ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 4, с. 25-28
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 528.871.6:530.1
О ВОЗМОЖНОМ ОГРАНИЧЕНИИ ПО ПРОСТРАНСТВЕННОМУ РАЗРЕШЕНИЮ РАДАРНЫХ ДАННЫХ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ТЕКСТУРЫ ЛЕСА
© 2008 г. Т. Н. Чимитдоржиев*, А. И. Захаров**
*Отдел физических проблем при Президиуме БНЦСО РАН, Улан-Удэ **Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники РАН (ФИРЭ), Московская обл. Тел.: (3012)43-32-24; e-mail: tchimit@pres.bscnet.ru Поступила в редакцию 29.11.2007 г.
Рассмотрены вопросы пространственного разрешения радарных изображений при исследовании текстуры леса. Показано, что существует определенное ограничение по пространственному разрешению. Приводятся некоторые результаты по обработке радарных данных с различным разрешением на местности.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из эффективных методов исследования земных покровов по радиолокационным (РЛ) изображениям является текстурный анализ, развитием которого считается фрактальный подход [1, 2]. Проведенные многочисленные исследования фрактальной структуры изображений, полученных различными сенсорами, позволяют говорить о некоторых преимуществах подобного рассмотрения [2]. В тоже время недостаточно изучен вопрос влияния пространственного разрешения радарных изображений на эффективность исследования текстуры леса. Актуальность этих исследований возрастает в связи с появлением радаров высокого пространственного разрешения, таких как RADARSAT, PALSAR, TerraSAR-X и др. Значительная часть проведенных исследований текстуры, в том числе и при помощи фрактального анализа, основана на использовании радарных данных с пространственным разрешением грубее 24-25 м.
В данном контексте интересной представляется работа [3], где указывается, что при исследованиях текстурных характеристик леса по РЛ-данным возникают некоторые ограничения по пространственному разрешению. В частности утверждается [3], что текстура может быть пригодной для анализа радарных изображений леса с разрешением на местности хуже 24.2 м.
Цель данной работы заключается в проверке возможных ограничений при анализе текстуры РЛ-изображений с различным пространственным разрешением.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для исследования, по аналогии с работой [3], был выбран участок лесного массива с преоблада-
ющим содержанием хвойных пород деревьев на равнинной части побережья оз. Байкал. Наземные данные были представлены материалами лесоустройства с детальным описанием каждого лесного выдела. Набор РЛ-данных Z-диапазона (24 см) с различным пространственным разрешением при углах падения волны 24° и 47° состоял из следующих изображений:
— радара SIR-C формата single look complex (SLC) с пространственным разрешением 5—6 м;
— радара SIR-C формата multi look complex (MLC) - 25 м;
— радара PALSAR формата SLC с разрешением 6.6, 13.5, 15 м;
— радара PALSAR формата MLC — 23.5 м.
Поскольку в данной работе оцениваются возможности РЛ-изображений с различным пространственным разрешением, для классификации участков леса с различными параметрами, то временньш различием можно пренебречь. Для расчетов был использован метод вариограмм, описанный в работе [4].
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Изображения поля локальной фрактальной размерности, характерные для обоих сеансов SIR-C формата MLC с пространственным разрешением 25 м, представлены на рис. 1. Более светлыми тонами изображены участки леса с фрактальной размерностью, близкой к 3, которые нами интерпретируются как объемные неоднородности — леса. Соответственно темными — участки с размерностью, близкой к 2, — неоднородности/неровности поверхности, которые соответствуют безлесным участкам. Поскольку в данном исследовании не ставилась задача точного определения значений
26 ЧИМИТДОРЖИЕВ, ЗАХАРОВ
Рис. 1. Поле локальных фрактальных размерностей для изображения 8Ш-С: а — на согласованной горизонтальной поляризации; б — на кроссполяризации.
Рис. 2. Поле локальных фрактальных размерностей для изображения РЛЬ8ЛК: а — на согласованной горизонтальной поляризации; б — на кроссполяризации.
фрактальной размерности для различных участков леса, то конкретные величины не приводятся.
Отметим тот факт, что на рис. 1б участок леса, идентифицированный на согласованной горизонтальной поляризации (рис. 1а) как объемная неоднородность, имеет размерность, соответствующую шероховатой неоднородности (близкую к 2). Данный участок показан на рис. 1 стрелками и по наземным данным соответствует лес-
ным сосновым выделам с высотой деревьев порядка 3—10 м и диаметром стволов 4—8 см. Другие участки леса со стабильной фрактальной размерностью на разных поляризациях имеют среднюю высоту деревьев порядка 10—18 м и диаметр стволов 10—22 см.
На рис. 2 представлены характерные изображения, полученные по РЛ-данным с разрешением на местности 24 м и лучше. На этих изображениях ис-
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА № 4 2008
О ВОЗМОЖНОМ ОГРАНИЧЕНИИ ПО ПРОСТРАНСТВЕННОМУ РАЗРЕШЕНИЮ
27
ционных параметров древостоя. Дело в том, что при высоком разрешении, например для Тегга8ЛЯ-Х (декларируемое разрешение 1 м), на изображении, по всей вероятности, будет отображаться пространственное распределение и отдельных деревьев, и плотно стоящих групп деревьев, как это установлено при имитации аэрокосмического зондирования [5]: максимумы интенсивности отраженного радарного сигнала хорошо кор-реллируют с пространственным расположением отдельных деревьев. В случае же более низкого разрешения данный эффект усредняется и обратное рассеяние в большей степени зависит от когерентного сложения волн от множества рассеивателей (ветви и стволы деревьев) в пределах пиксела, который уже будет охватывать несколько десятков деревьев. Тогда обратное РЛ-рассеяние будет характеризовать усредненные биофизические параметры леса.
В качестве подтверждения данного факта рассмотрим характерный профиль поляриметрической разности фаз (разности фаз сигналов на согласованных горизонтальной и вертикальной поляризациях) на изображении Х-диапазона. На рис. 3 горизонтальной светлой линией выделена прямая, вдоль которой построен профиль на рис. 4. По оси абсцисс (рис. 4) отложен номер пиксела, по оси ординат — разность фаз в градусах. Значительное влияние спекл-шумов снижено в данном случае при помощи медианного фильтра с окном 15 х 15 пикселов. Профиль на рис. 4 можно интерпретировать следующим образом:
Пикселы
Рис. 4. Профиль изменения разности фаз. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА № 4 2008
Рис. 3. Изображение разности фаз сополяризованных сигналов 81Я-С.
кажена форма безлесных участков, а лесной массив в отличие от предыдущего рассмотренного случая по указанным выше таксационным параметрам не дифференцируется.
По результатам моделирования в [3] установлено, что обратное рассеяние чувствительно к пространственному распределению деревьев, а это негативно сказывается на определении такса-
28
ЧИМИТДОРЖИЕВ, ЗАХАРОВ
— две моды в центре — безлесные участки, разделенные лесополосой;
— фрагмент слева с вариациями —70...—40 соответствует лесным выделам с более плотным расположением деревьев, где полнота более 0.8.
— фрагмент справа с вариациями —40.—10 соответствует более редкому лесу с полнотой древостоя менее 0.8.
В случае PALSAR и SIR-C (с разрешением 24 м и менее) указанной существенной дифференциации не отмечается, что является косвенным доказательством того, что разделение лесных массивов по таксационным параметрам становится более сложной задачей при разрешении РЛ-изображе-ний менее 25 м.
Данное исследование позволяет говорить о существовании определенного порога по пространственному разрешению при исследовании таксационных параметров древостоя, что согласуется с данными моделирования [3]. Однако наряду с характеристиками радарных изображений данный порог в значительной мере будет определяться типом леса, пространственным распределением деревьев и другими таксационными параметрами леса.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, в некоторой степени подтверждено установленное в работе [3] ограничение по пространственному разрешению при анализе радарной текстуры лесных массивов. Данное ограничение, на наш взгляд, является принципиальным при интерпретации текстуры РЛ-данных высокого пространственного разрешения применительно к лесным массивам и может быть полезным при выборе оптимального разрешения РЛ-изображений
для исследования лесов, в том числе и при помощи анализа текстуры.
В целом можно говорить лишь о существования ограничения по пространственному разрешению радарных данных при изучении текстуры леса. Однако для более точного определения порогового значения необходимо проведение дальнейших исследований изображений, полученных радарами с различным пространственным разрешением, разными частотными диапазонами и на разнообразных тестовых участках.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ гранта 08-02-98010-р_сибирь_а.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Myint S.W. Fractal approaches in texture analysis and classification of remotely sensed data: comparisons with spatial autocorrelation techniques and simple descriptive statistics // Int. J. Rem. Sens. 2003. V 24. № 9. Р. 1925—1947.
2. Sun W., Xu G., Gong P., Liang S. Fractal analysis of remotely sensed images: A review of methods and applications // Int. J. Rem. Sens. 2006. V. 27. № 22. Р. 4963—4990.
3. Weishampel J.F., Sun G., Ranson K.J. et al. Forest textural properties from simulated microwave backscatter: the influence of spatial resolution // Rem. Sens. bnvir-ion. 1994. V. 47. Р. 120—131.
4. Чимитдоржиев Т.Н., Архинчеев В.Е., Дмитриев А.В., Цыдыпов Б.З. Фрактальный анализ радиолокационных поляриметрических данных для классификации земных покровов // Исслед. Земли из космоса. 2007. № 4. С. 27—33.
5. Yakubov V. P., Telpukhovskiy E. D., Tsepelev G.M. et al. Measured spectrum and polarization of wideband radar signal from forest stand // Proc. IGARSS 2004. Toulouse, France, 4195—4197. http://jre.cplire.ru/jre/ oct02/2/text.html
About Limitation on SAR Spatial Resolution for Texture Analysis of Forest
T. N. Chymitdorzhiev*, A. I. Zakharov**
* Physics Problems Department of Buryat Sci
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.