Teledetekcja w kartografii geologicznej. wykład II

Transkrypt

1 Teledetekcja w kartografii geologicznej wykład II

2 Metoda AKTYWNA Metody aktywne

3 Satelitarna interferometria radarowa System SAR SAR (ang. Synthetic Aperture Radar) jest to radar z anteną syntetyzowaną, który wysyła w kierunku Ziemi promieniowanie elektromagnetyczne i rejestruje sygnał powracający do anteny. System SAR: jest to system aktywny; wykorzystuje mikrofale; umieszczany jest na pokładach satelitów i samolotów; jest to radar bocznego wybierania (SLAR- Side Looking Airborne Radar) Satelity z systemem SAR są umieszczane na orbitach najczęściej około km nad powierzchnią Ziemi i krążą po orbitach okołobiegunowych.

4 Satelitarna interferometria radarowa System SAR Rozdzielczość obrazów: czasowa (repetition time): od 1 dnia (TANDEM-X) do kilkudziesięciu dni (46 dni dla ALOS) przestrzenna: od kilku metrów do przeszło 100 m

5 Satelitarna interferometria radarowa System SAR Długości fal najczęściej wykorzystywane przez system SAR: pasmo X (2,5 3,8 cm) Pasmo C (3,8 8 cm) Pasmo L (15 30 cm)

6 Satelitarna interferometria radarowa Obrazy SAR Obraz bezpośrednio rejestrowany przez system SAR to tzw. hologram mikrofalowy, który po skomplikowanej obróbce i wizualizacji daje obraz radarowy. Każdy piksel obrazu radarowego zawiera informacje zarówno o amplitudzie (A), jak i o fazie ( ) sygnału powracającego do anteny. Informacja ta zapisana jest w postaci liczby zespolonej: Amplituda Dla każdego piksela obrazu radarowego wartość z SAR może zmieniać się podczas kolejnych przelotów satelity, w zależności od : odległości satelity od obiektu, charakteru zmian czasowych obiektu niejednorodności atmosfery Faza

7 Przetwarzanie obrazów SAR Satelitarna interferometria radarowa Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: * Analiza amplitudy InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

8 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) Wartość amplitudy rejestrowanej dla każdego piksela obrazu radarowego jest silnie zależna m.in. od: o wilgotności gleby, o chropowatości powierzchni. Analiza amplitudy możne być wykorzystana do badania m.in.: o wilgotności gleb, o monitoringu powodzi, o rozróżniania różnego typu skał, o badania lineamentów, o... JERS-1/SAR - Mount. Morgan(Australia) ( or.jp/e/data/analysis/)

9 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) W przeciwieństwie do fazy, z jednego obrazu amplitudy można wyciągnąć istotne informacje o obrazowanej powierzchni. Możliwa jest m.in. klasyfikacja typów pokrycia terenów. Analiza amplitudy obrazów dotyczących tego samego obszaru a wykonanych w rożnym czasie pozwala na badanie zmian zachodzących na monitorowanym terenie. Port-au-Prince (Haiti) Źródło:

10 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - powódź Obraz wykonany w trakcie powodzi Obraz wykonany miesiąc po powodzi źródło:

11 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - powódź Monitoring fali powodziowej z wykorzystaniem analizy zdjęć satelitarnych: radarowych; optycznych; Dane wykorzystywane przez: Krajowe Centrum Koordynacji Ratownictwa Rządowe Centrum Bezpieczeństwa gmes.cbk.waw.pl GMES (ang. Global Monitoring for Environment and Security) CBK Centrum Badań Kosmicznych PAN

12 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - powódź Rekomendacja osuszania terenów zalanych gmes.cbk.waw.pl

13 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - lineamenty Lineament - naturalny prostoliniowy lub łukowato wygięty element powierzchni Ziemi, najprawdopodobniej odzwierciedlający zjawiska geologiczne (głównie tektoniczne) w podłożu; w skład lineamentu mogą wchodzić fragmenty rzeźby terenu, granice jednostek geologicznych, uskoki, wystąpienia wód, strefy wegetacji i inne, długości od setek m do tysięcy km. /Encyklopedia PWN/ Prawdopodobny mechanizm powstania lineamantu spowodowanego eksploatacją górniczą (E. Pilecka, A. Piątkowska, K. Stec, Z. Buła, Z. Pilecki, M. Król Związek lineamentów z sejsmicznoscią indukowaną na terenach górniczych Górnośląskiego Zagłębia Węglowego )

14 Przetwarzanie obrazów SAR (amplituda) - lineamenty Topografia terenu jest lepiej widoczna na obrazach radarowych niż na obrazach optycznych. Istnieje wiele metod detekcji lineamentów na obrazach radarowych. Informacja o lokalizacji lineamentów może być wykorzystana do poszukiwania złóż (m.in. gazu ziemnego).

15 Przetwarzanie obrazów SAR Satelitarna interferometria radarowa Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: * Analiza amplitudy InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

16 Przetwarzanie obrazów SAR metoda InSAR Metoda InSAR (Interferometry SAR) służy do tworzenia cyfrowego modelu terenu na podstawie dwóch obrazów radarowych. Obrazy muszą być pozyskane przez tego samego satelitę w tym samym trybie zobrazowania. Obrazy SAR są nakładane na siebie i dla każdego piksela wyznaczana jest różnica faz. Master image SAR 1 (t 1 ) t 1 ~ t 2 deformacje = 0 Slave image SAR 2 (t 2 ) Różnica faz = składowa odpowiedzialna za deformacje + składowa odpowiedzialna za topografię +błędy DEM W metodzie InSAR wykorzystuje się zobrazowania SAR, które wykonano w niedługim odstępie czasu. Pozwala to wyeliminować składnik związany z deformacjami terenu. Różnica faz zależna jest wtedy w głównej mierze od topografii. perpendicular baseline

17 Przetwarzanie obrazów SAR metoda InSAR Tandem-X Tandem-X

18 Metoda InSAR Różnica faz przedstawiona jest za pomocą prążków interferencyjnych. Na ich podstawie wyznacza się topografię. Wartość różnicy fazy zmienia się w zakresie od 0 do 2 (jeden zakres kolorów) INTERFEROGRAM R - wysokość orbity; B odległość pomiędzy satelitami; - kąt patrzenia satelity - długość fali

19 Przetwarzanie obrazów SAR Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

20 Metoda DInSAR (Differential Interferometry SAR) Metoda DInSAR służy do detekcji deformacji terenu, które wystąpiły w czasie pomiędzy wykonaniem dwóch wykorzystanych zobrazowań radarowych. Podobnie jak w metodzie InSAR wykorzystuje się dwa obrazy radarowe. Obrazy nakłada się na siebie i dla każdego piksela wyznacza się różnicę faz. Różnica faz = składowa odpowiedzialna za deformacje + składowa odpowiedzialna za topografię +błędy W metodzie DInSAR wykorzystuje się DEM w celu wyeliminowania składowej odpowiedzialnej za topografię. DEM zamieniany jest na interferogram (tzw. interferogram syntetyzowany) i odejmowany jest od głównego interferogramu.

21 Selekcja obrazów SAR Aby para obrazów SAR mogła być wykorzystana w metodzie DInSAR to musi spełniać następujące wymagania: musi być pozyskana przez tego samego satelitę z tymi samymi parametrami zobrazowania; odległość bazowa (perpendicular baseline) pomiędzy miejscami, z których pozyskane zostały obrazy nie może przekraczać pewnej wartości (critical baseline). Dla satelitów ESA wartość ta wynosi około m /im mniejsza odległość bazowa tym mniejszy wpływ topografii na wartość różnicy faz/ najlepiej aby obrazy wykonane były w trybach: ascending oraz descending

22 Interferogram różnicowy Po odjęciu od głównego interferogramu interferogramu syntetyzowanego otrzymujemy interferogram różnicowy. Interferogram różnicowy składa się z prążków interferencyjnych. Przyjęty zakres kolorów (najczęściej od czerwonego do niebieskiego) reprezentuje deformacje terenu odpowiadające połowie długości fali wykorzystywanej przez system SAR.

23 Właściwości metody DInSAR Bardzo dobra rozdzielczość przestrzenna wyników. Bardzo dobra rozdzielczość czasowa wyników. Możliwość monitoringu deformacji terenu na obszarach o powierzchni kilkuset km 2. Możliwość detekcji deformacji z centymetrową (milimetrową) dokładnością. Możliwość detekcji deformacji terenu nie większych niż połowa długości fali wykorzystywanych przez system SAR. Względny pomiar deformacji. Mniejsze możliwości zastosowania metody DInSAR dla obszarów zielonych (spadek koherencji sygnału radarowego).

24 Etapy analizy DInSAR 1. Dołączenie informacji o orbitach. 2. Koregistracja obrazów. 3. Tworzenie spłaszczonego interferogramu. 4. Tworzenie obrazu koherencji. 5. Filtracja fazy interferogramu. 6. Tworzenie interferogramu różnicowego (odejmowanie topografii).* 7. Multilooking. 8. Nadawanie geoodniesienia. /*odpakowanie fazy, wyznaczenie deformacji terenu w LOS (Line os Sight) Analizowanie całej sceny radarowej jest czasochłonne obliczeniowo (szczególnie etapy filtracji fazy, koregistracji i usuwania topografii). Każdy z wymienionych etapów może trwać nawet od kilka do kilkunastu godzin.

25 Analiza DInSAR Wykorzystywane metody i parametry większości etapów analizy DInSAR należy ustalać indywidualnie dla każdej analizowanej pary obrazów SAR. Nie ma ustalonych wartości, które są odpowiednie choćby dla obrazów SAR pozyskanych z określonych satelitów. Często aby dobrać odpowiednie metody/parametry niezbędne jest wykonanie kilkudziesięciu prób i przeprowadzenie oceny otrzymanych wyników. Przy wybieraniu metod i parametrów należy kierować się: Informacją na temat sprzętu komputerowego, którym dysponujemy. Czasem realizacji zadania. Wymaganą dokładnością wyników analizy.

26 Analiza DInSAR

27 Przetwarzanie obrazów SAR Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia servoir-monitoring-with-psinsar/

28 Metoda PSInSAR Metoda PSInSAR (ang. Permanent/Persistent Scatterer InSAR) służy do detekcji niewielkich, długookresowych deformacji terenu. Cechy charakterystyczne metody PSInSAR: Wykorzystuje zestaw kilkunastu/kilkudziesięciu obrazów radarowych. Dostarcza informacje o deformacjach terenu tylko dla punktów PS (Permanent/Persistent Scatterer), które odpowiadają takim obiektom na powierzchni ziemi jak budynki, wiadukty, wychodnie skał itp. Pozwala na pomiar tylko niewielkich deformacji terenu (nie większych niż kilka/kilkanaście centymetrów na rok). Pozwala na detekcję deformacji terenu rzędu 1 mm/rok. Nie sprawdza się w monitoringu deformacji terenu na obszarach niezabudowanych. Metoda znalazła zastosowanie m.in. w monitoringu stabilności pojedynczych budynków, aktywności wulkanicznej, badaniu ruchów neotektonicznych itp.

29 Metoda PSInSAR Analiza obrazów SAR Mapa punktów PS nałożona na mapę topograficzną

30 Metoda PSInSAR servoir-monitoring-with-psinsar/

31 Przetwarzanie obrazów SAR Najczęściej wykorzystywane metody przetwarzania obrazów SAR: InSAR (Interferometry SAR) - tworzenie DEM (Digital Elevation Model) DInSAR (Differential InSAR) - detekcja deformacji terenu PSInSAR (Permanent/Persistent Scatterer InSAR) - detekcja deformacji terenu dla stabilnych rozpraszaczy radarowych POLSAR (Polarymetry SAR) - badanie mechanizmu odbicia

32 Polarymetria radarowa (PolSAR- Polarimetry SAR) Polarymetria radarowa zajmuje się analizą polaryzacji fali wysłanej i zarejestrowanej przez system SAR. Polaryzacja fali odbitej od obiektu na powierzchni Ziemi niesie informacje m.in. o: strukturze geometrycznej obiektu kształcie obiektu, orientacji obiektu, współczynniku odbicia

33 Polarymetria radarowa. Istniejące systemy SAR Pojedyncza polaryzacja Polaryzacja fali wysłanej: X Polaryzacja fali odebranej:x BACKSCATTERING COEFFICIENT {Sxx} Podwójna polaryzacja (dual-pol) Polaryzacja fali wysłanej: X Polaryzacja fali odebranej:x&y Poczwórna polaryzacja (quad-pol) Polaryzacja fali wysłanej: X&Y Polaryzacja fali odebranej:x&y pełna informacja polarymetryczna

34 Polarymetria radarowa (quad-pol) nieparzyste odbicie parzyste odbicie odbicie objętościowe

35 Polarymetria radarowa (quad-pol) PolInSAR wysokość drzew ( ar_for_forest-radar_remote_sensing_of_boreal_forest/) Dekompozycja polarymetryczna (Pauli RGB)

36 Narzędzia do przetwarzanie obrazów SAR Darmowe: NEST (ESA) DORIS StaMPS (Delft University of Technology) PolSARPro (ESA) RAT (Radar Tools) Komercyjne: ERDAS Imagine (InterGraph) GAMMA SAR (Gamma Remote Sensing)