научная статья по теме ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФЛУКТУАЦИЙ РАДАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЛЕСНОГО ПОЛОГА Космические исследования

Текст научной статьи на тему «ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФЛУКТУАЦИЙ РАДАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЛЕСНОГО ПОЛОГА»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2007, № 5, с. 80-82

КРАТКИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ СООБЩЕНИЯ

УДК 530.1:528.871.6

ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФЛУКТУАЦИЙ РАДАРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ЛЕСНОГО ПОЛОГА

© 2007 г. Т. Н. Чимитдоржиев*, В. Е. Архинчеев, А. В. Дмитриев

Отдел физических проблем при Президиуме БНЦ СО РАН, Улан-Удэ *Тел.: (3012)433224; e-mail: tchimit@pres.bscnet.ru Поступила в редакцию 15.03.2007 г.

Исследовано наличие корреляции пространственных флуктуаций полностью поляриметрического радарного рассеяния и углового распределения ветвей деревьев. В качестве инструмента обработки поляриметрических радиолокационных изображений использован мультифрактальный анализ.

ВВЕДЕНИЕ

Возрастающее количество радиолокационных систем дистанционного зондирования земной поверхности, например ERS-1, 2; Radarsat-1, 2; Епуь sat; PALSAR; TerraSAR X, L и другие радары аэрокосмического базирования, свидетельствует о возрастающем интересе к данным радиодиапазона. Вместе с тем достаточно динамично развиваются методы обработки данных, включая интерферометрию, поляриметрию, текстурный анализ [1] и другие. Значительные результаты получены при объединении интерферометрии и поляримет-рии [2], однако не достаточно изученным остается вопрос поляриметрического текстурного анализа радиолокационных (РЛ) изображений. Развитием текстурного анализа является фрактальный подход [1], описывающий степень геометрической сложности, неоднородности объекта исследования [3, 4]. Фрактальный подход и, в целом, текстурный анализ применительно к радиолокации можно трактовать как оценку пространственных вариаций интенсивности обратного радарного рассеяния. При подобном подходе принципиальным является тот факт, что в нем учитывается степень неоднородности исследуемых природных сред.

Известно, что большинство неоднородных природных сред обладает несколькими фрактальными размерностями, т.е. так называемой мультифрактальной размерностью [4]. Например, структура деревьев различна в горизонтальной и вертикальной плоскостях, следовательно, пространственные флуктуации на различных поляризациях будут различаться. Данное утверждение согласуется с теоретическими и экспериментальными исследованиями [5, 6]: флуктуации сигнала обратного радарного рассеяния зависят не только от длины волны, но и от поляризации. Кроме того, установлено [7]: максимумы интенсивности отраженного радарного сигнала хорошо

корреллируют с пространственным расположением отдельных деревьев.

Резюмируя изложенное выше, можно полагать, что существует корреляция между флуктуа-циями радарного поляриметрического рассеяния и структурой лесного полога, что и является предметом данного исследования. В качестве инструмента обработки данных используется фрактальный подход. Работа является продолжением исследований, выполненных авторами в работе [8].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве тестового был выбран сосновый лесной массив с детальным описанием таксационных характеристик каждого выдела. Данные дистанционного зондирования были представлены РЛ-изображениями, полученными радаром SIR-C в L- и С-диапазонах. Съемка осуществлялась в юго-восточном направлении 9 и 10 октября 1994 г. на восходящих витках.

Предварительно, по аналогии с работой [9], на основе поляриметрических изображений (НН, HV, VV, VH) были синтезированы промежуточные поляризации на приеме. При неизменной горизонтальной поляризации зондирующего сигнала угол наклона линейной поляризации на приеме составил 0° (НН), 20°, 40°, 60°, 80°, 90° (НУ), 100°, 120°, 140°, 160° от горизонтали. Для вертикальной поляризации на излучении (угол наклона 90°) аналогично предыдущему были синтезированы поляриметрические данные. Для всех поляриметрических комбинаций построено поле локальных фрактальных размерностей. Для расчетов использовался метод вариограмм, описанный в работе [8].

На рисунке представлены результаты расчета фрактальной размерности, которые количе-

ПОЛЯРИМЕТРИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ФЛУКТУАЦИЙ

81

ственно характеризуют пространственные флуктуации обратного рассеяния. Сплошной линией обозначены данные для ¿-диапазона, пунктирной линией - для С-диапазона. Представленные на рисунке усредненные значения фрактальной размерности определялись по 30 участкам леса со сходными характеристиками в окне размером 20 х 20 пикселов. Среднеквадратичные отклонения обозначены соответственно вертикальными линиями: сплошными - для ¿-диапазона, пунктирными - для С-диапазона. По оси абсцисс отложен угол наклона линейной поляризации на прием, по оси ординат - локальная фрактальная размерность.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Вариации значений фрактальной размерности в С-диапазоне (рисунок) вызваны сложными процессами рассеяния и переотражения электромагнитной волны от ветвей, сучьев и стволов деревьев, соизмеримых с длиной волны [10]. Характер изменения кривых для сантиметрового диапазона показывает, что пространственные флуктуации значительны для кросс-поляризации: на рисунке (а) - это угол наклона поляризации 90°, соответствующий ЯУ-компоненте, на рисунке (б) - это углы 0° и 180°, соответствующие УЯ-компоненте. В работах [6, 10] установлено, что в создании эффекта деполяризации главным образом участвуют ветви деревьев. Следовательно, флуктуации в промежутке углов 40°-140° (рисунок а), 20°-140° (рисунок б) определяются ветвями и сучьями, которые расположены под данными углами. Подобное угловое распределение подтверждается наземными наблюдениями.

В ¿-диапазоне имеет место различная зависимость пространственных флуктуаций для волн с горизонтальной и вертикальной поляризациями на излучение. Как показали теоретические расчеты [6], глубина замираний эхо-сигнала выше на горизонтальной поляризации, чем на вертикальной, а волновой фронт горизонтально поляризованной волны слабее разрушается лесным пологом. Данный факт согласуется с полученными результатами, которые показывают, что:

- в случае горизонтальной поляризации на излучение, флуктуации обратного рассеяния не зависят от угла наклона поляризации на прием, т.е. волна незначительно взаимодействует с ветвями и рассеивается в большей степени подстилающей поверхностью;

- для вертикальной поляризации на излучение волна в большей степени рассеивается ветвями, которые ориентированы в промежутке углов 20°-150°.

Интересным, на наш взгляд, является симметричность кривых для горизонтальной поляриза-

Фрактальная размерность 3.0 а

2.8

2.6

2.4

2.2

2.0

1 1 !\

Т

Г

I / /

1

^ т

\| 1.

1

1-- + -

0 3.0

2.8 2.6 2.4 2.2 2.0

30

60

90

120 150

180

0

30

60

90 град

120 150

180

Зависимость фрактальной размерности от угла наклона плоскости поляризации на прием: а - для горизонтальной поляризации на излучении; б - для вертикальной поляризации на излучении.

ции в отличие от вертикальной, что можно объяснить большим взаимодействием вертикально поляризованной волны с ветвями, которые в свою очередь имеют асимметричное распределение из-за различия геометрии естественного освещения кроны деревьев Солнцем.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты анализа показали, что поляриметрические особенности флуктуаций радарного рассеяния хорошо характеризуют геометрию лесного полога и имеют принципиальное значение для интерпретации данных микроволнового зондирования. Небольшое расхождение по углам объясняется разным взаимодействием волн ¿- и С-диапазонов и различными поляризациями на излучение. Развитием данного подхода может быть создание поляризационных сигнатур пространственных флуктуаций для всех возможных углов эллиптичности и наклона эллипса поляризации.

Работа выполнена при частичной поддержке гранта РФФИ № 05-02-97201.

6 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА < 5 2007

82

ЧИМИТДОРЖИЕВ и др.

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. P. 19251947.

2. Cloude SR., Papathanassiou K.P. Polarimetric SAR In-terferometry // IEEE Transact. Geosci. and Rem. Sens. 1998. V. 36. № 5. P. 1551-1565.

3. Потапов А.А. Фракталы в дистанционном зондировании // Зар. радиоэлектроника. Успехи совр. радиоэлектроники. 2000. № 6. С. 3-65.

4. 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. P. 49634990.

5. Иванов В.К., Кучук Г.А., Стадник А.М., Яце-вич С.Е. Методы многочастотного радиолокационного зондирования лесов // Зар. радиоэлектро-

ника. Успехи совр. радиоэлектроники. 2005. № 7. С. 57-72.

6. Якубов В.П, Телъпуховский Е.Д., Миронов В.Л. и др. Векторное радиопросвечивание лесного полога // Журн. радиоэлектроники. 2002. № 1. http:// jre.cplire.ru/jre/jan02/1/text.html.

7. 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, 2004. P. 4195-4197.

8. 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 (в печати).

9. Van Zyl J.J., Zebker H.A., Elachi C. Imaging radar polarization signatures: theory and observation // Radio Sci. 1987. V. 2. № 4. P. 529-543.

10. Coops N.C. Eucalypt forest structure and synthetic aperture radar backscatter: a theoretical analysis // Trees. 2002. № 16. P. 28-46.

Forest Stand Reconstruction by Polarimetrie Estimation of Spatial Fluetuatons for Radar Images

T. N. Chymitdorzhiev, V. E. Arkhincheev, A. V. Dmitriev

Physics Problems Department of Buryat Science Center, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences, Ulan-Ude

Correlation between angular distribution of trees branches and spatial fluctuations of full polarimetric radar backscatter is finding. As the processing tool of polarimetric radar images the multifractal analysis is used.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА < 5 2007

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.

Показать целиком