ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 3, с. 9-19
МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОБРАБОТКИ ^^^^
И ИНТЕРПРЕТАЦИИ КОСМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
УДК 528.854
МЕТОДИКА ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РСА-ИЗОБРАЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
© 2007 г. Б. М. Балтер*, Д. Б. Балтер*, В. В. Егоров*, А. П. Калинин**, И. Д. Родионов***, М. В. Стальная*
*Институт космических исследований РАН, Москва **Институт проблем механики РАН, Москва ***Институт химической физики им. Н.Н. Семенова РАН, Москва Тел.: (495) 333-35-89; e-mail: victor_egorov@mail.ru Поступила в редакцию 10.11.2006 г.
Излагаются методические вопросы имитационного моделирования РСА-изображений земной поверхности с помощью программного комплекса "Геодиалог". Описаны модели зондируемых природных и антропогенных объектов. Рассмотрены процессы рассеяния электромагнитных волн статистически шероховатыми пространственно неоднородными поверхностями с учетом поляризации зондирующего и принимаемого излучения. При моделировании РСА-изображений учтены процедуры синтеза апертуры и влияния на них спекл-шума.
ВВЕДЕНИЕ
Современный этап дистанционного зондирования (ДЗ) Земли характеризуется повышением интереса к использованию бортовых радиолокаторов с синтезированной апертурой (РСА), устанавливаемых на аэрокосмические платформы [1-3]. Это связано с независимостью работы радаров от метеоусловий и светотеневой обстановки, возможностью получения трехмерных изображений земной поверхности, в том числе и за счет глубинного зондирования, с пространственным разрешением, сравнимым с разрешением оптических сенсоров. Кроме того, информация, получаемая РСА, служит весомым дополнением к оптическим данным ДЗ, поскольку физические механизмы взаимодействия электромагнитных волн столь различных спектральных диапазонов с зондируемыми объектами и средами сильно отличаются. Несмотря на то что бортовые РСА разрабатывались и эксплуатировались сравнительно давно (с начала 60-х годов прошлого столетия), их использование было ориентировано, в основном, на обнаружение малоразмерных целей на фоне земной поверхности, которая рассматривалась как источник помех. В отличие от этого в ДЗ именно она и ее подповерхностные структуры являются предметом радиолокационного исследования. Конечно, и многие антропогенные объекты представляют большой интерес для ДЗ, например, магистральные трубопроводы, железные и шоссейные дороги, аэродромы, плотины и т.п., которые оказались "встроены" в природные геосистемы. И поэтому здесь правильнее говорить о природно-антропогенных объектах и системах.
Опыт же зондирования природных и природно-антропогенных систем с помощью аэрокосмических РСА невелик, особенно в части, касающейся методических вопросов зондирования, оптимизации параметров РСА и режимов радиолокационной съемки. В решении этих вопросов большую помощь мог бы оказать метод имитационного моделирования РСА-изображений земной поверхности.
С этой целью нами был использован один из модулей модифицируемого в настоящее время программного комплекса "Геодиалог" [1, 4], разработанного в ИКИ РАН в начале 90-х годов. Этот модуль для краткости далее называется имитатором. Имитатор позволяет симулировать РСА-изображения земной поверхности как двумерные поля яркости, на основе задания электрофизических и геометрических характеристик зондируемых геосистем [5] и, в частности, параметров их состояния, а также функций связи указанных параметров с рассеивающими свойствами объектов - компонентов геосистем. Структура и яркостные свойства РСА-изображений земной поверхности зависят, кроме того, от способа их формирования (синтез апертуры) и используемых режимов поляризации на прием и передачу. При высоком пространственном разрешении РСА получаемые с его помощью изображения подвергаются воздействию спекл-шума, проявляющемуся в появлении множества ярких "точек", резко ухудшающих визуальное восприятие сцены. Все эти эффекты, имеющие место в реальной практике радиолокационного зондирования Земли, могут быть воспроизведены имитатором.
В связи с этим, целью настоящей работы является изложение методики имитационного моделирования РСА-изображений и демонстрация возможностей имитатора комплекса "Геодиалог" в части изучения эффектов поляризации, синтеза антенной апертуры и влияния спекл-шума.
МОДЕЛИ ЗОНДИРУЕМЫХ
ПОВЕРХНОСТЕЙ, ОБЪЕКТОВ И СРЕД
Известно [5-7], что параметры излучения, восходящего от зондируемых геосистем и входящих в их состав природных и антропогенных объектов, во многом определяются электрофизическими (относительная комплексная диэлектрическая проницаемость) и геометрическими характеристиками последних.
В моделях рассеяния электромагнитных волн электрофизические свойства объектов учитываются заданием значений их локальных коэффициентов Френеля. Несколько сложнее обстоит дело с учетом геометрических характеристик объектов. Последние обычно имеют случайную структуру, поверхность которой к тому же может испытывать стохастические изменения, как, например, при волнении моря или растительного покрова под воздействием ветра.
Ниже полается, что зондируемая поверхность представляет собой совокупность нескольких структур различного пространственного масштаба, включая крупный рельеф местности (горы, протяженные пологие холмы и т.д.), крупномасштабные неровности рельефа или крупные волны морской поверхности, а также микрорельеф или мелкие волны (рябь, брызги). Последние будем называть далее мелкими шероховатостями или мелкомасштабными неровностями.
Под крупным будем понимать рельеф, горизонтальные размеры которого сравнимы с полосой обзора радара. Кроме того, будем считать, что имеется априорная информация о рельефе (обычно в виде цифровых моделей местности). В английской транскрипции такие модели представляются как Digital elevation model (DEM). Это означает, что крупный рельеф местности задается в виде детерминированной функции. Такое представление - обязательная компонента входных данных имитатора радиолокационных изображений. Без нее можно обойтись только в случае равнинной местности.
В ряде случаев для выбранной территории имеются исходные данные по углам наклона и азимуту, которые могут использоваться имитатором. Пространственное разрешение исходных данных определяет размер элементарной ячейки сцены. Сетка таких ячеек является ее носителем. Несколько забегая вперед, поясним, что разрешение генерируемого имитатором изображения мо-
жет быть выше, чем разрешение исходных данных по рельефу. В этом случае детали сцены, имеющие размер, меньше чем элементарная ячейка и называемые далее субпиксельными, не могут нести полезной информации в рамках имитационной парадигмы. Поэтому "штатный" режим имитации предполагает равенство пространственного разрешения исходных данных о зондируемой поверхности и генерируемого изображения.
Неровности рельефа и микрорельеф следует рассматривать по отношению к длине волны зондирующего сигнала РСА. Они оказывают преимущественное влияние на рассеяние электромагнитных волн при их взаимодействии с границей раздела "воздух-земная поверхность". Эта граница в подавляющем числе случаев представляет собой случайное, а часто и стохастическое двумерное поле. Случайными здесь являются неровности и наклоны рельефа и микрорельефа, а также пространственные неоднородности диэлектрических свойств поверхности.
Во многих работах (см., например, [5-7]), посвященных радиолокационному зондированию земной поверхности с аэрокосмических платформ, часто принимается нормальное распределение высот и наклонов рельефа и микрорельефа, хотя такое предположение является не вполне корректным, поскольку земная поверхность представляет собой иерархическую фрактальную структуру [8]. В то же время принятие гипотезы нормального распределения, несмотря на некоторое отступление от строгого подхода, позволяет существенно упростить и без того сложные выкладки по выводу формул для расчета рассеянного земной поверхностью электромагнитного поля. Поэтому далее рассматривается именно случай нормального распределения.
В работах [6, 7] приведено описание нескольких моделей земной поверхности, в соответствии с которыми используется тот или иной подход к расчету статистических характеристик принимаемого сигнала. Однако приводимая ниже классификация моделей в достаточной мере условна и относительна, поскольку все их параметры соотносятся с длиной волны зондирующего колебания.
Модель 1 соответствует крупным пологим неровностям земной поверхности, для которых величина стандартного отклонения (ск) больше четверти длины волны (к) падающего на нее электромагнитного излучения (ск > к/4). Кроме того, радиус пространственной корреляции неровностей крупного рельефа рк много больше к.
Модель 2 адекватно описывает так называемые мелкие неровности (микрорельеф), для которой СКО, т.е. см, и радиус корреляции рм значительно меньше к (см < к/10 и рм < к/10).
Модель 3 является комбинацией моделей 1 и 2 и предполагает наличие одновременно двух структур - крупной и мелкой.
Модель 4 используется для описания поверхности, имеющей разрывную, т.е. не гладкую структуру (например, это стены домов в городских кварталах, стволы деревьев, отвесные скалы в горах и т.п.). Эта модель обладает специфическими свойствами рассеяния, отличными от свойств трех предыдущих моделей. Поэтому ниже рассматриваются вопросы расчета характеристик эхо-сигнала именно для случая модели 3, как более общей чем модели 1 и 2, в то время как модель 4 будет использована при дальнейшем развитии комплекса "Геодиалог".
Под зондируемыми объектами, расположенными на земной поверхности или в внутри последней, будем понимать такие сосредоточенные цели, как наземные транспортные средства, самолеты на аэродроме, дороги, отдельные строения, надземные и подземные нефтегазопроводы, хранилища углеводородного сырья и другие объекты техносферы. Их геометрические размеры обычно много больше длины волны зондирующего сигнала, а иногда больше размера пиксела. Несмотря на то что форма таких объектов является сложной, но вполне регулярной, ракурс их наблюдения может быть произвольным, что в совокупности с предыдущим предположением позволяет ут
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.