CC BY
234
УДК 528.7
М.Ю. Александров
«Г ео-Альянс», Москва
НЕМЕЦКИЙ ВЫСОКОДЕТАЛЬНЫЙ РАДАРНЫЙ СПУТНИК TERRASAR-X. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРЕИМУЩЕСТВА, ВЫБОР КРИТЕРИЕВ СЪЕМКИ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ, ЦЕНОВАЯ ПОЛИТИКА
M.Y. Alexandrov «Geo-alliance»
Volokolamskoe shosse 4, Moskow, 125993, Russian Federation
RADAR SATELLITE TERRASAR-X. CHARACTERISTICS, ADVANTAGES, SURVEYING CRITERIA, APPLICATIONS, PRICE POLICY
Geo-Alliance is Partner Key Account of the Global Distribution Network TerraSAR-X Services. in accordance with the agreement with Infoterra GmbH( Germany) Geo-Alliance supply new-quality TerraSAR-X radar data, TerraSAR-X based geo-information products and services.
There are two major concepts to retrieve information on Earth:
Optical systems use sun light and thus are passive sensors. Radar systems use their own source of radiation and thus are active systems
Dielectric properties of a material governs the strength of the backscattered signal. The dielectric constant of a material describes how well electric energy can be stored in a material.
Polarisation is a radar system property. The transmitted and received signal propagates in a certain plane: Polarisation. Propagation planes are usually H (horizontal) and V (vertical)
Radar (SAR) systems have a sidelooking geometry as opposed to the central perspective view of an optical system
Consequences of side-looking geometry: Image distortion in range direction, even for flat terrain Imaging effects such as shadow, layover, foreshortening occur Geocoding: local image distortion for non-flat terrain, need for DEM Consequences for Radar backscatter quantities.
TerraSAR-X sun-synchronous repeat orbit
Velocity 7.5 km ground speed
Orbits per day 15 2/11
Repeat period 11 days
Revisit Time (doublesided view) 2.5 days in 95 % h 4.5 days in 100%
Inclination 97.440
Equatorial crossing time (local) 18:00 +-0.35, ascending 06:00+-0.35, descending
Altitude at the equator 514.8 km
Altitude variation 505 -533 km
TerraSAR-X Basic products are available in 4 levels of processing:
SSC - Single look Slant range Complex
MGD - Multilook Ground Range Detected
GEC - Geocoded Ellipsoid Corrected
EEC - Enhanced Ellipsoid Corrected
TerraSAR-X imaging modes
Imaging mode Max. Resolution Achievable (Single Pol.) Standard Scene Size (range x azimuth) [km] Polarization Full performance range
1 2 3 4 5
High Resolution SpotLight HS 1 m 10 x5 km Single (VV или HH) Dual (HH и VV) О 1П 1П 1 О О (N
SpotLight SL 2 m 10 x10 km Single (VV или HH) Dual (HH и VV) о in in 1 о О (N
StripMap SM 3 m 15 x 50 km -(single pol. data) 30 x 50 km -(dual pol. data) Single (VV или HH) Dual (HH и VV) о in i о О (N
ScanSAR SC 16 m 100 x150 km Single (VV или HH) о in i о О (N
INSAR Interferometry
Interferometric measurement techniques: use image pairs that have been acquired from slightly different sensor positions. Makes use of runtime differences. Need SSC data to be able to exploit intensity and phase. The baseline between the two images and the quality of the interferometric phase are deceisive for the accuracy of the resulting DSM. Makes use of runtime differences. Need SSC data to be able to exploit intensity and phase. The baseline between the two images and the quality of the interferometric phase are deceisive for the accuracy of the resulting DSM. INSAR Interferometry is used for many applications: Extraction of elevation information, changes detection, surface displacement measurements, vegetation monitoring, subsidence (due to construction or extraction of oil, gas, or water),monitoring of unstable slopes, surface deformation monitoring, Single pass InSAR will be with TanDEM-X mission starting (TerraSAR-X-2 will be launched at 2009) With TanDEM-X across-track interferometry applications will be available in single-pass. World-wide coverage of high accuracy DEM will be within 2.5 years. Estimated DEM (DSM) characteristics are 12 m posting, and <2 m height accuracy
С 19 по 22 ноября в городе Констанц, Германия состоялась первая Европейская конференция партнеров - дистрибьюторов TerraSAR-X Services.
Рис. 1. TerraSar Services
Организатором выступила компания Infoterra GmbH. Эта немецкая компания уполномочена заниматься коммерческой эксплуатацией спутника TerraSAR-X, подготовкой геоинформационных продуктов, сервиса и развитием дистрибьюторской сети. Компания Гео-Альянс приняла участие в Конференции в качестве российского партнера (Partner Key Account) глобальной дистрибьюторской сети TerraSAR-X Services.
В ходе встречи были заслушаны доклады по основным организационным, техническим, финансовым и правовым вопросам, касающихся предоставления сервиса на основе высокодетальных радарных данных TerraSAR-X. Наиболее важные из них будут раскрыты в этой статье: На сегодняшний день существуют два основных способа получения информации с земли: Оптические системы используют солнечный свет и поэтому считаются пассивными системами. Радарные (RAdio Detecting And Ranging) системы используют собственный источник излучения и поэтому называются активными системами.
Выявление объектов (целей) происходит путем передачи электромагнитных волн и получения волн, отраженных этими объектами.
Расстояние до цели (range) определяется по времени прохождения волной до объекта и обратно.
Радарые (SAR) системы «видят» сквозь облачность и ночью. Это позволяет например осуществлять постоянный мониторинг ледовой обстановки в период полярной ночи.
Значение «серого» в пикселе зависит от 3 факторов: SAR системы, SAR обработки и объекта. Объект в свою очередь может классифицироваться по геометрии, диэлектрическим свойствам и движению/скоростью. На уровень «серого» не влияет освещение, химический состав (за исключением соли и льда) и температура (только замерзший/незамерзший)
На рис. 2 показан механизм отражения падающей волны от различных объектов.
Рис. 2. Механизм отражения падающей волны от различных объектов
Рассеянное отражение (Diffuse reflection) от объемных.массовых объектов (таких как растительность соответствует среднему уровню «серого» и текстуры.
Зеркальное отражение (Specular reflection) от поверхностей (таких как спокойная водная поверхность) - темный уровень
Угловое отражение (Corner reflection) от таких объектов, как здания -яркий уровень.
На рис. 3 отображены поверхности, от которых рассеиваются падающие волны, в зависимости от частоты. Для спутника TerraSAR-X рассеивание происходит от поверхности, не от земли.
Рис. 3. Рассеивание падающих волн, в зависимости от частоты
Диэлектрические свойства материала влияют на силу возвращаемого отраженного сигнала. Диэлектрический коэффициент материала описывает, насколько хорошо электрическая энергия может поглощена материалом. Это
зависит от используемой частоты. Разные значения для различных материалов показывают возможность их выявления при помощи SAR табл. 3.
Таблица 3
Материал Диэлектрический коэффициент
Соль 3-15
Металл (окись железа) 14
Бетон 4.5
Скальные породы 5
Вода 88/80/55 при 0/2/100 0 С
Важным физическим параметром радарной съемки является поляризация. Поляризация это передаваемый и получаемый сигнал, распространяющийся в определенной плоскости. Поляризация - свойство присущее радарным системам (рис. 4).
Рис. 4 - Поляризация
Поляризационные плоскости обычно бывают горизонтальные H и вертикальные V (рис. 5).
HH и VV - одинаковые поляризации или совместные поляризации.
HV and VH - перекрестные или непарные поляризации.
ж
Рис. 5. HH и VV поляризации
Вертикально-поляризованная волна будет взаимодействовать с вертикальными стеблями слоя растений.
Горизонтально-поляризованная волна будет проникать сквозь слой растений.
Комбинирование разных поляризаций может улучшать различные классификации, например - определение различных классов растительности. Очень важно правильно выбирать вид поляризации в каждом отдельном проекте, чтобы улучшить требуемые характерситики результирующего продукта.
В SAR системах применяется геометрия боковой съемки, в отличии от съемки центральной проекции оптических систем. Для спутника TerraSAR-X как правило применяется правая боковая съемка. Смотри рис. 6.
В результате обработки сырых данных, активно переданный сигнал преобразуется в пиксели. Азимутальное и боковое (наклонное) разрешение имеют различные концепции.
В боковом range диапазоне съемки сигналы определяют географическое местоположение в соответствии с измеряемой разностью времени прохождения сигнала. Поэтому последовательность получения пикселей может быть нарушена в районах с сильно-выраженным рельефом или внутри городов. Боковое разрешение зависит только от ширины частотного диапазона и (150 and 300 MHz) и угла падения (Ground range). Пространственное разрешение становится лучше с увеличением угла падения.
При азимутальной съемке сигналы с одинаковым временем расположены в правильном азимутальном положении в соответствии с их Доплеровским сдвигом частоты. Пространственное разрешение улучшается действием апертуры. Азимутальное разрешение постоянно вдоль маршрута.
Азимутальное разрешение зависит только от следующих факторов: режима съемки, размера антенны и частоты повторения импульсов.
Набор данных одиночной наклонной съемки (Single Look Slant Range Complex) дает более высокое разрешение.
Во всех остальных Базовых продуктов (Multilook Ground Range Detected, Geocoded Ellipsoid Corrected, Enhanced Ellispoid Corrected) применяются от 1 до 7 сигналов в зависимости от угла падения. Заказчик может повлиять на
Footprint 300 km StripMap
Рис. 6. Правая боковая съёмка спутника TerraSAR-X
определение количества сигналов. Для проектов, в которых приоритетно улучшение пространственного разрешения ББ используют минимум сигналов. Для радиометрического улучшения требуется большое количество сигналов, при этом уменьшается пространственное разрешение.
Технические характеристики спутника TerraSAR-X-1
Основные технические характеристики солнечно-синхронной, повторяющейся орбиты спутника Тегга8АК-Х-1 приведены в табл. 2.
При помощи электронного управления сигналом осуществляется быстрое переключение режимов съемки и быстрое наведение на новые цели.
Минимальная дистанция между 2-мя кадрами для режимов: 8ро1Ъ1§Ь1:; StripMap; и ScanSAR составляет 18-30 км, 7 км и 7 км соответственно. Доступны опции мульти-поляризации и левой/правой боковой съемки. Разворот спутника для двухсторонней съемки осуществляется меньше чем за 5 минут. Прием полученных данных на Земле может происходить в режиме реального времени.
Таблица 2
Первая космическая скорость 7.5 км/с
Количество орбит в день 15 2/11
Повторение пролета 11 дней
Время повторной съемки (с двух сторон) 2.5 дня в 95 % и 4.5 дня в 100 %
Наколонение 97.44°
Местное время пересечения экватора 18:00 +-0.35, восходящий маршрут 06:00+-0.35, нисходящий маршрут
Высота орбиты над экватором 514.8 км
Изменение высоты орбиты 505 -533 км
Съемка выполняется 3-мя способами: SpotLight; StripMap; и ScanSAR. На рис. 7 показаны схемы работы спутника в этих режимах.
SpotLight режим StripMap режим ScanSAR режим
Рис. 7. Режимы съёмок спутника Теп^АК-Х
Характеристики способов съемки указаны в табл. 3.
Таблица 3
Способ съемки Макс. достигаемое разрешение (Простаяполяризация) Стандартный размер сцены (км) Поляризация Полный диапазон съемки
High Resolution SpotLight HS 1 м 10 х5 км Простая (УУ или НН) Двойная (НН и УУ) 20° - 55°
SpotLight SL 2 м 10 х10 км Простая (УУ или НН) Двойная (НН и УУ) 20° - 55°
StripMap SM 3 м 15 х 50 км -двойная поляризация 30 х 50 км -простая поляризация Простая (УУ или НН) Двойная (НН и УУ, НН и НУ, или УУ и УН) 20° - 45°
ScanSAR SC 16 м 100 х150 км Простая ^ или НН) 20° - 45°
Продукция спутника TerraSAR-X-1 предлагается в 4 основных уровнях обработки.
Набор данных одиночной наклонной съемки (SSC - Single Look Slant Range Complex) - SSC предназначен для приложений, в которых нужна информация о фазе и ширине полосы частот, например радарная интерферометрия и интерференционная поляриметрия.
- Равноудаленный пиксельный интервал в азимутальном и наклонном диапазонах съемки.
- Данные представлены как совокупность чисел.
- Каждый пиксель изображения переведен в нулевые Доплеровские координаты, т. е. перпендикулярен к маршруту полета спутника.
- Не геопривязан.
- Представлена полная информация о фазе и ширине полосы частот.
Multilook Ground Range Detected (MGD) - стандартная продукция Уровня 1B.
Координаты изображения вычислены вдоль направления полета и вдоль угла падения. Съемка осуществляется по нескольким сигналам (Multilook detected). Изображение приводится к проекции на WGS84 эллипсоиде и средней постоянной высотой рельефа. Результирующее изображение не
геопривязано и нет коррекции за влияние рельефа. MGD - это продукция с уменьшенной зернистостью и приблизительно-квадратными ячейками разрешения. Шаг пикселя равноотстоит по азимуту и углу падения. Преимущество этого продукта состоит в том, что разворот изображения в картографическую координатную систему не выполнен и поэтому нет интерполяционных артефактов. В результате точность местоположения пикселя хуже, чем в геопривязанной продукции. Прилагаются только координаты углов и центра изображения. Соответствует продукции ERS/PRI or ENVISAT/ASA_IMP_1P.
Geocoded Ellipsoid Corrected (GEC) геопривязанная, скорректированная на эллипсоид, стандартная продукция Уровня 1B. Второй по точности уровень геометрической коррекции, полученный по нескольким сигналам. Работа с GEC продукцией затруднена в районах с горным рельефом. Изображение приведено к геометрической проекции (resampling на эллипсоид WGS84 с присвоением одной средней высотой рельефа). Нет коррекции за влияние рельефа. Стандартные проекции: UTM и UPS. Точность местоположения пикселя зависит от рельефа.
Существенные различия в точности могут появляться в особенности для сильно выраженного рельефа с крутыми склонами.
GEC соответствует продукциям ERS/GEC или ENVISAT/ASA_IMG_1P.
Enhanced Ellipsoid Corrected (ЕЕС) улучшенная геопривязанная, скорректированная на эллипсоид, стандартная продукция Уровня 1 B. EEC приводится к картографической проекции на эллипсоид WGS84 с и пользованием Цифровых Моделей Рельефа. Среди них такие глобальные ЦМР как: SRTM/X-SAR 30 метровая, SRTM/C-band 100 метровая, GLOBE 1 км и региональная DTED-1/2 100 метровая. Выходное изображение получается ортоисправленным. Точность местоположения пикселя может достигать метрового уровня но зависит от качества ЦМР. Соответствует продукции ERS/GTC или ENVISAT / DLR.
Среди предлагаемых продуктов с добавленной стоимостью (VAP), отдельный интерес
Может представлять слияние восходящих и нисходящих сцен. Радарные тени обычно видимы в SAR изображениях и не всегда являются полезным атрибутом. Комбинация восходящих и нисходящих сцен на ту же территорию снижает эффекты наложения (перекрытия) и радарных теней в результирующем изображении.
Лесное хозяйство, эффективное управление ресурсами, повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, своевременное предоставление продовольственной помощи, выявление загрязнений, планирование развития территорий, топографическое и тематическое картографирование, понимание изменений климата и его влияние на окружающую среду, океанские и речные течения, качество воды, эрозионные процессы, риски наводнений, оценка ущерба при ЧС, рыболовство, постоянный мониторинг арктических территорий, нефтегазовых месторождений, контроль ледовой обстановки, определение местоположений
судов - традиционные направления, в которых эффективно используются SAR технологии.
Интерферометрические измерения в радарных технологиях позволяют решать различные задачи для множества базовых и новых приложений, таких как получение высокоточных ЦМР, выявление перемещений объектов, мониторинг приграничных территорий, нестабильных склонов, отслеживание изменений на объекте, подвижки земной поверхности, проседание почвы при добыче нефти газа и др.
Интерферометрические измерения проводятся с использованием пар снимков на одну и туже территорию, полученных с немного различных положений сенсора.
Сейчас для получения таких снимков используется 11-дневный повторный цикл TerraSAR-X-1, когда спутник оказывается на той же орбите. Необходимы SSC данные, чтобы была возможность работать с интенсивностью и фазой. Базис между 2-мя изображениями и качества интерферометрической фазы являются определяющими для точности результирующей Цифровой Модели Местности (ЦММ). Извлекаемая ЦММ, включающая поверхность растительности - это не Цифровая Модель Рельефа.
Интерферометрические (INSAR) технологии могут использоваться только в случаях хорошей связи/схожести между 2-мя изображениями (например пустыни, скалистая местность). INSAR технологии с 11 дневным циклом не применимы для тропического климата. Период - слишком длинный и связей / схожести не достаточно для работы с интерферометрией.
Намного легче будет получать INSAR после появления TanDEM-X (рис.
Рис. 8. TanDEM-X
Участники конференции увидели этот аналог спутника TSX-1 в сборочном цеху Спутникового Интеграционного Центра концерна EADS. Запуск планируется на конец 2009 года. Интерферометрические измерения будут проводиться по одиночному прохождению. А совместная работа 2-х спутников (TanDEM-X миссия) за 3 года позволит обеспечить глобальное покрытие Земли высокоточной Цифровой Моделью Рельефа с расчетной точностью по высоте менее 2 метров.
Приобрести продукцию TerraSAR-X и программное обеспечение для работы Вы можете в нашей компании. Специалисты компании Гео-Альянс, в качестве российского партнера дистрибьюторской сети TerraSAR-X Services готовы ответить на любые вопросы связанные c продукцией со спутника TerraSAR-X. У нас вы можете получить необходимую консультацию при выборе технических параметров съемки, способах ее проведения и необходимого уровня обработки. В качестве инструментария для эффективной работы с радарными снимками мы предлагаем программные решения Geomatica 10.1. Весь комплекс задач возникающих при работе с SAR данными может быть решен при помощи модулей - SAR Polarimetry Workstation, Radar DEM Extraction, Radar и ПО EarthView® InSAR.
Организуются местные и выездные курсы по обучению работе с продукцией TerraSAR-X Services.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Техническая документация и руководства пользователя по спутнику ТеггаБаг-Х [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.infoterra.de.
© М.Ю. Александров, 2008
