Μετρική Αξιοποίηση. Σύγχρονων Δορυφορικών Δεκτών SAR. Υψηλής Ανάλυσης

Transcript

1 Μετρική Αξιοποίηση Σύγχρονων Δορυφορικών Δεκτών SAR Υψηλής Ανάλυσης Δήμητρα Ι. Βασιλάκη Αγρ. Τοπογράφος Μηχανικός ΕΜΠ Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

2 Σύνοψη Παρουσίασης SAR: Τί είναι; Τί μετράει; Πώς μετράει; Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες SAR Μέθοδοι Επεξεργασίας Εφαρμογές Συμπεράσματα Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

3 Σύνοψη Παρουσίασης SAR: Τί είναι; Τί μετράει; Πώς μετράει; Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες SAR Μέθοδοι Επεξεργασίας Εφαρμογές Συμπεράσματα Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

4 SAR: Τί είναι? S A R = Synthetic Aperture Radar RADAR: RAdio Detection A Ranging RA 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. Ηλεκτρομαγνητικό Κύμα = Μικροκύμα (λ: cm, f: GHz) ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ μετεωρολογικών συνθηκών ΑΝΕΞΑΡΤΗΤΑ ηλιακής ακτινοβολίας Συσκευές RADAR: ρύθμιση εναέριας κυκλοφορίας παρακολούθηση ταχύτητας οχημάτων από τροχαία αυτόματο άνοιγμα θυρών μετεωρολογία (ανίχνευση τυφώνων/καταιγίδων) εντοπισμός στόχων (στρατιωτικούς σκοπούς)...

5 SAR: Τί είναι? Τί παραπάνω έχει από RADAR? Συνθετική Κεραία/Οπή (Synthetic Aperture) η ανάλυση εξαρτάται από το μήκος της συνθετικής κεραίας Μήκος Συνθετικής Κεραίας = (Φυσικό Μήκος Κεραίας)... Δέκτης απεικόνισης παράγει κάποιας μορφής απεικόνιση (ΟΧΙ ΟΠΤΙΚΗ εικόνα)

6

7 SAR: Τί μετράει? Ηλεκτρομαγνητικο κύμα: ταλαντούμενο Ηλεκτρικό + Μαγνητικό Πεδίο σε κάθετες διευθύνσεις μεταξύ τους και με τη διεύθυνση διάδοσης Παράμετροι: μήκος κύματος (λ)/συχνότητα (f) amplitude (a) φάση (φ) πόλωση(p) Μετράει: ΧΡΟΝΟ (φάση-φ) ΕΝΤΑΣΗ (m) ΠΟΛΩΣΗ (P) Δημιουργεί: απεικονίσεις (2Δ) που περιέχουν τις μετρήσεις (φάση + ένταση) Πρόκειται για μιγαδικές απεικονίσεις

8 SAR: Πώς μετράει? Σαρώνει μια λωρίδα της γήινης επιφάνειας με...πλευρική εκπομπή δέσμης μικροκυμάτων

9 Σύνοψη Παρουσίασης SAR: Τί είναι; Τί μετράει; Πώς μετράει; Τί παράγει; Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες SAR Μέθοδοι Επεξεργασίας Εφαρμογές Συμπεράσματα Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

10 Δέκτες SAR Διάκριση ανάλογα με το μέσο που τους μεταφέρει: - Πλανητικοί Αφροδίτη (Pioneer Venys, 1978; Venera 15 & 16; ; Magellan; 1990) Τιτάνας (Cassini, 1998) - UAV YINSAR και microsar (Brigham Young University), NASA UAVSAR. - Εναέριοι AirSAR (USA), C/X SAR (Canada), E-SAR (Germany), DO-SAR (Germany), KRAS (Denmark), RAMSES-ONERA (France), EMISAR (Denmark), Pi-SAR (Japan), STAR-3i, TopSAR, STAR-4 (Intermap). - Δορυφορικοί... Διάκριση ανάλογα με το μήκος κύματος: - L (30-15cm) - S (15-7.5cm) - C ( cm) - X ( cm)

11 SENSOR LAUNCH COUNTRY L S C X SEASAT 1978 USA 25 m SIR-A 1981 USA 40 m SIR-B 1984 USA 20 m KOSMOS Russia LACROSSE USA ~1 m LACROSSE USA ~1 m LACROSSE USA ~1 m LACROSSE USA ~1 m LACROSSE USA ~1 m ALMAZ Russia ERS ESA J-ERS Japan SIR-C/X-SAR 1994 USA Germany Italy ERS ESA RADARSAT Canada SRTM 2000 USA Germany Italy ENVISAT 2002 ESA ALOS 2006 Japan LOW MEDIUM HIGH 30 m LACROSSE 15 m 26 m 18 m 15 m 26 m 10 m 30 m 25 m 10 m

12 Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες Εμπορικοί/Ερευνητικοί Δέκτες: : TerraSAR-X (Γερμανία) COSMO-SkyMed 1, 2, 3 (Ιταλία)...3 εμπορικοί/ερευνητικοί δέκτες 2010 : TanDEM-X COSMO-SkyMed εμπορικοί/ερευνητικοί δέκτες : ΤerraSAR-X-2 SAOCOM 1A, 1B (Αργεντινή)...3 εμπορικοί/ερευνητικοί δέκτες Στρατιωτικοί Δέκτες: : SAR-Lupe 1, 2, 3, 4, 5 (Γερμανία) TechSAR (Ισραήλ)...6 στρατιωτικοί δέκτες : 14 Δ ο ρ υ φ ο ρ ι κ ο ί Δ έ κ τ ε ς S A R

13 Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες Χαρακτηριστικά σε σχέση με προηγούμενη γενιά: - X ( cm) Δυνατότητες Προοπτικές : : ανάλυση (<1m) καλύτερα ραδιομετρικά χαρακτηριστικά σύμπλεγμα δορυφόρων Γνωστή τροχιά με μεγάλη ακρίβεια περισσότεροι δέκτες χαμηλότερες τιμές καλύτερες γεωμετρίες

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

15

16 Αποστολή SRTM Shuttle Radar Topography Mission Φεβρουάριος 2000 (11 μέρες) Δημιουργία ΨΜΕ σε παγκόσμια κλίμακα (56 S - 60 N) Ονομαστική Ακρίβεια: 16 m Δύο δέκτες SAR: C-band (NASA) X-band (DLR) ΗΠΑ: 30 m ΥΠΟΛΟΙΠΟΣ ΚΟΣΜΟΣ: 90 m

17 Σύνοψη Παρουσίασης SAR: Τί είναι; Τί μετράει; Πώς μετράει; Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες SAR Μέθοδοι Επεξεργασίας Εφαρμογές Συμπεράσματα Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

18 Μέθοδοι Επεξεργασίας - Συμβολομετρία (Interferometry: InSAR/IfSAR) - Ρανταρο-γραμμετρία (Radargrammetry) - Πολωσιμετρία (Polarimetry) - Stereo-Assisted Interferometric SAR POLinSAR Shape from shading...

19 Συμβολομετρία Βασίζεται στις μετρήσεις φάσης (φ) - Interferometry (InSAR/IfSAR) - Διπλής Διέλευσης - Μονής Διέλευσης - Differential Interferometry (DInSAR) - Τριπλής/Πολλαπλής Διέλευσης - Διπλής Διέλευσης + ΨΜΕ - Permanent Scatters (PSI)

20 Ρανταρο-γραμμετρία Βασίζεται στις μετρήσεις έντασης (Α) - Radargrammetry - Same side stereo - Opposite side stereo

21 Πολωσιμετρία Βασίζεται στις μετρήσεις πόλωσης - Polarimetry πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των στόχων Εφαρμογές: - γεωργία (εντοπισμός ειδών, παρακολούθηση καλλιεργιών) - δασικά (εκτίμηση βιομάζας, εντοπισμός ειδών) - γεωλογία - υδρολογία (εδαφική υγρασία, εντοπισμός πλημμυρών) - μελέτη ωκεανών - παρακολούθηση παράκτιων περιοχών (εξαγωγή ακτογραμμής, εντοπισμός πετρελαιοκηλίδων)

22 Σύνοψη Παρουσίασης SAR: Τί είναι; Τί μετράει; Πώς μετράει; Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες SAR Μέθοδοι Επεξεργασίας Εφαρμογές Συμπεράσματα Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

23 Εφαρμογές SAR μετράει: γεωμετρικά χαρακτηριστικά ταχύτητα μεταβολή στο χρόνο ιδιότητες Εφαρμογές: αναγνώριση/στρατιωτικούς σκοπούς πλοήγηση Χωρική αναλυση/σχεδιασμός παρακολούθηση φυσικού περιβάλλοντος φυσικές καταστροφές/ κινδύνους ωκεανογραφία αρχαιολογία...

24 Μετρικές Εφαρμογές - Τοπογραφική/Γεωδαιτική Αποτύπωση (2Δ-3Δ): εξαγωγή οριζοντιογραφικών χαρακτηριστικών (2Δ) παραγωγή Ψ.Μ.Ε. (3Δ) - Χαρτογράφηση Ταχυτήτων (4Δ): εντοπισμός κινούμενων στόχων Ανεξάρτητα από: κινήσεις πάγων Μετεωρολογικές συνθήκες Μέρα/Νύχτα έλεγχος κυκλοφορίας οχημάτων - Εντοπισμός Διαχρονικών Μεταβολών (3Δ-4Δ): μικρομετακινήσεις καταστροφές από σεισμούς παρακολούθηση κτισμάτων/κατασκευών παρακολούθηση χρήσεων γης χαρτογράφηση πλημμυρών παρακολούθηση παράκτιων περιοχών

25 Δυνητικές Μετρικές Εφαρμογές σε Μεσογειακό - Ελληνικό Χώρο Κόστος

26 Σύνοψη Παρουσίασης SAR: Τί είναι; Τί μετράει; Πώς μετράει; Σύγχρονοι Δορυφορικοί Δέκτες SAR Μέθοδοι Επεξεργασίας Εφαρμογές Συμπεράσματα Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010

27 Συμπεράσματα Σύγχρονοι Δέκτες SAR: Λειτουργία ανεξάρτητη: - Μετεωρολογικών Συνθηκών - Μέρας- Νύχτας Στο Μεσογειακό χώρο όμως... Παρέχουν πληροφορίες για: την γεωμετρία των στόχων (2Δ και 3Δ), τις ιδιότητες τους και την εξέλιξη τους στο χρόνο (4Δ) GPS και οπτικές εικόνες... Σε σχέση με δορυφορικές οπτικές εικόνες... Σε σχέση με GPS... Αλλά... Πολύ Ακριβά προς το παρόν Ερευνητικό στάδιο Συνεπώς...

28 Συμπεράσματα Στο Μεσογειακό Χώρο => τοπογραφικά δεδομένα χαρτογραφικό υλικό...) ΣΥΝΔΥΑΣΜΕΝΗ ΧΡΗΣΗ με άλλου τύπου (GPS, οπτικές εικόνες, υφιστάμενο ASI + CNES = > Πρόγραμμα ORFEO: COSMOSkyMed + Pleiades CNES => OTB JAXA => ALOS (PALSAR + PRISM) Ερευνητικές εργασίες Ανεξάρτητα συμπλήρωση γεωμετρικών/θεματικών πληροφοριών με πληροφορίες που υπάρχουν στα SAR Παράλληλα Συγχώνευση (2Δ) / Στέρεο (3Δ) SAR & οπτικών Εν σειρά γεωαναφορά των SAR με υποστήριξη άλλων δεδομένων ή/και αντίστροφα

29 Μετρική αξιοποίηση δεδομένων SAR με ετερογενή τοπογραφικά δεδομένα Στο πλαίσιο αυτό, διαπιστώνεται ότι: 1. Δεδομένα SAR υψηλής ανάλυσης + 2. Συνδυασμένη χρήση --> Μεθοδολογίες ανάλογης ακρίβειας V Αλλά... Δυσκολίες εντοπισμού αξιόπιστων κοινών σημείων σε ετερογενή δεδομένα Αξιόπιστα Κοινά Σημεία V SAR :... + μικροκυματική φύση + πλευρική γεωμετρία λήψης --> Όμως, στις απεικονίσεις SAR εντοπίζονται, πιο αξιόπιστα, τα γραμμικά στοιχεία (δρόμοι, ακτογραμμή, όρια υδάτινων επιφανειών, κτίσματα,...) από ότι τα σημειακά.

30 Μέθοδος Συνταύτισης Μη Συναρτησιακών Καμπυλών δρόμοι, ακτογραμμή, όρια υδάτινων επιφανειών, κτίσματα,... = Μη Συναρτησιακές Καμπύλες (Free-form Curves, Natural Curves) Γραμμικά Στοιχεία, εν γένει, Τυχαίας Γεωμετρίας. Δεν είναι δυνατό/επιθυμητό να παρουσιαστούν με μαθηματική σχέση Μέθοδος Συνταύτισης Μη Συναρτησιακών Καμπυλών (Vassilaki et al; ) Iterative Closest Point (ICP) algorithm (Besl, 1992; Zhang 1994): 1. Υπολογισμός Ζευγών Πλησιέστερων Σημείων 2. Υπολογισμός Μετασχηματισμού 3. Εφαρμογή Μετασχηματισμού 4. Έλεγχος σύγκλισης Η μέθοδος υποστηρίζει: καμπύλες τυχαίας και άγνωστης γεωμετρίας ετερογενείς καμπύλες (διαφορετικός αριθμός και θέση κόμβων) στερεούς μετασχηματισμούς (2Δ, 3Δ) προβολικές σχέσεις (2Δ-3Δ) αυτόματο υπολογισμό πρώτης προσέγγισης σχετικής θέσης αυτόματο υπολογισμό ζευγών πλησιέστερων σημείων, χωρίς καμία αρχική πληροφορία(θέσης ή ομολογίας) και είναι ανεξάρτητη: της παρεμβολής που υιοθετείται μεταξύ των κόμβων του μετασχηματισμού/προβολικής σχέσης

31

32

33

34 Μετρική Αξιοποίηση Σύγχρονων Δορυφορικών Δεκτών SAR Υψηλής Ανάλυσης Δήμητρα Ι. Βασιλάκη Αγρ. Τοπογράφος Μηχανικός ΕΜΠ Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρ. και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας ΤΕΙ ΑΘΗΝΑΣ Τμήμα Τοπογραφίας Ημερίδα: Δορυφορική Γεωδαισία Σύγχρονα Συστήματα & Εφαρμογές Αθήνα, 26 Μαίου 2010