Windows — с помощью Cygwin). В Руководстве пользователя детально описан процесс формирования интерферограммы. Для визуализации использует утилиты GMT, а для восстановления фазы интерферограммы — программу snaphu.

RAT (Radar Tools) — свободный пакет для обработки данных спутниковой поляриметрии (PolSAR), интерферометрии (InSAR) и поляриметрической интерферометрии (PolInSAR), разработанный в Техническом Университете Берлина. Реализован на языке IDL и работает под управлением виртуальной машины IDL под основными операционными системами. Имеет собственный инструмент для восстановления фазы интерферограммы.

ROI_PAC (Repeat Orbit Interferometry Package) — пакет, разработанный NASA Jet Propulsion Laboratory и Калифорнийским Технологическим Институтом. Под MS Windows работает с помощью Cygwin. Имеет возможность обработки радарных данных Уровня 0.



Комментарии

comments powered by Disqus