РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2011, том 56, № 1, с. 5-19
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН
УДК 528.85:681.3
СОВМЕСТНЫЙ АНАЛИЗ ДАННЫХ ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СЕНСОРОВ: ВОЗМОЖНОСТИ, ОГРАНИЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ
© 2011 г. Л. Н. Захарова, А. И. Захаров, М. В. Сорочинский, Г. П. Рябоконь, В. М. Леонов
Поступила в редакцию 20.05.2010 г.
Приведены этапы совместной обработки данных дистанционного зондирования земных покровов в оптическом и радиолокационном диапазонах. Проведено сравнение прикладных возможностей наблюдений Земли из космоса в двух указанных диапазонах. Проиллюстрированы возможности и ограничения методов совместного анализа. Определены наиболее предпочтительные параметры конфигурации для перспективной интегрированной схемы съемки Земли из космоса в радио- и оптическом диапазонах в интересах хозяйственной деятельности на территории России.
ВВЕДЕНИЕ
В последнее десятилетие для зондирования Земли из космоса применяют комплексный подход к обработке данных, при котором предполагается совместное использование результатов измерений, полученных при помощи различных инструментов, среди которых важную роль играют сенсоры, проводящие съемку в оптическом и радиолокационном диапазонах. Поскольку такие наблюдения Земли вследствие их специфики имеют как преимущества, так и ограничения в применении, объединение данных позволяет достичь выигрыша по сравнению с раздельной обработкой за счет расширения объема получаемой информации.
Основной целью совместной обработки (слияния) данных радиолокационного и оптического происхождения является расширение круга задач, решаемых методами дистанционного зондирования Земли, а также повышение качества данных (например, увеличение надежности, устранение или сокращение степени неоднозначности, оптимизация степени детальности, необходимая для классификации, заполнение областей отсутствия данных в случае облачности для оптических изображений или затененных областей для радиолокационных).
Объединение различных данных для совместного анализа и обработки названо в англоязычной научной литературе datafusion ("слияние данных", data — данные, fusion — интеграция, объединение, слияние, сращивание, сплавление). Указанное название отражает тот факт, что полученное комбинированное изображение объединяет информационные признаки как оптических, так и радиолокационных данных и содержит больше сведений, чем объединение информационных полей изображений, рассмотренных по отдельности.
Наиболее кратко data fusion определяется как "класс методов и средств, использующих данные нескольких сенсоров различной природы для повышения качества информации, содержащейся в этих данных" [1].
Изображения в оптическом диапазоне содержат информацию об отраженной или переотраженной энергии солнечного света, о химическом составе поверхностного слоя. Изображения, полученные в микроволновом диапазоне, содержат данные о геометрических и физических параметрах поверхности (шероховатости, ориентации, физической структуре и диэлектрических свойствах).
Существует множество обстоятельств, которые необходимо принять во внимание, прежде чем приступить к реализации того или иного метода объединения радиолокационного и оптического изображений. Главные из них следующие:
1) предельно конкретная постановка задачи, для решения которой проводится совместная обработка;
2) выбор наиболее подходящих для решения задачи типов данных;
3) выбор метода слияния;
4) выявление необходимых этапов предварительной обработки;
5) вычленение из набора данных нескольких каналов, слияние которых даст наилучший результат.
Первый пункт является ключевым и определяет последовательность дальнейших действий. При выборе данных для обработки следует обратить внимание на следующие характеристики:
1) на параметры орбиты и носителя,
2) на геометрию съемки,
3) на спектральное, пространственное и временное разрешение.
Под временным разрешением понимают повторяемость съемок одной и той же территории, что важно для задач мониторинга естественных процессов, анализа динамики параметров земных покровов, различных сезонных и других изменений на поверхности Земли.
При обработке следует уделить особое внимание выбору метода слияния. От него зависит тип предварительной подготовки данных. Например, в случае точечных методов (см. ниже классификацию методов слияния) необходимо высокоточное геокодирование или совмещение всех изображений. В зависимости от геометрических свойств изображений следует определить необходимые требования к обработке:
1) геометрическую модель трансформации,
2) контрольные точки (число, распределение, точность),
3) цифровую модель рельефа,
4) метод переоцифровки (передискретизации).
Конкретные задачи определяют также желательное время съемки (сезон, повторяемость, число сеансов), требования к погодным условиям (температуре, облачности, наличию или отсутствию осадков до/во время/после съемки). Важным фактором, определяющим выбор оптимальных данных и метода слияния, является степень пересеченности рельефа местности в зоне съемки.
В зависимости от информационного уровня, на котором выполняется основная часть совместной обработки, алгоритмы слияния данных оптических и радиолокационных сенсоров могут быть условно разбиты на три группы:
1) уровень элементов изображения (точечный уровень),
2) уровень объектов,
3) уровень решений.
Слияние изображений на точечном уровне подразумевает обработку самого низкого уровня с поэлементным объединением исходных изображений. Таким образом, в каждый элемент нового изображения закладывается информация с обоих сенсоров. Именно поэтому необходимо очень точно совмещать изображения (как вариант использовать геокодирование), поскольку погрешности совмещения приведут к ложной интерпретации и ошибочным результатам.
Слияние изображений на уровне объектов требует предварительного их выделения на обоих изображениях (процедура сегментации). В зависимости от типов решаемых задач такими объектами могут быть следующие: линейные структуры, границы, замкнутые кривые, области определенной геометрической формы, размера, типа отражения/рассеяния, текстуры и так далее. При помощи различных статистических методов, нейронных сетей и других
алгоритмов дальнейшей обработке подвергаются именно эти объекты.
К уровню решений (называемому в литературе уровнем интерпретации) относится группа методов, при которых каждое изображение обрабатывают по отдельности, извлекают необходимую информацию, после чего результаты объединяют, применяя определенные правила принятия решений (в том числе и с привлечением дополнительной информации) для согласования результатов и определения степени достоверности полученных измерений при дальнейшей интерпретации.
Методы слияния изображений относятся к си-нергетическим технологиям, поскольку при совместном анализе данных оптических и радиолокационных сенсоров полученная информация является не избыточной, а комплементарной, при которой различные источники удачно дополняют друг друга. При слиянии изображений часто приходится привлекать дополнительные данные (топографические карты, координаты глобальной позиционной системы GPS (Global Positioning System), геофизическую информацию и т.д.). В литературе к методам слияния изображений относятся такие понятия, как анализ комбинированных, согласованных, комплементарных, совмещенных, составных изображений [2—4].
1. СРАВНЕНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ОПТИЧЕСКИХ И РАДИОЛОКАЦИОННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
Оптические наблюдения, как известно, основаны на рассеянии солнечного излучения и регистрации его оптическими системами различного типа и разрешения по поверхности и электромагнитному спектру. Стандартными ограничениями на проведение оптических наблюдений являются типовая освещенность (безоблачная погода, светлое время суток) и повторяемость условий съемки, в связи с чем выбирают солнечно-синхронные орбиты космического аппарата-носителя. Оптические наблюдения, как правило, выполняются в широкой спектральной полосе, на них не влияют шумы интерференции (спекл-шумы), которые характерны для радиолокационных и оптико-голографических систем наблюдений.
Оптические наблюдения проводятся, как правило, в надирной области съемки или вплоть до 45°...50° по углу падения, вследствие этого они свободны от искажающего влияния рельефа на получаемое изображение типа затенений рельефа или заворота изображения.
Оптическое изображение современных систем характеризуется очень высоким, субметровым разрешением. Разрешающая способность космических снимков ограничивается двумя факторами: дифракционным пределом, зависящим от апертуры
(размера входного отверстия) оптической системы, а также искажениями из-за неоднородностей атмосферы. Адаптивная оптика позволила резко повысить характеристики наземных астрономических инструментов [5], однако непосредственно использовать методы адаптивной оптики в космических системах дистанционного наблюдения Земли невозможно. Это связано с рядом факторов, и в первую очередь с тем, что источник искажений находится в нижних слоях земной атмосферы, в непосредственной близости к объекту наблюдений. Это налагает ограничения на разрешение оптических систем.
Изображения, получаемые в оптике, имеют вид, привычный для человеческого глаза. Их может понять и дешифрировать неподготовленный пользователь.
В результате многоспектральных оптических наблюдений можно построить спектральные кривые рассеяния для подстилающей поверхности, что полезно для классификации земных покровов. Вместе с тем слабое проникновение света в толщу исследуемых земных покровов ограничивает информацию об отражающем объекте, сводя ее к сведениям о тончайшем верхнем слое. Маскирующее влияние облачности, тумана, растительности серьезно сокращает возможности оптических наблюдений. Применение оптических наблюдений в высокоширотных районах невозможно в течение длительной полярной ночи.
Проводимые в другом диапазоне электромагнитного спектра радиолокационные наблюдения обеспечивают качественно иные возможности и другую информацию. Как известно, основным достоинством этих систем является нетребовательно
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.