Podstawy Geomatyki Wykład IX SAR

Transkrypt

1 Podstawy Geomatyki Wykład IX SAR Metody aktywne Metody pasywne

2 Radar klasyczny - SLR Obraz optyczny (Atlanta, Ikonos) Obraz radarowy (Waszyngton, SIR-C/X-SAR )

3 Promień mikrofalowy wysyłany przez antenę oświetla obszar na powierzchni Ziemi (nazywany śladem anteny). W obrazowaniu radarowym zarejestrowana energia sygnału zależy od energii mikrofalowej rozproszonej wstecznie przez cele naziemne wewnątrz tego śladu. Zwiększenie długości anteny spowoduje zmniejszenie szerokości (śladu) footprintu Satelita nie może być wyposażony w bardzo długą antenę, która jest wymagana do zapewnienia wysokiej rozdzielczości obrazowania powierzchni Ziemi. Aby przezwyciężyć to ograniczenie, SAR wykorzystuje ruch statku kosmicznego do emulacji dużej anteny (około 4 km dla ERS SAR) z wykorzystniem małej anteny (10 m na satelicie ERS), w którą faktycznie jest wyposażony.

4 Początkowo radary SLAR miały rozdzielczość azymutalną uzależnioną od odległości azymutalnej satelity od oświetlanego obszaru r(t). Szerokość kątowa impulsu falowego o długości λ nadawanej przez antenę o długości d a wynosi: λ 0.03m Θ a = = = 0.01rad d 3m a δ a = Θa r0 = 0.01rad 5000m = 50m Rozdzielczość azymutalna δ a jest iloczynem szerokości kątowej i odległości r 0. da Dla anten z syntetyzowaną aperturą rozdzielczość ta wynosi δ a = = 3m 2 = 1.5m 2 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; jest koherentny 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.

5 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) Rozdzielczość obrazów: -czasowa (repetition time): od 1 dnia (TANDEM-X) do kilkudziesięciu dni (46 dni dla ALOS) -przestrzenna: od kilku metrów (TerraSAR-X) do przeszło 100 m 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 (φ) 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

6 Satelity wyposażone w system SAR: SEASAT-1: 1978 (SAR pracował jedynie 70 dni) ERS-1 (ESA): ERS-2 (ESA): ENVISAT (ESA): ALOS (JAXA): RADARSAT-2(CSA): 2007 TERRASAR-X (DLR & ASTRIUM): 2007 TANDEM-X (DLR & ASTRIUM):2010 Sentinel-1 (ESA): 2013 ALOS-2 (JAXA): 2013 Samoloty wyposażone w system SAR: AIRSAR (NASA/JPL, USA) ESAR (DLR, Niemcy) SAR-580 (CSA, Kanada) ESA European Space Agency JAXA Japan Aerospace Exploration Agency DLR - German Aerospace Center CSA Canadian Space Agency 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

7 Analiza amplitudy W przeciwieństwie do fazy, z 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 różnym czasie pozwala na badanie zmian zachodzących na monitorowanym terenie. Poniżej: Mapa klasyfikacji uzyskana metodą hierarchiczną dla 3 klas (niebieski: woda; zielony: roślinność; czerwony: obszar miejski). Port-au-Prince (Haiti) Źródło:

8 InSAR(Interferometry SAR) 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. Różnica faz = składowa odpowiedzialna za deformacje + składowa odpowiedzialna za topografię + błędy 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. Różnica faz przedstawiona jest za pomocą prążków interferencyjnych. Na ich podstawie wyznacza się topografię. Wartość różnicy fazy zmienia się w zakresie od 0 do 2π (jeden zakres kolorów). λr sinθ ha = 2B n INTERFEROGRAM R - wysokość orbity; B odległość pomiędzy satelitami; θ - kąt patrzenia satelity λ - długość fali

9 DInSAR(Differential InSAR) 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.

10 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 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.

11 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).

12 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. 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.

13 Interferogram pokazuje ruch naziemny związany z trzęsieniem ziemi w Bam w Iranie w dniu 26 grudnia 2003 r. The interferogram was created by combining an Envisat Advanced Synthetic Aperture Radar (ASAR) Wide Swath Mode (WSM) image with an Image Mode (IM) image. 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.

14 Analiza obrazów SAR Mapa punktów PS nałożona na mapę topograficzną

15 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

16 Dekompozycja polarymetryczna PolInSAR wysokość drzew