МОНИТОРИНГ СМЕЩЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПО ДАННЫМ КОСМИЧЕСКИХ РАДАРНЫХ СЪЕМОК

В данной статье были использованные данные спутника ENVISAT. Данный космический аппарат выведен из эксплуатации. 8 апреля 2012 г. со спутником была утеряна связь, а 9 мая объявили о прекращении работы спутника. Данные со спутника доступны только в виде архивной съемки и были проведены в период с 2007 по 2011 г.

Спутник Envisat является многофункциональным — на нем имеется 9 различных инструментов ДЗЗ, включая радарный альтиметр, ультрафиолетовые и инфракрасные спектрометры, оптические сканеры, и т. д. Но, учитывая очень низкое пространственное разрешение большей части перечисленных приборов, наибольший интерес для обширного круга пользователей вызывает усовершенствованный радар бокового обзора с синтезированной апертурой (ASAR), проводящий съемку земной поверхности в С-диапазоне с длиной волн 5,6 см, с изменяемой поляризацией излучения, в диапазоне съемочных углов от 15° до 45° [1].

Схема покрытия данными космической радиолокационной съемки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема покрытия данными радиолокационной съемки

Обработка радарных снимков на исследуемую территорию в ПО SARscape.

Процесс обработки радарных данных. Первым шагом предварительной обработки импортированного в SARscape комплексного радарного снимка является процедура разделения амплитудной и фазовой составляющих с сохранением их обеих (SARscape®Tools®Conversion Complex to Phase-Module).

Входным файлом для данной процедуры является файл комплексного радарного снимка с суффиксом _slc.

Выходными файлами данной процедуры являются:

_rsp_mod - файл амплитуды отражения радиолокационного снимка, подходящий для визуального анализа;

_rsp_phase - файл фазы радиолокационного снимка.

Фильтрация амплитудных радарных изображений. Вторым шагом предварительной обработки радиолокационных снимков является удаление из изображения спекл-шума путем фильтрации.

В модуле SARscape Basic реализовано 8 алгоритмов фильтрации одиночных радиолокационных снимков и 2 алгоритма фильтрации мгогопроходных серий радиолокационных снимков. Кроме того, в отдельный модуль SARscape Gamma and Gaussian Filtering выделено семейство из 11 Гамма-Гауссовых фильтров [2].

Простейшие фильтры- Mean, Median, Mode. Три простейших фильтра Mean, Median и Mode являются универсальными алгоритмами фильтрации любых растровых изображений, включая амплитудные радарные снимки.

Выполнить фильтрацию амплитудного радарного снимка этими фильтрами можно с помощью процедуры "SARscape®Basic®Filtering®Single image".

Входным файлом данной процедуры является амплитудный снимок _pwr. Выходным файлом данной процедуры является фильтрованный амплитудный снимок _pwr_fil.

При выборе алгоритмов фильтрации Mean, Median или Mode появится окно, в котором необходимо задать размер скользящего прямоугольного окна фильтрации в пикселях.

Выбрав желаемый размер окна фильтрации, необходимо нажать кнопку "Commit" и запустить процесс фильтрации.

Фильтр "Mean" вычисляет среднее арифметическое значение пикселей в скользящем окне заданного размера и присваивает его центральному пикселю данного окна. Соседние окна перекрываются между собой. Этот фильтр является универсальным и наиболее простым, подходит в случаях, когда в дальнейшем планируется выполнить классификацию или сегментацию радарного снимка. Особенностями данного фильтра являются потеря мелких данных деталей изображения, размытие точечных целей и сглаживание контуров.

Фильтр "Median" вычисляет медиану для всех пикселей в скользящем окне и присваивает ее значение центральному пикселю данного окна, при этом скользящие окна перекрываются. Медиана является более подходящей характеристикой, чем среднее арифметическое, в случаях, когда на снимке наблюдаются очень резкие перепады яркости (например, много очень ярких точечных целей). В таких случаях один очень яркий пиксель может в случае вычисления среднего арифметического повлиять на десятки окружающих пикселей, тогда как усреднение по медиане даст более правильный результат.

Фильтр "Mode" вычисляет моду для всех пикселей скользящего окна и присваивает ее значение центральному пикселю данного окна. Этот фильтр позволяет иногда получать хорошие результаты для снимков с однородными отражающими поверхностями [3].

Построение карты смещения методом SBAS ( Small Baseline Subset). Метод SBAS представляет собой расчет точных площадных смещений при помощи серии космических снимков с маленькими базовыми линиями.

Формирование рабочей области. Для всех снимков была проведена вырезка рабочей зоны (в нашем случае граница города Алматы). Для рабочей области программы была использована вся площадь фрагментов снимков [3].

Формирование интерферограмм. На начальном этапе формирования интерферограмм были выбраны следующие параметры усреднения: (размеры пикселя на выходе процедуры формирования интерферограмм равны примерно 20 м):

для направления по дальности               Range Looks = 1                   

для направления по азимуту               Azimuth Looks = 5                    

Построение графы связи для временных серий изображений (Connection Graph). Пороговым значением для временной базовой линии установлено равным 500 дням.

После проведения процедуры Connection Graph мы получили графики связи для временных серий изображений (рисунки 2 а, б, в)

Рисунок 2а. График связи для временных серий изображений

Рисунок 2б. График связи для временных серий изображений

Рисунок 2в. График связи для временных серий изображений

Interferogram Generation. Следующим шагом является построение интерферограмм цепочки пар снимков. Для проведения фильтрации интерферограмм был использован модифицированный фильтр Goldstein, который наиболее эффективен в случаях зашумленных интерферограмм.

Для данной процедуры необходим файл DEM (digital elevation model) - цифровая модель рельефа. DEM с геопривязкой представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Цифровая модель рельефа

Анализ свернутых интерферограмм. Интерферограммы с наличием параллельных интерференционных полос не были выявлены, что, следовательно, говорит об отсутствии заметных ошибок в орбитальных параметрах [4].

Низкий уровень когерентности. Фрагменты интерферограмм, у которых полностью отсутствуют интерференционные полосы, что свидетельствует о низком уровне когерентности, что является следствием слишком большой временной (в данном случае эффект чаще всего проявляется на фрагментах с изображением растительного покрова) и пространственной базовой линии (эффект проявляется более равномерно по всей площади интерферограммы) 

Предварительный поиск участков со смещением земной поверхности. Известно, что предварительный поиск участков со смещением поверхности Земли должен производиться с помощью интерферограмм, которые имеют общее опорное изображение, но со значительно отличающимися временными базовыми линиями. "

На рисунке 4 показана интерферограмма пары снимков за 16. 06. 2004 год и 25. 08 2004 год соответственно.

Рисунок 4. Полученная интерферограмма пар снимков

Поправка орбитальных погрешностей. Поправка орбитальных погрешностей выполняется с помощью построения основных пунктов местности (ОТМ), созданных в файлах развернутой фазы. При отметке местоположения ОТМ ведется контроль отсутствия интерференционных полос, которые связанны со смещениями земной поверхности и с погрешностями топографии основной ЦМР. С целью улучшения точностных данных выходных продуктов (за счет эффективного усреднения погрешностей опорной ЦМР) было применено наиболее 25 ОТМ. Поправка проведена способом Residual Phase refinement, метод которого создан на удалении "перекоса" фазы, оцененного на файлах развернутой фазы с использованием ОТМ и который в среднем, предоставляет более постоянные и надежные результаты. С целью предоставления условий более корректной сопоставимости выходных результатов был применен общий набор ОТМ с целью двух временных серий снимков, по причине чему отбор ОТМ был выполнен на 2-ух репрезентативных интерферограммах (1-ая по данным РСА ASAR/ENVISAT, 2-ая – РСА PALSAR/ALOS), прошедших орторектификацию. Затем программное обеспечение автоматически выполнило обратное изменение местоположение ОТМ в геометрию наклонной дальности каждой из 2-ух временных серий изображений [5].

Первая инверсия. Предварительная подсчет векторов вертикальных смещений и остаточной топографии была проведена в рамках линейной модели изменений фазового сигнала временного смещения (только с оценкой средней скорости смещения), являющейся наиболее верной в отсутствие правильной априорной информации относительно характера поведения временных смещений. В последствии расчета и устранения фазовых компонентов, которые связаны со смещениями и остаточной топографией, сделана 2-ая развертка фазы свернутых интерферограмм. Уровень декомпозиции увеличился вплоть до 2-ух. Проведен повторный анализ развернутых интерферограмм.

В целом в итоге проведенного анализа свернутых и развернутых интерферограмм удалены 26 ASAR/ENVISAT-интерферограмм. Главные причины: погрешности развертки фазы и низкая когерентность из-за очень большой временной базовой линии.

Вторая инверсия и орторектификация. Атмосферная поправка сделана с применением процедур низкочастотной пространственной и высокочастотной временной фильтрации атмосферной фазы; линейные размеры квадратного окна низкочастотного пространственного фильтра L=1200 м, ширина треугольного фильтра по оси периода 365 дням.

Модель изменения сигнала фазы временных смещений осталась линейной. Вычислены более точные характеристики средней скорости смещения и временные серии накопленной деформации, свойственной любому снимку. С целью абсолютно всех итогов, полученных в рамках этапов 1 и 2-ой инверсии, проведена процесс орторектификации; размер ячейки для двух временных серий РСА-изображений определен одинаковым 25 м. Средние скорости смещения и серии накопленной деформации спроектированы на вертикальное направление.

 Последним шагом в обработке радарных данных является конвертирование растра в векторный Shape файл (Raster to Shape Conversion), с целью последующего наложения на оптический снимок Landsat.

Выходным файлом этой операции является векторный файл с вертикальными смещениями.

Уточненные значения средней скорости смещения. На рисунке 5 отображены вычисленная цифровая карта средней скорости смещения согласно данным C-диапазона (РСА ASAR/ENVISAT). При отображении полученных результатов использовалась цветовая палитра Rainbow; границы отображаемого диапазона: – 80 мм/год (красный цвет) [6].

Рисунок 5. Векторный файл вертикальных смещений, открытый в ПО ArcGIS

Список литературы:

1. Интернет ресур- http://ecoruspace.me/Envisat+1.html – Спутник ДЗЗ с. 1
2. Есполов Т.И., Мирзадинов Р.А., Марамова С.С. Мониторинг Земли и мониторинг земель. Земельные ресурсы Казахстана, 2005, № 4. с. 13-20
3. Кантимиров Ю.И. "Обзор основных методик обработки радарных данных ДЗЗ и их реализация в программном комплексе SARscape." 2012 г. с. 30
4. Компания "Совзонд" "Возможности автоматизации рабочих процессов в программном комплексе ENVI." Москва 2014 г. с. 45
5. Чандра А.М., Гош С.К. / Пер. с англ. А.В. Кирюшина. Дистанционное зондирование и географические информационные системы. Москва: Техносфера, 2008. с. 312
6. Роберт А. Шовенгердт, перевод с англ. А.В. Кирюшина, А.И. Демьяникова. Дистанционное зондирование. Модели и методы обработки изображений. Техносфера, Год: 2010, с. 352.