Создание карты города Ташкента с использование спутниковых данных Sentinel-1

Европейский союз и Европейское космическое агентство (ESA) с программой Copernicus и, в частности, свободный доступ к данным спутниковых миссий Sentinel, подтолкнули интерес к разработке передовых методов мониторинга Земли. Эта работа сосредоточена на данных миссии радара Sentinel-1. Sentinel-1 получает изображения в C-диапазоне, охватывая 250 на 180 км в своем стандартном режиме сбора данных (широкая интерферометрическая полоса). Данные Sentinel-1 характеризуются высоким временным разрешением (цикл повторного посещения 6 дней) и умеренным пространственным разрешением (размер пикселя 14 на 4 м). Этот новый датчик предлагает улучшенную возможность сбора данных для мониторинга деформаций по сравнению с предыдущими датчиками C-диапазона (ERS-1/2, Envisat и Radarsat), значительно увеличивая потенциал мониторинга. Покрытие Sentinel-1 хорошо подходит для широкомасштабного мониторинга с использованием дифференциальноинтерферометрического радара с синтезированной апертурой (DInSAR) и интерферометрии постоянного рассеивателя (PSI) [1].

DInSAR включает использование по крайней мере пары изображений комплексного радиолокатора с синтезированной апертурой (SAR) для измерения деформации поверхности. Несколько методов DInSAR были разработаны за последние пару десятилетий. Методы PSI, которые основаны на больших стеках сложных изображений SAR, доказали свою эффективность и широко применяются [2]. Оба метода DInSAR и PSI используют фазу изображений SAR. Большинство методов PSI предполагают наличие только одного доминирующего рассеивателя на ячейку разрешения. Это предположение может быть недействительным при наблюдении наземных сцен с выраженным расширением в направлении высоты, для которых более одного рассеивателя могут попадать в одну и ту же ячейку разрешения диапазона и азимута. Это, например, происходит при наличии зданий разной высоты, чьи отраженные сигналы интерферируют в одной и той же ячейке разрешения, или в городских зонах остановок [3]. В таких областях методы PSI, которые предполагают наличие одного доминирующего рассеивателя, обычно испытывают потерю измерений деформации. Это потенциальное ограничение можно преодолеть с помощью методов TomoSAR [4]. Фактически, в таких методах использование стека комплекснозначных интерферометрических изображений делает возможным разделение рассеивателей, интерферирующих в пределах одной и той же ячейки разрешения диапазона и азимута. Это достигается путем синтеза апертур вдоль направления возвышения, что приводит к разрешению по возвышению, чтобы обеспечить полный профиль отражательной способности сцены по азимуту, диапазону, возвышению и средней скорости деформации [5]. Что касается методов PSI, TomoSAR, в дополнение к положению рассеивателей в трехмерном пространстве и их средней скорости деформации, также обеспечивает их распределение интенсивности в трехмерном пространстве, что является дополнительной информацией, которую можно удобно использовать для выбора наиболее надежных рассеивателей в реконструированной сцене. Методы томографической обработки используют как фазу, так и амплитуду обратно рассеянного сигнала и состоят из решения задачи инверсии [6].

Материалы и методы.

Мы можем скачать данные со спутника Sentinel-1 с Выбрав город Ташкент, ищем данные Sentinel- 1, выбираем и скачиваем (рис. 1). Загруженные данные обрабатываются с помощью программы Snap. В данной программе мы выполняем такие задачи как радиометрическая калибровка, радиометрическое сглаживание рельефа, удаление теплового шума С-1, коррекция дальности и доплеровского рельефа.

Целью калибровки SAR является предоставление изображения, в котором каждое значение пиксела может быть напрямую связано с обратным рассеиванием сигнала радара сцены. Хотя не калиброванное изображение SAR вполне подходит для качественного применения, калиброванные изображения SAR необходимы для использования данных SAR.

Рис.1. Загрузить данные Sentinel-1

Обычная обработка данных SAR, при которой получаются изображения Level 1, не включает радиометрическую коррекцию, при этом остаются значительные радиометрические смещения. Поэтому к изображениям SAR необходимо применять радиометрическую коррекцию, чтобы значения пикселов изображения правильно представляли рассеивание сигнала радара от отражающей поверхности. Радиометрическая коррекция также необходима для сопоставления изображений SAR, полученных при помощи различных сенсоров, или полученных от одного сенсора, но в различное время, в различных режимах или подвергшихся различной обработке.

Поскольку сенсоры SAR смотрят на объект сбоку, близкорасположенные объекты выглядят ярче, а удаленные – темнее (рис.2.). Радиометрическое сглаживание terrain нормализует значения обратного рассеяния, чтобы отличия значений отражали свойства рассеяния поверхности.

Радиометрическое сглаживание terrain необходимо для получения значимого обратного рассеяния, которое может быть отнесено непосредственно к свойствам объектов рассеяния поверхности в изображении SAR на любом terrain.

Устранение теплового шума Sentinel-1. Эта растровая функция корректирует помехи обратного рассеяния, вызванные тепловым шумом, что приводит к получению более бесшовного изображения радара с синтезированной апертурой (SAR) Sentinel-1.

Для нормализации сигнала обратного рассеяния в пределах всего изображения SAR требуется исправление или удаление теплового шума, что имеет важное значение как для качественного, так и для количественного использования данных SAR.

Тепловой шум наиболее заметен на кросс-поляризационных изображениях SAR, таких как VH или HV, и на изображениях SAR с низким обратным рассеянием. Для Sentinel-1 тепловой шум может проявляться как межполосные разрывы и наиболее заметен на сценах, охватывающих океан.

Рис.2. Радиометрическое сглаживание рельефа

Результаты и обсуждение

В этой статье я использовал данные спутника Sentinel-1 от 11 декабря 2024 года для радиометрических наблюдений города Ташкента. Исходные данные показаны на рис.3

б

a

Рис.3. Интенсивность полосы VH (а) в сравнении с амплитудой полосы VH (б) (город Ташкент)

s

■a

1,000

1,300

1,200

Л 1.100

Intensity VH in intensity

Рис.4. График рассеяния интенсивность полосы VH в сравнении с амплитудой полосы VH

По этапно используем обработки радиометрическая калибровка, радиометрическое сглаживание рельефа, удаление теплового шума С-1, коррекция дальности и доплеровского рельефа. После всех обработки результать показан на рис.5.

Рис.5. Карта города Ташкента после радиометрические обработки с помощью программы Snap

Рис.6. Карта города Ташкента (Источник Google Earth Pro)

Вывод

В данном исследовании представлен комплексный графический подход к построению города Ташкента с радиометрических данных с использованием метода сглаживающего фильтра, призванного минимизировать составляющую ошибки исходного уравнения. Благодаря гарантированному получению снимков независимо от облачности, солнечного освещения и высокой периодичности, радиолокационная съемка Sentinel-1 — ценный источник информации для картографирования удаленных и труднодоступных районов. В результате проведения экспериментальных работ сформирован общий подход к использованию снимков Sentinel-1 для картографирования урбанизации. В первую очередь, исходные    РЛ    данные    требуют    создания    производных многополяризационных или многовременных изображений, пригодных для визуального       и      автоматизированного       дешифрирования.

Автоматизированное дешифрирование наиболее эффективно выполняется при использовании многовременного изображения, составленного из разносезонных снимков в горизонтальной поляризации, однако его результаты нуждаются в редактировании с опорой на визуальный анализ. Сложность однозначной интерпретации радиолокационных изображений требует привлечения разнообразных дополнительных источников – карт и космических снимков в оптическом диапазоне.