Краткие теоретические основы радарной интерферометрии и ее многопроходных вариаций ps и sbas

      Комментарии к записи Краткие теоретические основы радарной интерферометрии и ее многопроходных вариаций ps и sbas отключены

Краткие теоретические основы радарной интерферометрии и ее многопроходных вариаций ps и sbas

Ю. И. Кантемиров

ВВЕДЕНИЕ

Радарная съемка выполняется в ультракоротковолновой (сверхвысокочастотной) области радиоволн, подразделяемой на X-, C-, L- и P-диапазоны (табл. 1). Съемка в каждом из перечисленных выше диапазонов имеет минусы и свои плюсы. Для задач мониторинга смещений земной поверхности, сооружений и зданий по каждой конкретной территории подбираются данные в одном либо нескольких из этих диапазонов исходя из типа рельефа, типа растительного покрытия, ожидаемых размеров смещений и т. д.

Таблица 1. Диапазоны радиоволновой области электромагнитного спектра

Входными данными для обработки в специальных программных комплексах являются интерферометрическая пара (или цепочка) радарных снимков. Ограничением для возможности интерферометрической обработки пары (либо цепочки) радарных снимков являются пространственная и временная базы [1].

Пространственная база (либо базисная линия) является расстоянием между орбитальными положениями радиолокатора при съемке изображений, составляющих интерферометрическую несколько (рис. 1).

Рис. 1. Схема космической съемки интерферометрической пары радарных изображений

Уровень качества результатов интерферометрической обработки зависит от величины перпендикулярной составляющей базисной линии. С одной стороны, уровень качества приобретаемой интерферометрическим способом карты смещений земной поверхности возрастает с уменьшением длины перпендикулярной базисной линии. При базисной линии, равной нулю, интерферограмма, вычисленная по таковой паре снимков, по большому счету содержит лишь фазу смещений.

Иначе, при превышении некоего критического значения базисной линии интерферометрическая обработка делается в принципе неосуществимой благодаря пространственной декорреляции.

Критическое значение перпендикулярной пространственной базы для каждой пары снимков возможно вычислено по следующей формуле:

где: Вn, cr — критическая базисная линия;

? — протяженность зондирующей волны радиолокатора;

Rr — пространственное разрешение в направлении наклонной дальности.

Остальные доводы соответствуют обозначениям к рис. 1: H1 и H2 — высота орбиты радиолокатора; R1 и R2 – дальность (путь зондирующей волны); ?1 и ?2 – углы между высотой и дальностью; B+ и B¦ — перпендикулярная и параллельная составляющие базисной линии; В — результирующая базисная линия.

По данной формуле, критическая перпендикулярная базисная линия для применяемых данных ENVISAT/ ASAR Image Mode образовывает порядка 900 — 1500 м, а для данных ALOS/PALSAR — 6500 м в режиме FBS и 13 000 м в режиме FBD (6500 м при перекрестной обработке режимов FBS и FBD). Оптимальная для расчета смещений перпендикулярная база при обоих указанных выше спутников колеблется в диапазоне от 0 до 30 % от критической базы.

Временной базой именуют временной отрезок, прошедший между съемкой изображений, составляющих интерферометрическую несколько. Понятие временной базы напрямую связано с таковой ответственной проблемой, как временная декорреляция, появляющаяся за счет трансформаций рельефа, растительности, влажности, других свойств и шероховатости отражающей радарный луч поверхности, случившихся за период между съемками. Неприятность временной декорреляции возможно решена повышением длины зондирующей волны (что повышает «просвечивающую» свойство радиоволн) или сокращением временной базы (т. е. промежутка между съемками).

На протяжении мониторинга смещений на месторождении Тенгиз был применен указанный выше подход интерферометрической обработки пар снимков, отобранных из всех вероятных пар по принципу мельчайших базисных линий. Наряду с этим итог обработки в итоге был представлен в виде карт смещений за периоды между первой съемкой и поочередно каждой из последующих съемок. Другими словами итог показывает развитие смещений во времени, и итоговую карту смещений за целый период наблюдений.

Кроме пространственной и временной баз, ответственным параметром, определяющим возможность либо невозможность интерферометрической обработки, есть разность положений Доплеровского центроида вращения Почвы для снимков пары. Все обработанные пары характеризуются низкими или обычными значениями этого параметра, что положительно сказалось на обработке.

В случае если значения пространственной и временной баз, и отличия положений Доплеровского центроида разрешают выполнить интерферометрическую обработку, то делается вероятным вычислить интерферограмму.

Любой радарный снимок интерферометрической пары содержит в себе амплитудный и фазовый слой. Амплитудный слой более пригоден для визуального анализа. Результирующая фаза Ф, полученная на протяжении интерферометрической обработки фазовых слоев снимков интерферометрической пары, в общем случае складывается из следующих компонентов:

Ф = Фtopo + Фdef + Фatm + Фn,

где:

Фtopo – фазовый набег за счет обзора топографии под двумя различными углами;

Фdef – фазовый набег за счет смещения отражающей поверхности между съемками;

Фatm – фазовый набег за счет различия длин оптических дорог из-за преломления в среде распространения сигнала;

Фn – вариации фазы в следствии электромагнитного шума.

Конкретно интерферометрическая обработка пары снимков в общем случае имеет несколько базисных шагов:

  1. Совмещение главного и вспомогательного радарных изображений интерферометрической пары (в автоматическом режиме или с ручным вводом контрольных точек).
  2. Генерация интерферограммы, являющейся результатом комплексного поэлементного перемножения основного и вспомогательного изображения , геометрически совмещенного с главным.
  3. Разделение компонентов фазы Фdef и Фtopo за счет синтеза фазы рельефа посредством имеющейся цифровой модели рельефа (ЦМР) либо цифровой модели местности (ЦММ), или модели эллипсоида, или методом задания средней по площади снимка высотной отметки (для равнинных областей) с получением на выходе дифференциальной интерферограммы, на которой один весь спектр цветов (интерференционный цикл) соответствует смещениям земной поверхности, равным половине длины волны радиолокатора.
  4. Фильтрация интерферограммы, разрешающая в определенной степени уменьшить фазовый шум (помехи) за счет загрубления выходной карты смещений земной поверхности.
  5. Получение файла когерентности для области перекрытия двух снимков, составляющих интерферометрическую несколько, в значениях от 0 до 1 для каждой пары соответствующих друг другу пикселей.
  6. Развертка фазы (процедура перехода от относительных значений фазы к полным) и устранение разрывов фазы.
  7. Коррекция значения базисной линии по наземным контрольным точкам.
  8. Преобразование безотносительных значений фазы в смещения земной поверхности в миллиметрах.

Полная цепочка интерферометрической обработки, и многие другие дополнительные функции реализованы в использованном авторами программном комплексе SARscape (разработчик SARMAP, Швейцария), являющемся дополнительным модулем программы ENVI (Exelis VIS, США).

Для анализа не пар, а многопроходных цепочек интерферометрических радарных снимков в SARscape реализованы модификации радарной интерферометрии: технологии интеферометрии постоянных рассеивателей (Persistent Scatterers) и интерферометрии малых базисных линий (SBas).

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ ПОСТОЯННЫХ РАССЕИВАТЕЛЕЙ РАДАРНОГО СИГНАЛА (PS)

Данный вариант радарной интерферометрии характеризуется максимальной точностью оценки смещений (2–4 мм по высоте). Входными данными для обработки должны являться не меньше 30 снимков одной и той же территории за различные даты, сделанных в одной и той же геометрии съемки спутникового радиолокатора [2–4].

Программой машинально выбирается главное изображение, на которое машинально с точностью до 1/100 пикселя корегистрируются остальные снимки интерферометрической цепочки. Потом программа сооружает так именуемые интерферограммы (комплексно поэлементно перемноженные фазовые слои радарных снимков) по каждой паре снимков. После этого для каждой пары оцениваются величины когерентности (меры корреляции фаз радарных снимков).

Кроме этого для каждой пары строятся карты размеров стандартных отклонений амплитуд снимков.

После этого программой определяются точки — постоянные (либо устойчивые) рассеиватели радарного сигнала. Для выбора точек употребляется пара порогов (порог корреляции амплитуд, порог когерентности, порог пространственного и временного отклонений размеров смещений первой итерации и т. д.). По окончании того как постоянные рассеиватели выяснены, для них выполняется процедура оценки фазовых разностей и мультивременной развертки фазы для точечных целей.

Как раз в разности фаз каждого снимка «зашита» величина смещений за период между съемками этих снимков.

Так, для каждой из выбранных точек восстанавливается хронология трансформации фазы во времени, которая после этого математически пересчитывается в смещения в миллиметрах. Дополнительно в ходе обработки используется особый фильтр, удаляющий вероятное влияние воздуха на интерферометрическую фазу.

Результатом обработки есть векторный файл точек, в атрибутах которых записаны:

  • смещения на каждую дату съемки;
  • среднегодовая скорость смещений;
  • суммарная величина смещений;
  • когерентность;
  • высота над эллипсоидом WGS-84.

Пример результата обработки по разработке PS приведен на рис. 2. Главным недочётом данной разработке есть ее применимость лишь для застроенных территорий, и для сооружений и отдельных зданий при съемке в высоком разрешении.

Рис. 2. Пример отображения результатов мониторинга смещений сооружений в условиях застроенной территории по способу постоянных рассеивателей

По итогам 30-проходной съемки распознаны постоянные рассеиватели радарного сигнала, для каждого из которых известны смещения на каждую дату съемки и среднегодовая скорость смещений. Точки покрашены по атрибуту «среднегодовая скорость смещений» (зеленые – стабильные, желтые – оседания, красные — интенсивные оседания). График смещений за период 30 съемок для одной из точек — в правом верхнем углу рис. 2.

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ МАЛЫХ БАЗИСНЫХ ЛИНИЙ (SBAS)

Интерферометрия малых базисных линий, в отличие от интерферометрии постоянных рассеивателей, есть менее автоматизированным способом требующим большей квалификации исполнителя. В этом случае улучшается вклад статистики в финальный итог за счет перекрестной обработки большого количества интерферометрических пар при том же самом количестве снимков [5]. Для обработки по этому способу не обязательно наличие 30 снимков, обработка вероятна и при меньшем их количестве.

К примеру, при 15-проходной цепочки неспециализированное вероятное количество пар снимков достигает 105. Из них по величине мельчайшей пространственной базы выбираются, например, 30–40 пар. Пары смогут быть перекрестными (первый проход со вторым, второй с третьим, первый с третьим, второй с четвертым и т. п.). Обработка каждой пары ведется в полуавтоматическом режиме с исполнением указанных ниже четырех шагов:

  1. Автоматическая корегистрация, расчет интерферограммы, синтез фазы рельефа, вычитание фазы рельефа из интерферограммы, фильтрация дифференциальной интерферограммы, расчет когерентности, развертка фазы.
  2. Комплект точек с высотами и известными координатами для коррекции орбитальных параметров.
  3. Расчет скорректированных дифференциальных интерферограмм и развернутых фаз.
  4. Инверсия взятых перекрестных во времени развернутых фаз по методике SBas с восстановлением последовательной во времени истории смещений. Наряду с этим в итоге кроме этого восстанавливается хронология смещений от первого снимка цепочки до последнего (пример — на рис. 3).

Рис. 3. Модель смещений (в цветовом кодировании) слева и история смещений для нескольких точек в центре локального участка оседаний светло синий цвета (справа), вычисленные по способу SBas

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Приведенные выше эти возможно обобщить следующим образом:

  • по итогам интерферометрической обработки пар радарных снимков вероятно приобретать карты смещений земной поверхности, но в карте смещений, вычисленной лишь только по одной паре снимков, смогут находиться атмосферные артефакты, неточности орбитальных параметров, фазовый шум и т.д.;
  • обработка многопроходных интерферометрических цепочек, в отличие от обработки отдельных пар снимков, разрешает исключить влияние воздуха, существенно уменьшить орбитальную погрешность и по большому счету взять значительно более статистически выверенный итог;
  • среди способов интерферометрической обработки многопроходных цепочек самые известными являются способы PS и SBas (оба реализованы в программном комплексе SARscape);
  • всецело автоматизированный способ PS разрешает добиться деформаций зданий замера и максимальных точностей смещений и сооружений (2–4 мм по высоте), и разрешает изучать деформации и смещения в динамике, но он применим в основном к застроенным территориям и требует в качестве данных не меньше 30 снимков;
  • полуавтоматизированный способ SBas разрешает кроме этого изучать деформации и смещения, характеризуется чуть меньшей точностью, чем PS, и громадными требованиями к пользователю, но он может трудиться не только по застроенным территориям, и он не требует необходимых 30 снимков (способ будет трудиться и по 12–15 снимкам, но для получения гарантированного результата все же нужно стремиться к 30 проходам).

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. M. Richards: «A Beginner’s Guide to Interferometric SAR Concepts and Signal Processing». IEEE Aerospace and Electronic, Vol. 22, No. 9, September 2007.
  2. Ferretti, C. Prati and F. Rocca: «Nonlinear subsidence rate estimation using permanent scatterers in differential SAR interferometry». Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 38, no. 5, Part 1, Sept. 2000, pp. 2202 – 2212.
  3. Ferretti, C. Prati and F. Rocca: «Permanent scatterers in SAR interferometry». Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 39, no. 1, Jan. 2001, pp. 8 – 20.
  4. Hooper, H. Zebker, P. Segall, and B. Kampes: «A new method for measuring deformation on volcanoes and other non-urban areas using InSAR persistent scatterers». Geophysical Research Letters, vol. 31, December 2004.
  5. P. Berardino, G. Fornaro, R. Lanari, E. Sansosti: «A new algorithm for surface deformation monitoring based on Small Baseline differential SAR Interferometry». IEEE Aerospace and Electronic, Vol. 40, No. 11, November 2002.

Вынос в натуру линии


Подобранные по важим запросам, статьи по теме: