Φωτογραμμετρία ΙΙ: SAR

Transcript

1 Φωτογραμμετρία ΙΙ: SAR ΣΑΤΜ ΕΜΠ Aπρίλιος 2013 Δ. Βασιλάκη, Α. Γεωργόπουλος

2

3 Δέκτες καταγραφής / απεικόνισης Δέκτης: μια συσκευή που μπορεί εντοπίζει τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ανακλώνται ή εκπέμπονται από ένα αντικείμενο. Δέκτες καταγραφής Περιοχή Υπεριώδης Μήκος Κύματος (λ) 100A - 0.4μm Ορατή 0.4 ~ 0.7μm Υπέρυθρη 0.7μm - 0.1mm Βραχέα Ραδιοκύματα Δέκτες απεικόνισης Μικροκύματα 0.1-1mm 1mm - 1m Κανάλι Μικρο κυμάτ ων 1m - 100Km Εφαρμογή G W V Ka cm Έλεγχος εναέριας κυκλοφορίας K cm περιορισμένης χρήσης Ku cm Δορυφορική αλτιμετρία X cm SAR, ωκεανογραφικά, μετεωρολογικά C cm SAR, μετεωρολογικά S cm μετεωρολογικά L 30-15cm SAR, έλεγχος κυκλοφορίας P cm πειραματικά UHF VHF HF Μακρά Μήκος Κύματος

4 Δέκτες καταγραφής / απεικόνισης πηγή Ενεργητικοί Δέκτες Παθητικοί Δέκτες?

5 Δέκτες καταγραφής / απεικόνισης Ενεργητικοί Δέκτες Δέκτες καταγραφής Δέκτες απεικόνισης Παθητικοί Δέκτες Δέκτες καταγραφής Αλτίμετρα RAR/radar Βαρυτήμετρα Ραδιόμετρα SAR Μαγνητόμετρα Βυθόμετρα Laser Ραδιόμετρα GPS Δέκτες απεικόνισης Φωτομηχανές

6 SAR = Synthetic Aperture Radar Συσκευές radar: ρύθμιση εναέριας κυκλοφορίας παρακολούθηση ταχύτητας οχημάτων από τροχαία αυτόματο άνοιγμα θυρών μετεωρολογία (ανίχνευση τυφώνων/καταιγίδων) εντοπισμός στόχων (στρατιωτικούς σκοπούς)... RADAR: RAdio RA Detection And Ranging συσκευή που εκπέμπει ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα το οποίο περνά μέσα από την ατμόσφαιρα, επιδρά πάνω στο στόχο, επανεκπέμπεται, περνά πάλι μέσα από την ατμόσφαιρα και τέλος επιδρά πάνω στο radar. ενεργητικός δέκτες μικροκύμα (λ: 1mm 1m) SAR Συνθετική κεραία/άνοιγμα Lσυνθετικής κεραίας = Lφυσικής κεραίας x... Εικόνα ΟΧΙ ΟΠΤΙΚΗ ΕΙΚΟΝΑ / ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΑ

7 Τι είναι το RADAR? Ένα σύστημα Radar εκτελεί τρεις βασικές λειτουργίες: - Εκπέμπει μικροκύματα προς ένα αντικείμενο - Δέχεται το τμήμα της ακτινοβολίας που ανακλάται από το αντικείμενο - Καταγράφει την ένταση και τον χρόνο της επιστροφής

8 Αρχή λειτουργίας RADAR

9 Ορισμοί SLAR Sideways Looking Airborne Radar Μετρά απόσταση προς τα χαρακτηριστικά στο έδαφος που ανακλούν την ακτινοβολία. Χρησιμεύει στην δημιουργία απεικόνισης χαμηλής διαχωριστικής ικανότητας. SAR Synthetic Aperture Radar Λειτουργεί με την ίδια αρχή, αλλά επιτυγχάνει πολύ μεγαλύτερη ανάλυση με την βοήθεια ψηφιακής επεξεργασίας των πολλαπλών καταγραφών IfSAR Interferometric SAR Προσδιορίζει X, Y, Z από δύο απεικονίσεις SAR με την χρήση των αρχών της συμβολομετρίας (εκμετάλλευση διαφοράς φάσης)

10 Μετρήσεις SAR φάση (φ) - χρόνος εικόνα SAR πλάτος (Α) - ένταση Α = cosθ = cos(wt) Φανταστικός (i) θ=wt λ A φ A π 2π θ Α Q=Αsinθ θ I=Acosθ Πραγματικός (j) Τιμή pixel= I 2 +Q2 Τιμή pixel= I 2 +Q2 2Δ μιγαδική εικόνα

11 Μετρήσεις SAR

12 Μετρήσεις SAR οπτική SAR

13 Μετρήσεις SAR πόλωση (P) Το ηλεκτρομαγνητικό κύμα που εκπέμπει το radar αποτελείται από ένα ταλαντούμενο ηλεκτρικό και ένα ταλαντούμενο μαγνητικό πεδίο. Το κύμα αυτό μπορεί να καθοριστεί από τους κατασκευαστές να έχει οριζόντια πόλωση (Η) ή κατακόρυφη πόλωση (V). οριζόντια πόλωση (H) το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται στο οριζόντιο επίπεδο. κατακόρυφη πόλωση (V) το ηλεκτρικό πεδίο ταλαντώνεται στο κατακόρυφο επίπεδο. HH: εκπέμπει και λαμβάνει κύματα οριζόντιας πόλωσης VV: εκπέμπει και λαμβάνει κύματα κατακόρυφης πόλωσης HV: εκπέμπει κύματα οριζόντιας πόλωσης και λαμβάνει κύματα κατακόρυφης πόλωσης VH: εκπέμπει κύματα κατακόρυφης πόλωσης και λαμβάνει κύματα οριζόντιας πόλωσης πόλωση μια παράμετρος των συστημάτων SAR, που επηρεάζει τον τρόπο που φαίνεται μια εικόνα.

14 Βασική γεωμετρία SAR

15 Επίπεδο εικόνας SAR SAR Το επίπεδο της εικόνας SAR δεν υφίσταται φυσικά, αλλά ορίζεται εικόνα κεκλιμένων αποστάσεων θ 500 Km SD= c t / 2 HD GD φ εικόνα οριζοντίων αποστάσεων γεωμετρία δέκτη + έδαφος εικόνα γεωμετρικά διορθωμένη (ορθοεικόνα)

16 Δι εύ (χρ θυ ον νσ έγ ικ ηπ ι νε ή τή η μ στιγ ση ς μ έτ ή ρη π ση ου ) Σύστημα αναφοράς εικόνας SAR SAR Σύστημα αναφοράς μιγαδικής εικόνας SAR κεκλιμένων αποστάσεων (SDi, ti) - μετάθεση - κλίμακα Δι εύ θυ ( α μέ πό νσ τρ στ ησ ησ ασ άρ εο η ωσ δέ που ης κτ ης )

17 Διεύθυνση πτήσης tj Εικονοστοιχείο εικόνας SAR Το χρονικό διάστημα (tj ti) ο δέκτης διένυσε απόσταση b pixel S Dj S Di = a b a b a Διεύθυνση σάρωσης ti SDi pixel SDj Διαφορετική κλίμακα στις δύο διευθύνσεις Η κλίμακα (a) στη διεύθυνση σάρωσης καθορίζεται από το μήκος του παλμού (a cτ/2) Η κλίμακα (b) στη διεύθυνση πτήσης καθορίζεται από το φυσικό μήκος (L) της κεραίας του δέκτη SAR (b L/2) Παραμορφωμένη εικόνα (b>a συμπιεσμένη) Τι διαστάσεις/σχήμα έχει μια περιοχή που απεικονίζεται σε SAR εικόνα κεκλιμένης γεωμετρίας: 1000 x 500 pixels, με κάθε τετράγωνο pixel να αντιστοιχεί στον πραγματικό χώρο σε a=1m x b=2m?

18

19

20 Εικονοστοιχείο εικόνας SAR Μέγεθος εικονοστοιχείου στη διεύθυνση πτήσης bπτήσης L/2 Δηλαδή για να επιτευχθεί καλή ανάλυση (όσο το δυνατόν μικρότερο b πολύ μικρή κεραία πτήσης ), χρειάζεται: Μέγεθος εικονοστοιχείου στη διεύθυνση σάρωσης aσάρωσης cτ/2 Δηλαδή για να επιτευχθεί καλή ανάλυση (όσο το δυνατόν μικρότερο (a σάρωσης ), χρειάζεται: να εκπέμπεται παλμός πολύ μικρής διάρκειας (τ) Παρά τις τεχνικές, υπάρχουν φυσικοί περιορισμοί περαιτέρω βελτίωση επιτυγχάνεται με: υπολογιστική υλοποίηση συνθετικής κεραίας Lσυνθετικής κεραίας = Lφυσικής κεραίας x... μήκος συνθετικής κεραίας =f(πόση ώρα ένα σημείο ακτινοβολείται από το δέκτη) (υπολογιστική αξιοποίηση εσκεμμένης κίνησης της φυσικής κεραίας)

21 Πλευρική γεωμετρία λήψης Εικόνα SAR : κεκλιμένες αποστάσεις SD2 S D1 SD2 < SD1 SD2 = SD1 SD2 πλευρική γεωμετρία λήψης ευνοικότερη (αναγκαστική) SD1 κατακόρυφη γεωμετρία λήψης πολύ προβληματική (αδύνατη) SAR SAR SAR SD1 SD1 SD2 SD2 SD2 SD1

22 Stripmap Τεχνικές SAR εικονοληψίας ανάλυση : ~3m Κάλυψη : ~30 Km x 50Km Scan SAR ανάλυση : ~20m Κάλυψη : ~100 Km x 150Km SAR SAR Spotlight ανάλυση : ~2m Κάλυψη : ~10 Km x10km SAR SAR SAR

23 Εικόνες SAR διάχυση ανάκλαση γωνιακή κατοπτρική ανάκλαση

24 Εικόνες SAR Η τραχύτητα της επιφάνειας επηρεάζει τη φωτεινότητα Οριζόντιες και λείες επιφάνειες λειτουργούν σαν καθρέφτης και ανακλούν σχεδόν ολόκληρη της προσπίπτουσα ακτινοβολία. Τέτοιες επιφάνειες εμφανίζονται μαύρες ασφαλτοστρωμένος δρόμος θάλασσα λίμνη ποτάμι TerraSAR-X

25 Εικόνες SAR Σε τραχείς επιφάνειες επιφάνειες η προσπίπτουσα ακτινοβολία διασκορπίζεται σε πολλές διευθύνσεις. Τέτοιες επιφάνειες εμφανίζονται με φωτεινές βλάστηση Μεταβολές στην επιφάνεια κοντά στο μέγεθος του μήκους κύματος προκαλούν υψηλή επιστροφή σήματος: Αν το μήκος κύματος είναι μερικά εκατοστά τότε σβώλοι χώματος και βλάστηση ενδεχομένως να εμφανίζονται φωτεινά. Αν το μήκος κύματος είναι μεγαλύτερο τότε ογκόλιθοι ή κορμοί δέντρων μπορεί να εμφανίζονται φωτεινά. Το νερό όταν γίνεται τραχιά επιφάνεια λόγω ανέμου μπορεί να εμφανίζεται φωτεινό όταν τα κύματα του νερού έχουν κάποιο μέγεθος.

26 Εικόνες SAR Λόφοι και άλλες μεγάλης κλίμακας μεταβολές της γήινης επιφάνειας τείνουν να εμφανίζονται φωτεινά από τη μια πλευρά και σκοτεινά από την άλλη. Φωτεινή είναι η πλευρά που ακτινοβολείται από το δέκτη. Joanneum, Research, Austria Κατασκευές λόγω της αντανακλαστικότητας και γωνιακής κατασκευής (σπίτια, γέφυρες) λειτουργούν σαν ανακλαστήρες και εμφανίζονται φωτεινά. Μεταλλικά αντικείμενα επίσης λειτουργούν σαν ανακλαστήρες και εμφανίζονται φωτεινά. TerraSAR-X

27 Πλατφόρμα Δορυφορικά V~7.5Km/sec ~ Km Εναέρια ~100m-10 Km Επίγεια V~300km/h Εξωγήινες αποστολές (διαστημόπλοια /δορυφόροι)

28 Αερομεταφερόμενοι δέκτες SAR

29 SENSOR LAUNCH COUNTRY L S C X SEASAT 1978 USA x 25 m SIR-A 1981 USA x 40 m SIR-B 1984 USA x 20 m KOSMOS Russia LACROSSE USA x ~1 m LACROSSE USA x ~1 m LACROSSE USA x ~1 m LACROSSE USA x ~1 m LACROSSE USA x ~1 m ALMAZ Russia ERS ESA J-ERS Japan x SIR-C/X-SAR 1994 USA Germany Italy x ERS ESA x RADARSAT Canada x SRTM 2000 USA Germany Italy x x LOW MEDIUM HIGH 30 m LACROSSE x 15 m x 26 m 18 m x x 15 m 26 m 10 m x 30 m

30 Δορυφορικοί δέκτες SAR

31 SAR: Πρωτοποριακές αποστολές SEASAT (1978, NASA): o 1ος δορυφόρος που τέθηκε σε τροχιά με αποστολή την παρατήρηση της γήινης επιφάνειας (ακτογραμμή, θαλάσσια κύματα, πάγους...) Όργανα: Radar altimeter Microwave scatterometer Scanning multichannel microwave radiometer Visible and infrared radiometer Synthetic Aperture Radar (SAR) Source: NASA/JPL

32 SAR: Πρωτοποριακές αποστολές SRTM Shuttle Radar Topography Mission (2000, NASA/DLR/ASI): Η 1η διαστημική αποστολή στην οποία επιτεύχθηκε η δημιουργία ΨΜΕ σε παγκόσμια κλίμακα(56 S 60 N). Όγκος Ονομαστική Ακρίβεια: 16 m πρωτογενών ΗΠΑ: 30 m, Yπόλοιπος κόσμος: 90 m μετρήσεων: 12 Δύο τύποι SAR: terabytes C-band (5.6cm X-band (3cm) Source: NASA/JPL Source: Source: NASA/JPL

33 Σύγχρονοι δορυφορικοί δέκτες SAR TerraSAR-X TanDEM-X CosmoSkyMed ALOS (PalSAR) RadarSat-1, RadarSat-2 Δυνατότητες : Προοπτικές : καλύτερη ανάλυση καλύτερα ραδιομετρικά χαρακτηριστικά συμπλέγματα δορυφόρων περισσότεροι δέκτες χαμηλότερες τιμές καλύτερες γεωμετρίες

34 TerraSAR-X (resolution: 1m) ERS-2 (resolution: 25m) ALOS PALSAR (resolution: 9m)

35 Μετρήσεις δεκτών SAR cm κανάλι X cm 15 30cm cm κανάλι C κανάλι L κανάλι P

36 Μήκος κύματος: παράμετρος που επηρεάζει το πως φαίνεται μια εικόνα κανάλι X κανάλι L

37 SAR Παραμορφώσεις Σκιά SAR SAR Υπέρθεση Σμίκρυνση

38 Kροκίδωση/Κοκκώδης υφή εικόνων SAR Δεν είναι θόρυβος Είναι φαινόμενο που παράγεται λόγω της φύσης της μέτρησης υπολογιστικά φίλτρα επεξεργασία multilook Βελτίωση υφής αλλά... μείωση ανάλυσης εικόνας

39 Μέθοδοι Επεξεργασίας Συμβολομετρία (Interferometry: InSAR/IfSAR) Διαφορική συμβολομετρία (DInSAR) Ρανταρογραμμετρία (Radargrammetry) Πολωσιμετρία(Polarimetry) Stereo-assisted interferometric SAR POLinSAR Shape from shading...

40 Εφαρμογές Ανεξάρτητα από: Μετεωρολογικές συνθήκες Μέρα/Νύχτα SAR μετράει:γεωμετρικά χαρακτηριστικά μετράει: ταχύτητα Εφαρμογές: αναγνώριση/στρατιωτικούς σκοπούς μεταβολή στο χρόνο πλοήγηση ιδιότητες χωρική αναλυση/σχεδιασμός παρακολούθηση φυσικού περιβάλλοντος φυσικές καταστροφές/ κινδύνους ωκεανογραφία αρχαιολογία... - Τοπογραφική/Γεωδαιτική Αποτύπωση (2Δ-3Δ): εξαγωγή οριζοντιογραφικών χαρακτηριστικών (2Δ) παραγωγή Ψ.Μ.Ε. (3Δ) - Χαρτογράφηση Ταχυτήτων (4Δ): εντοπισμός κινούμενων στόχων κινήσεις πάγων έλεγχος κυκλοφορίας οχημάτων - Εντοπισμός Διαχρονικών Μεταβολών (3Δ-4Δ): μικρομετακινήσεις καταστροφές από σεισμούς παρακολούθηση κτισμάτων/κατασκευών παρακολούθηση χρήσεων γης χαρτογράφηση πλημμυρών παρακολούθηση παράκτιων περιοχών - Ιδιότητες

41 Γεωργία - Δάση παρακολούθηση καλλιεργιών εκτίμηση εσοδείας προστασία αγροκτημάτων γεωργία των τροπικών περιοχών χαρτογράφηση εδαφικής υγρασίας καταγραφή δασικών εκτάσεων παρακολούθηση ανάπτυξης δασών έλεγχος καταστροφών από φυσικές αιτίες / ανθρώπινες επεμβάσεις

42 Σεισμός Ιαπωνία Γεωλογία Γεωμορφολογία καταγραφή/παρακολούθηση ηφαιστείων παρακολούθηση περιοχών με έντονη τεκτονική δραστηριότητα εύρεση πετρελαίου γεωλογική χαρτoγράφηση παρακολούθηση ιδιαίτερων γεωμορφολογικών χαρακτηριστικών JAXA

43 Υδρολογία Ωκεανογραφία Μελέτη πάγων παρακολούθηση/καταγραφή λιμνών και ποταμών χαρτογράφηση πλημμυρών υδρολογικά χαρακτηριστικά εδάφους μελέτη πάγων προσδιορισμό ακτογραμμής μελέτη κυμάτων ωκεανών καταγραφή/παρακολούθηση συμπεριφοράς πάγων

44 Χρήσεις γης / Αστικό σχεδιασμό εκτίμηση πληθυσμού παρακολούθηση μετακινήσεων/εγκαταστάσεων πληθυσμού ανάλυση κοινωνικοοικονομικών χαρακτηριστικών Αρχαιολογική έρευνα Στην ΒΑ Ταυλάνδη έχει χρησιμοποιηθεί το καναδικό εναέριο SAR, για τον εντοπισμό της αρχαίας πόλης Muang Ham Hork. H περιοχή συνεχίζει να χρησιμοποιείται για τη γεωργία, αλλά το γεγονός ότι είναι γνωστή η θέση της στους αρμοδιους, έχει βοηθήσει στη λήψη μέτρων για την προστασία της από τις ανθρώπινες επεμβάσεις.

45 Χαρτογραφικές εφαρμογές Λόγω των πλεονεκτημάτων τους: πολύ καλή συμπεριφορά κατά τη διάδοση των σημάτων τους στην ατμόσφαιρα είναι ανεξάρτητα των μετεωρολογικών συνθηκών (σύννεφα, ομίχλη κλπ) λειτουργούν το ίδιο αποτελεσματικά μέρα και νύχτα Έχουν χρησιμοποιηθεί για τη χαρτογράφηση τόσο της γήινης επιφάνειας όσο και άλλων πλανητών

46 Χαρτογράφηση Αφροδίτης Η επιφάνεια της Αφροδίτης είναι καλυμμένη με ένα παχύ στρώμα νέφους πάχους 30 Km. 18ου αιώνα οι αστρονόμοι παρατηρούσαν την Αφροδίτη και θεωρούσαν ότι έβλεπαν την επιφάνεια της. 1978: Pioneer Venus Υποτυπώδεις παρατηρήσεις με ακρίβεια της τάξης των 2-4 Km επιχειρήθηκαν στα τέλη της δεκαετίας του 1950 με τηλεσκόπια και τη χρήση radar. μετά από 2 χρόνια περιφοράς πάνω από τα ανώτερα στρώματα των νεφών επιτυγχάνει την πρώτη ραδιοχαρτογράφηση του πλανήτη : Venera 15 και Venera 16 λεπτομερέστερη χαρτογράφηση (ανάλυσης 1-2 Km) με χρήση radar 1990: Magellan Ο πληρέστερος χάρτης που έχει συνταχθεί μέχρι σήμερα προέρχεται από τις μικροκυματικές απεικονίσεις που συνέλεξε το SAR του σκάφους Magellan της NASA το 1990 με ακρίβεια της τάξης των 100 m. χρησιμοποιήθηκαν τεχνικές ρανταρογραμμετρία, συμβολομετρίας και ανακατασκευής από τη σκιά.

47 Χαρτογράφηση Αφροδίτης

48 Χαρτογράφηση Τιτάνα Ο Τιτάνας είναι το μεγαλύτερο φεγγάρι του Κρόνου και καλύπτεται από ένα παχύ στρώμα συννέφων. Λόγω των συννέφων η χαρτογράφηση του είναι εφικτή μόνο με τη χρήση radar. To σκάφος Cassini της NASA που εκτοξεύθηκε το 1998, έχει ως στόχο την παρατήρηση και χαρτογράφηση του Κρόνου και των φεγγαριών του. Το Cassini είναι εφοδιασμένο με δέκτη SAR που λειτουργεί στο κανάλι Ku (μήκος κύματος 2.2 cm) και έχει ανάλυση Km. Το σκάφος Cassini έφτασε (1 Ιουλίου 2005) στον Τιτάνα και έστειλε στη γη τις πρώτες μικροκυματικές απεικονίσεις της επιφάνειας του Tιτάνα.

49 Χαρτογράφηση Τιτάνα

50 SAR και άλλες μέθοδοι τοπογραφικής αποτύπωσης... Μια συνηθισμένη μέρα... Μια συννεφιασμένη μέρα... Νύχτα...

51 SAR και άλλες μέθοδοι τοπογραφικής αποτύπωσης... 9/8/91 ERS-1 (11.25 am), Landsat (10.43 am)

52 SAR και άλλες μέθοδοι τοπογραφικής αποτύπωσης...

53 SAR και άλλες μέθοδοι τοπογραφικής αποτύπωσης... Μέθοδος Ακρίβεια Ταχύτητα Κόστος Έκταση Επίγεια τοπογραφική Υψηλή (cm - m) Πολύ αργή Πολύ υψηλό Μικρή GPS Σχετικά υψηλή (cm-m) αργή Σχετικά υψηλό Μικρή Φωτογραμμετρία Μεσαία-Υψηλή (cm-m) γρήγορη Σχετικά χαμηλό Μεσαία-Μεγάλη Δορυφορική φωτογραμμετρία Χαμηλή έως μεσαία (m) Πολύ γρήγορη Μικρό Μεγάλη InSAR Χαμηλή (m) Πολύ γρήγορη Μικρό Μεγάλη Ρανταρογραμμετρία Χαμηλή (m) Πολύ γρήγορη Μικρό Μεγάλη LIDAR Υψηλή (cm) Γρήγορη Υψηλό Μεσαία-Μεγάλη Διανυσματοποίηση χαρτών Σχετικά χαμηλή (m) Αργή Υψηλό Ανεξάρτητη Σάρωση χαρτών Σχετικά χαμηλή (m) Γρήγορη Χαμηλό Ανεξάρτητη Li et al., 2010