Дистанционное зондирование земли

Таблица 20. таблица преобразований

0..10	11..20	21..30	31..40		3 4 0	41 5 0	151..160
0	1	2	3		13	14	15

Таблица 20 показывает, как меняются числа после преобразования. Если представить приведенное выше преобразование в виде графика, то получится линейная зависимость между исходными и преобразованными значениями.

Линейный вид преобразования является наиболее простым, однако, иногда используются и нелинейные виды.

Функциональные возможности модуля визуализации.

Модуль визуализации позволяет:

- Задать собственную таблицу преобразований, как линейную, так и отличную от линейной;

- Изменить палитру отображения;

- Сопоставить каждому пикселю в окне просмотра сочетание яркостей из трех различных файлов (один файл на каждый из каналов цветности

RGB). Таким способом удобно производить цветовое кодирование данных, полученных в разных частотных и поляризационных каналах датчика зондирования.

- Выбрать различные методы отсечения гистограммы, интересующие каналы для многоканальных изображений и способ отображения комплексных изображений, интересующий участок и шаг прореживания.

Доступны следующие способы отсечения гистограммы:

- По указанной дисперсии, т. е. без искажения отображаются только те пиксели, значения которых не выходят за диапазон m+^дисперсия, где m -- среднее значение, а N -- число, указываемое пользователем;

- По 2-х кратной дисперсии (частный случай предыдущего пункта, при N=2);

- Автоматически, без искажения отображаются 90% всех пикселей, по критерию близости к среднему значению;

- Без отсечения, гистограмма не изменяется;

- По минимуму-максимуму, пользователь должен задать минимальное и максимальное значения.

Отсечение гистограммы не изменяет значений в самом файле, а влияет лишь на таблицу преобразований, используемую при отображении файлов.

Окно 3D просмотра

Окно трехмерного просмотра предназначено для отображения растровых данных в трехмерном режиме. В этом режиме в окне просмотра создается объект, для которого координаты X и Y соответствуют файловым координатам X и Y растра, а координата Z соответствует значениям амплитуды растра.

Управление объектом в окне осуществляется в двух режимах. Первый режим -- с выключенным указателем. В этом режиме можно перемещать объект и поворачивать его. Второй режим -- с включенным указателем. В этом режиме можно лишь поворачивать объект, но не перемещать его.

Общие утилиты

Общие утилиты предназначены для выполнения наиболее употребительных операций над изображениями, таких как:

- попиксельные математические операции с файлами;

- операции с комплексными данными;

- изменение типа данных;

- сохранение интересующего участка растра в отдельный файл;

- вставка растра в другой файл;

- изменение размера изображения;

- поворот растра изображения с сохранением в новый файл;

- зеркальное отображение растра с сохранением в новый файл;

создание нового растра с заполнением произвольными значениями.

Рисунок 27. Общие утилиты Photomod Radar

Модуль анализа и улучшения изображений

К средствам улучшения изображений, входящим в состав программного комплекса относятся программы фильтрации спекл-шума на РЛИ, программа выделения контуров и вейвлет-фильтрации.

Программа выделения контуров

Программа предназначена для выделения перепадов яркости на радиолокационном изображении.

Программа включает алгоритмы обработки: Собеля, Лапласа, Превитта, Кирша, градационный, весовой, а также задаваемый маской пользователя.

Программа может быть полезна при поиске границ объектов, представленных на РЛИ.

Рисунок 28. Программа выделения контуров

Программа фильтрации спекл-шума

Программа предназначена для фильтрации спекл-шума на амплитудных радиолокационных изображениях.

Фильтрацию спекл-шума можно выполнить как при помощи локальных линейных и нелинейных фильтров (усредняющий, медианный, Ли, Фроста,

Куана, Сигма), так и при помощи фильтра на основе разложения снимка по вейвлет-базисам (D4 Daubechies, CDF 9/7, CDF 11/7, Villasenor, Odegard). Интерфейс локальных фильтров допускает настройку по размеру окна обработки, а интерфейс вейвлет-фильтра -- по глубине (количеству уровней) разложения и коэффициентам усиления для каждого уровня.

Программа подавления спекл-шума используется для улучшения радиолокационного изображения перед тематической обработкой.

Рисунок 29. Программа фильтрации спекл-шума

Программа вейвлет-фильтрации

Программа предназначена для подавления спекл-шума на амплитудных РЛИ методом вейвлет-фильтрации и является важным дополнением к программе подавления спекл-шума. Вейвлет-фильтрация состоит в дискриминации вейвлет-коэффициентов, которая обеспечивает удаление шума внутри и вне спектра сигнала, и относится к нелинейным методам фильтрации. Программа позволяет задать количество уровней, определяющих глубину разложения входного изображения по базису заданных вейвлет-функций.

Технологические схемы

Комплекс PHOTOMOD Radar может быть использован для работы с двумя типами данных дистанционного зондирования.

К первому типу относятся данные с коммерческих систем РСА (радиолокатор с синтезированной апертурой), т. е. такие данные, которые доступны широкому кругу пользователей, распространяются без каких-либо ограничений и сопровождаются служебной информацией, достаточной для дальнейшей обработки. PHOTOMOD Radar поддерживает обработку такого типа данных в части снимков с РСА ERS-1/2, RADARSAT, ENVISAT, TerraSAR-X. Структура PHOTOMOD Radar является расширяемой, т. е. может быть добавлена возможность работы с данными перспективных РСА, таких как RADARSAT-2.

- Ко второму типу данных относятся снимки с некоммерческих и специальных радиолокационных систем, обладающих специфическими характеристиками и часто не сопровождаемые подробной служебной информацией. К этому типу относятся, например, данные с самолётных носителей РСА. Такие данные перед обработкой должны быть конвертированы во внутренний формат PHOTOMOD Radar при помощи модуля экспорта/импорта и поддержки форматов данных.

Модуль просмотра данных предназначен для отображения данных во внутреннем формате (RDP), в формате Windows Bitmap (BMP), в произвольном растровом формате (формат изображения задаётся вручную) и изображений с КА «Ресурс» в формате (RSR).

Процессор геокодирования

Процессор геокодирования предназначен для решения следующих

задач:

- Трансформации исходного радиолокационного изображения из ПСК в НСК -- геореференцирование;

- Трансформации исходного радиолокационного изображения из ПСК или НСК в заданную оператором картографическую проекцию без учета цифровой модели рельефа местности (ЦМР) -- геокодирование;

- Трансформации исходного радиолокационного изображения из ПСК или НСК в заданную оператором картографическую проекцию c учетом ЦМР -- орторектификация.

В состав Процессора геокодирования входят следующие подпрограммы:

- Геореференцирования, геокодирования и орторектификации;

- Расчета параметров движения КА по исходным баллистическим данным;

- Преобразования координат из одной системы в другую;

- Ввода и контроля исходных данных;

- Уточнение исходных баллистических параметров по опорным точкам местности.

При этом решаются следующие частные задачи:

- Переход из одной системы координат в другую;

- Прогнозирование параметров движения;

- Аппроксимация параметров движения;

- Коррекция параметров движения по наземным опорным точкам;

- Расчет коэффициентов полинома пересчета наклонной дальности в наземную;

- Решение уравнений геокодирования.

Текущая версия Процессора геокодирования поддерживает данные следующих форматов:

- Геокодирование и орторектификация -- RADARSAT (SGF), ERS-1,2 (SLC, SGF);

- Геореференцирование -- ERS-1,2 (SLC).

Используемые системы координат:

1. Абсолютная геоцентрическая экваториальная система координат (OXYZ).

a. Начало -- в центре масс Земли;

b. Ось -- направлена в точку весеннего равноденствия;

c. Ось Z -- совпадает с осью вращения Земли и направлена на северный полюс;

d. Ось Y -- дополняет систему до правой.

e. Применяется для пересчета исходных данных в гринвичскую СК.

2. Гринвичская относительная система координат (Oxyz)

a. Начало в центре масс Земли, система "вращается" вместе с Землей;

b. Ось x -- совпадает с линией пересечения земного экватора с плоскостью гринвичского меридиана;

c. Ось z -- совпадает с осью вращения Земли и направлена на северный полюс;

d. Ось y -- дополняет систему до правой.

e. В данной системе координат проводится интегрирование системы дифференциальных уравнений движения КА, проводятся расчеты геодезических координат точек на поверхности Земли.

3. Скоростная барицентрическая система координат (OXcYcZc)

a. Начало в центре масс КА;

b. Ось Xc -- направлена по вектору скорости КА;

c. Ось Yc -- перпендикулярна плоскости орбиты и параллельна вектору кинетического момента С (интегралу площадей).

d. Ось Zc -- дополняет систему до правой.

e. Применяется для решения уравнений геокодирования.

Процессор геокодирования предназначен для трансформации

исходного радиолокационного изображения (РЛИ) из одной системы координат (время -- наклонная дальность) в другую. В процессоре геокодирования реализованы три функции пространственного преобразования, соответствующие стандартным уровням обработки 1 и 2 радиолокационных данных:

- Геореференцирование -- привязка изображения к системе координат время -- наземная дальность;

- Геокодирование -- привязка изображения к геодезической системе координат без использования цифровой модели рельефа;

- Орторектификация -- привязка изображения к геодезической системе координат с использованием цифровой модели рельефа.

Входные данные для геореференцирования должны быть представлены в проекции наклонной дальности, для геокодирования -- в проекции наклонной или наземной дальности. Для устранения искажений снимка, обусловленных влиянием рельефа (процесс орторектификации) требуется цифровая модель рельефа на обрабатываемый участок. В процессоре имеется возможность коррекции орбитальных данных (эфемерид) по наземным контрольным точкам (НКТ), инструментарий для ввода координат НКТ непосредственно на снимке, редактирования, сохранения и загрузки списков НКТ. Точность привязки снимков зависит от точности представления орбитальных данных и НКТ.

Радиолокационное изображение (РЛИ) обычно представлено в одной из следующих систем координат:

- Путевая система координат (ПСК) - представляет собой двумерный массив с осями азимута (направление путевой скорости космического аппарата (КА)) и наклонной дальности (направление линии визирования от радиолокатора с синтезированной апертурой (РСА) до точки на поверхности Земли);

- Наземная система координат (НСК) - представляет собой двумерный массив с осями азимута (направление путевой скорости космического аппарата (КА)) и наземной дальности (направление линии визирования от подспутниковой до точки на поверхности Земли).

Для повышения дешифрируемости объектов поверхности целесообразно совместно обрабатывать снимки, полученные с различных датчиков, для чего необходимо обеспечить их пространственную совместимость. Для обеспечения пространственной совместимости снимки с различных датчиков должны быть представлены в единой базисной системе координат, в качестве которой может быть выбрана система координат одного из датчиков, геодезическая система или одна из наиболее распространённых картографических проекций.

Технологически пространственная привязка разделяется на два типа:

- Геометрическая калибровка снимков (каждому отсчёту снимка в антенной системе координат “время - наклонная дальность” ставятся в соответствие наземные координаты, трансформация матрицы изображения не производится, калибровка включает только операцию вычисления координат);

- Геометрическая коррекция снимков (преобразование снимка в базисную систему координат, при котором производится трансформация растра снимка. Включает в себя геометрическую калибровку и геометрическую трансформацию снимка на новую сетку, соответствующую параметрам выбранной базисной системы, результатам геометрической калибровки и заданному масштабу).

Исходный радиолокационный снимок

Коррекция параметров орбиты

Коррекция параметров орбиты проводится в два этапа:

1. Коррекция вдоль орбиты;

2. Коррекция в радиальном и поперечном направлениях.

Коррекция вдоль орбиты производится итерационным методом.

Коррекция в радиальном и поперечном направлении осуществляется методом дифференциального исправления орбит.

Для коррекции используются радиолокационный снимок в орбитальной системе координат и координаты наземных контрольных точек (НКТ), идентифицированных на снимке. Кроме того, для каждой точки снимка известны время съемки, наклонная дальность и положение спутника на момент съемки.

Необходимо скорректировать траекторию спутника таким образом, чтобы после геокодирования координаты идентифицированных на снимке точек были расположены максимально близко к положению НКТ.

Геореференцирование - операция обработки, на выходе которой формируется снимок в путевой системе координат "время - наземная дальность". Растр снимка трансформируется таким образом, чтобы обеспечить заданное межпиксельное расстояние на земной поверхности.

Геокодирование - преобразование географических координат точек снимка из антенной системы координат РСА в одну из картографических проекций. В геокодированном изображении снимок ориентирован в направлении "север - юг". Межпиксельное расстояние определяется в единицах проекции (градусах или метрах), масштаб выбирается пользователем. Геокодирование может проводиться с учётом или без учёта локальных возвышений рельефа над опорным эллипсоидом. Во втором случае необходимо иметь цифровую модель рельефа на обрабатываемый снимок. Прецизионное геокодирование - уточнение географических координат снимка по наземным опорным точкам с участием оператора.

Наземные контрольные точки должны иметь точность, превосходящую на порядок точность представления баллистических данных.

Орторектификация - пересчёт картографических координат точек снимка на опорной поверхности с учётом локальных возвышений рельефа. Эта операция проводится с привлечением цифровой модели рельефа поверхности. Цифровая модель рельефа представляет собой двумерную матрицу, каждому элементу которой поставлена в соответствие тройка координат: широта, долгота, высота. Яркость каждого элемента пропорциональна возвышению соответствующей точки на земной поверхности над геоидом (уровнем моря).

Рисунок 30. Прецизионно орторектифицированное (транформированное в плановую проекцию) радиолокационное изображение, наложенное на цифровую карту местности. Район г. Жуковский Московской области.

Интерферометрический процессор

1. Импорт данных и служебной информации

a. Чтение файлов РЛ данных.

b. Чтение параметров из формата CEOS.

c. Формирование параметров для обработки.

2. Совмещение снимков

a. Поиск идентичных точек на основном и вспомогательном снимках.

b. Трансформирование вспомогательного снимка в геометрию основного снимка.

c. Нахождение области перекрытия снимков.

3. Коррекция орбиты основного изображения по наземным контрольным точкам

4. Коррекция базовой линии

5. Предварительная обработка

a. Выделение интересующего участка.

b. Задание параметров некогерентного накопления.

6. Формирование файлов интерферограммы и когерентности

a. Расчёт коэффициентов компенсации набега фазы по дальности и по азимуту:

i. В режиме "Точно" -- расчет коэффициентов компенсации для каждого элемента изображения индивидуально.

ii. В режиме "Быстро" используются коэффициенты компенсации, рассчитанные для центрального столбца и центральной строки снимка.

iii. В режиме "Без компенсации" компенсация фазового набега не производится.

b. Комплексное перемножение основного и трансформированного вспомогательного снимков.

7. Фильтрация интерферограммы

a. Локальное оценивание параметров фазового шума.

b. Расчёт отфильтрованных фазовых значений. Для использования доступны следующие фильтры:

i. Усредняющий фильтр.

ii. Адаптивный спектральный фильтр.

8. Развёртка фазы

a. Пересчёт относительных значений разности фаз [0, 2pi] в абсолютные следующими методами:

i. Безвесовая развертка фазы.

ii. Метод итераций Пикарда.

iii. Метод сопряженных градиентов.

iv. Метод растущих пикселей.

9. Пересчет значений фазы в относительные высоты

10. Пересчёт значений фазы в абсолютные высоты

a. Преобразование фазовых значений в высоту.

b. Геореференцирование матрицы высот.

11. Г еокодирование матрицы высот

a. Геокодирование матрицы высот.

b. Орторектификация матрицы высот.

Модуль создания цифровых моделей рельефа интерферометрическим методом

Интерферометрический процессор создаёт на выходе матрицу абсолютных или относительных высот рельефа над опорным эллипсоидом WGS84 в географической проекции с заданным пользователем межпиксельным расстоянием.

Входными данными процессора служат пары снимков с РСА RADARSAT-1, RADARSAT-2, ERS-1/2, SIR-C/X, ENVISAT, ALOS PALSAR, TerraSAR-X, COSMO-SkyMed. Для формирования абсолютных высот рельефа требуется знание абсолютной высоты одной или более наземной контрольной точки. Имеется возможность коррекции орбитальных данных для входных снимков.

Интерферометрическая обработка -- достаточно сложный процесс. Однако, процессор построен так, чтобы минимизировать требования к пользователю с точки зрения знания основ радарграмметрии. Точность восстановления рельефа по высоте составляет 1-3 метра для

поверхности без растительности. Процессор позволяет также формировать поле смещений поверхности по данным двух, трёх или четырёх съёмок методами дифференциальной интерферометрии.

Процесс интерферометрической обработки Импорт данных и служебной информации

- Чтение файлов РЛ данных.

- Чтение параметров из формата CEOS.

- Формирование параметров для обработки

Совмещение снимков

- Поиск идентичных точек на основном и вспомогательном снимках.

- Трансформирование вспомогательного снимка в геометрию основного снимка.

- Нахождение области перекрытия снимков.

Вспомогательный снимок,

трансформированный в геометрию основного снимка

Предварительная обработка

- Выделение интересующего участка.

- Задание параметров некогерентного накопления.

Формирование файлов интерферограммы и когерентности

- Расчёт коэффициентов компенсации набега фазы по дальности и по азимуту.

- Комплексное перемножение основного и трансформированного вспомогательного снимков.

Матрицы

интерферограммы и когерентности

Фильтрация интерферограммы

- Локальное оценивание параметров фазового шума.

- Расчёт отфильтрованных фазовых значений.

Развёртка фазы

- Пересчёт относительных значений разности фаз [0, 2pi] в абсолютные.

Матрица абсолютной фазы

Пересчёт абсолютных значений фазы в высоту

- Преобразование фазовых значений в высоту.

- Г еореференцирование матрицы высот.

Геокодирование матрицы высот Матрица абсолютных

Г еокодирование матрицы высот. высот рельефа в

· Орторектификация матрицы высот.

· географической проекции

Совмещение изображений на уровне лучше 1/8 элемента изображения необходимо для точного подсчета интерферограммы. Иначе резко возрастает вероятность появления фазовых ошибок. Главная цель совмещения изображений - это пересчитать растр вспомогательного изображения в геометрию основного изображения с помощью афинного преобразования. При этом предполагается, что спутниковые орбиты почти параллельны и афинного преобразования достаточно для коррекции растра вспомогательного изображения.

Подсчет интерферограммы и когерентности

Интерферограмма есть результат комплексного перемножения основного изображения и изображения комплексно-сопряженного к вспомогательному.

В результате формируется разностно-фазовая картина поверхности. Кроме того, одновременно выполняется компенсация фазовых набегов интерферограммы по линии наземной дальности и по азимуту. Компенсация фазового набега по линии наземной дальности необходима потому, что разностно-фазовое изображение содержит в себе информацию как о высоте объекта наблюдения, так и о расстоянии до него. Компенсация фазового набега по азимуту необходима в силу непараллельности спутниковых орбит при получении основного и вспомогательного изображений.

- Выбор режима "Точно" означает расчет коэффициентов компенсации для каждого элемента изображения индивидуально. При этом увеличивается время на проведение операции.

- В режиме "Быстро" используются коэффициенты компенсации, рассчитанные для центрального столбца и центральной строки снимка.

- В режиме "Без компенсации" компенсация фазового набега не производится.

Одновременно с подсчетом интерферограммы проводится подсчет когерентности. Когерентность - это параметр, характеризующий согласованность (корреляцию) значений основного и вспомогательного изображения. Близкое к единице значение когерентности говорит о хорошем соотношении сигнал/шум для интерференционной картины.

Значение когерентности:

0.0 - 0.3 - низкое.	Характерно для областей интерферограммы, где происходят разрывы фазы.
0.3 - 0.5 - удовлетворительное.	Характерно для участков с изменившимися за период между
	съемками электрическими характеристиками.
0.5 - 0.7 - хорошее.
0.7 - 1.0 - отличное.

Фильтрация

Фильтрация интерферограммы необходима для повышения соотношения сигнал/шум. Спекл-шум, характерный для когерентных систем, присутствует как на радиолокационных изображениях, так и на интерферограмме. Он ухудшает визуальное восприятие самой интерферограммы, а главное, значительно затрудняет работу алгоритма развёртки фазы и ухудшает качество полученной матрицы абсолютных фаз.

Необходимо отметить, что при фильтрации неизбежно происходит ухудшение пространственного разрешения обрабатываемого изображения. Поэтому при задании параметров алгоритма фильтрации желательно принимать во внимание этот факт и избегать слишком интенсивной фильтрации интерферограммы.

Для использования доступны следующие фильтры:

- Усредняющий фильтр. Самый простой из доступных фильтров. С математической точки зрения эквивалентен построению плоскости на некотором множестве точек методом наименьших квадратов. Работает быстро, но качество фильтрации не всегда высокое. Фильтрация тем сильнее, чем больше размер окна фильтрации. Фильтрация с окном размера 1x1 означает отсутствие фильтрации.

- Адаптивный спектральный фильтр. При работе использует двумерное преобразование Фурье. В качестве адаптирующего параметра используется уровень когерентности. Согласованно с уровнем когерентности подбирается значение параметра интенсивности фильтрации в пределах от Мин до Макс. Чем ниже уровень когерентности в окрестности данного элемента изображения, тем ближе к Макс будет значение параметра интенсивности.

Развертка фазы

Развёртка фазы призвана решить проблему фазовой неоднозначности. Интерферограмма до развёртки фазы содержит значения фазы в пределах 0360 градусов, в то время, как необходимо знание абсолютного значения фазы. Задача сводится к добавлению нужного числа фазовых циклов к каждому фазовому измерению. Решение задачи осложняется наличием на интерферограмме фазовых шумов и, так называемых, "разрывов" фазы, что делает решение задачи сложным теоретически и ёмким вычислительно.

Существует множество методов решения задачи развертки фазы. Для использования доступны следующие методы:

- Безвесовая развертка фазы. Самый простой алгоритм на основе метода наименьших квадратов.

- Метод итераций Пикарда. Алгоритм на основе метода наименьших квадратов с использованием метода итераций Пикарда для решения системы линейных алгебраических уравнений.

- Метод сопряженных градиентов. Алгоритм на основе метода наименьших квадратов с использованием метода сопряженных градиентов для итерационного решения системы линейных алгебраических уравнений.

- Метод растущих пикселей. Алгоритм, реализующий локальный подход в развертке фазы. Развертка фазы проводится от развернутого элемента изображения к ближайшему неразвернутому. Качество работы алгоритма проверяется пороговыми тестами.

Есть также возможность пропуска этапа развертки фазы. Это может пригодиться в случае местности с незначительными перепадами высот, когда в пределах интерферограммы изменение фазы не пересекает границу 0-360 градусов.

Пересчет значений абсолютной фазы в высоту

Значения абсолютной фазы можно трансформировать в относительные, либо в абсолютные значения высоты.

Для пересчета абсолютной фазы в относительные значения высоты необходимо лишь указать точку, относительно которой производится пересчет. Результатом пересчета является изображение, для которого сохранена разница высот между двумя соседними элементами изображения.

Для пересчета абсолютных фазовых значений в абсолютные значения высоты необходимо указать несколько точек, высоты в которых достоверно известны. Желательно, чтобы контрольные точки были равномерно распределены по изображению. Результатом пересчета является изображение высот, отсчитываемых от опорного эллипсоида.

Геокодирование

На этом этапе проводится геокодирование матрицы высот, полученных на этапе пересчета абсолютных фазовых значений в высоту. Рельеф при этом переводится в географическую систему координат: широта-долгота-высота над опорным эллипсоидом. Предоставляется возможность выбора геометрических размеров сетки выходного файла по широте и долготе. В результате получается файл, представляющий собой цифровую модель рельефа.

Рисунок 31. Цифровая модель рельефа

Обработка дифференциально-интерферометрических данных

Интерферометрический процессор позволяет обрабатывать данные радиолокационных съёмок, полученные в дифференциально- интерферометрическом режиме (трёхпроходная и четырёхпроходная интерферометрия). Дифференциально-интерферометрический набор данных представляет собой три или четырё снимка, каждый из которых составляет интерферометрическую пару любому другому снимку из этого набора. Обрабатывая попарно снимки такого набора можно получить дифференциальную интерферограмму, т.е. картину изменения поля разностных фаз (интерферограмм) за некоторый промежуток времени. С учётом знания геометрии обзора при съёмке всех сюжетов набора можно пересчитать значения фаз дифференциальной интерферограммы в изменения рельефа, происшедшие между съёмками обрабатываемых пар. Такие изменения могут быть обусловлены как вертикальными, так и горизонтальными подвижками подстилающей поверхности. Поскольку значения дифференциальной интерферограммы непосредственно зависят от длины волны РСА, могут быть определены смещения на поверхности сантиметрового или даже миллиметрового масштаба.

Обработка дифференциально-интерферометрических данных в процессоре производится последовательно на тех же закладках, что и обработка интерферометрических пар, со следующими особенностями.

Совмещение изображений

Растры двух или трёх вспомогательных изображений пересчитываются в геометрию изображения, выбранного в качестве основного. Процесс набора контрольных точек и афинного преобразования для каждого вспомогательного снимка такой же, как и в случае интерферометрической обработки. Интерферограмма есть результат комплексного перемножения основного изображения и изображения, комплексно-сопряженного к вспомогательному.



Рисунок 32. Вторая интерферограмма

Фильтрация

На этапе фильтрации обе интерферограммы фильтруются независимо теми же алгоритмами, что и при формировании рельефа интерферометрическим методом.

Развёртка фазы

Развёртка фазы производится индивидуально для каждой интерферограммы, на этой же закладке формируется и дифференциальная интерферограмма.

Пересчёт фазы в высоту

В случае дифференциально-интерферометрической обработки на этой закладке значения фазы пересчитываются в смещения поверхности вдоль линии визирования радиолокатор-поверхность по направлению на радиолокатор или от него.

Рисунок 33. Матрица смещений поверхности



Рисунок 34. Карта смещений

Геокодирование

На этапе геокодирования в географическую систему координат (широта -- долгота -- высота) над опорным эллипсоидом пересчитывается матрица смещений поверхности.

Программа выявления изменений когерентности

Программа выявления изменений когерентности предназначена для получения данных об изменениях свойств земной поверхности на интервале времени между двумя интерферометрическими съёмками.

Реализованный в программе подход к выявлению изменений основан на анализе разностно-фазовой информации, получаемой обработкой интерферометрических пар снимков. Поскольку фазовые характеристики обратного рассеяния радиолокационного сигнала зависят от геометрии подстилающей поверхности в масштабе рабочей длины волны (от 3 до 20 сантиметров), потенциально программа позволяет выявить изменения вплоть до миллиметрового масштаба.

При помощи программы можно производить мониторинг таких процессов как вырубка леса, прирост растительного покрова, сельскохозяйственная обработка почвы, изменение береговой линии, разливы, при определенных условиях -- следы движения транспортных средств.

Входными данными для программы являются пары комплексных изображений, полученных в режиме интерферометрической съёмки. Результатом работы программы являются растровые и векторные карты в географической проекции, характеризующие наличие изменений.

Рисунок 35. Программа выявления изменений когерентности

Стерео процессор

1. Импорт данных и служебной информации

a. Чтение файлов данных.

b. Чтение параметров из формата CEOS.

c. Формирование параметров для обработки.

2. Г еореференцирование (для данных формата SLC)

a. Переход из наклонной дальности в наземную.

b. Интерполяция на эквидистантную сетку.

3. Корегистрация снимков

a. Поворот вспомогательного снимка относительно основного с использованием опорных точек

i. корегистрация по двум точкам

ii. корегистрация по эфемеридам снимков.

b. Выбор области перекрытия снимков.

4. Предварительная обработка

a. Выделение интересующего участка.

b. Низкочастотная фильтрация (сглаживание).

5. Расчёт параметров преобразования в высоту

a. Расчёт коэффициентов преобразования параллаксов в высоты по эфемеридам.

b. Расчёт коэффициентов преобразования параллаксов в высоты по опорным точкам.

6. Корреляция

a. Г енерация матрицы РЛ параллаксов.

b. Г енерация матрицы корреляционных величин.

7. Сглаживание

а. Низкочастотная фильтрация файла параллаксов.

8. Формирование возвышений рельефа

a. Преобразование параллаксов в возвышения.

b. Расчёт абсолютных высот по опорным точкам.

c. Расчёт абсолютных высот по эфемеридам.

9. Трансформация в картографическую СК

a. Геокодирование матрицы высот.

b. Орторектификация матрицы высот.

Модуль создания цифровых моделей рельефа методом обработки стереоснимков

Стерео процессор формирует ЦМР по двум радиолокационным снимкам, о бразующим стереопару (разница углов наблюдения 8-30 градусов).

Поддерживаются стереопары стандартных данных РСА RADARSAT-1, RADARSAT-2, TerraSAR-X в формате путевой системы координат «линия пути -- наземной дальности». Выходом стерео процессора является цифровая матрица абсолютных высот рельефа над эллипсоидом WGS84 в географической проекции с заданным межпиксельным расстоянием. Точность по высоте восстановленного рельефа сопоставима с пространственным разрешением РЛ снимков.

Совмещение снимков стереопары может быть сделано двумя способами: по опорным точкам и по эфемеридной информации из заголовочных файлов снимков.

Входящий в состав процессора цифровой коррелятор имеет иерархическую структуру с возможностью настройки пользователем параметров каждого уровня, что позволяет учесть особенности обрабатываемой поверхности. Цифровой коррелятор имеет режим автоматической настройки. Формирование матрицы абсолютных высот возможно без привлечения опорных точек местности.

Процесс стереообработки

Импорт данных и служебной информации

Чтение файлов данных.

Чтение параметров из формата CEOS.

Формирование параметров для обработки.

Переход из наклонной дальности в наземную.

Интерполяция на эквидистантную сетку.

Корегистрация снимков

Поворот вспомогательного снимка относительно основного с использованием опорных точек. Выбор области перекрытия снимков.

Перекрывающиеся снимки с одинаковыми размерами

Предварительная обработка

Выделение интересующего участка. Низкочастотная фильтрация (сглаживание).

Расчёт параметров преобразования в высоту

Расчёт коэффициентов преобразования параллаксов в высоты по эфемеридам.

Расчёт коэффициентов преобразования параллаксов в высоты по опорным точкам.

Корреляция

Г енерация матрицы РЛ параллаксов. Генерация матрицы корреляционных величин.

Коэффициенты пересчёта

Радиолокационные параллаксы и коэффициенты корреляции

Сглаживание

Низкочастотная фильтрация файла параллаксов.

Формирование возвышений рельефа

Преобразование параллаксов в возвышения.

Расчёт абсолютных высот по опорным точкам.

Расчёт абсолютных высот по эфемеридам.

Сглаженный файл параллаксов

Матрица высот в путевой (наземной) системе координат

Трансформация в Матрица абсолютных высот рельефа

картографическую СК в географической проекции

Геокодирование матрицы высот.

Орторектификация матрицы высот.

Корегистрация необходима для совмещения двух радиолокационных стереоизображений с целью их последующей совместной обработки. Корегистрация включает в себя поворот одного из изображений относительно другого и совмещение изображений по оси азимута или, что то же самое, по направлению полёта РСА.

В данной версии программного обеспечения реализованы следующие методы корегистрации:

- корегистрация по двум точкам

- корегистрация по эфемеридам снимков.

Метод корегистрации по двум опорным точкам состоит в следующем. На каждое из двух изображений стереопары оператор ставит в интерактивном режиме по две опорные точки. Целью поворота одного снимка относительно другого является их совмещение таким образом, чтобы координаты азимута (линии пути) для идентичных точек на снимках совпадали с точностью до некоторой константы. Это даёт возможность последующей операцией сдвига повёрнутого изображения по азимуту свести эту константу к нулю и добиться равенства координат азимута для идентичных точек, что позволяет свести задачу корреляции двух снимков к одномерному случаю. Однако, принципиально такой результат может быть получен только в том случае, если все точки зондируемой поверхности находятся на одной высоте. Для поверхности с некоторым изменением высоты рельефа по полю снимка, что является общим случаем, точного совмещения по координате азимута для всех точек получить не удастся, а, следовательно, процедура корреляции становится двумерной.

Корегистрация по эфемеридам. Как и в предыдущем методе, на каждый снимок стереопары устанавливается по две опорные точки. Отличием второго метода от первого является то, что независимо от выбора точек угол поворота рассчитывается на некоторой опорной поверхности, положение которой может контролироваться оператором. Для этого используются эфемериды каждого снимка из состава служебной информации для данной съёмки. Это даёт возможность реализовать процедуру выбора положения поверхности таким образом, чтобы минимизировать ошибки корегистрации, обусловленные различным возвышением рельефа.

Рисунок 36. На рисунке показано трёхмерное представление участка земной поверхности в районе западного побережья Канады. Картина получена наложением снимка РСА Radarsat (стандартный режим) на цифровую матрицу рельефа, полученную обработкой стереопары РСА Radarsat.

Поляриметрический процессор

Поляриметрический процессор реализует технологию совместной обработки радиолокационных снимков поверхности Земли, полученных с различной поляризацией несущей волны, что позволяет классифицировать элементы разрешения снимков по их физическим свойствам.

Входными данными для процессора являются комплексные радиолокационные изображения в путевой системе координат в проекции наклонной дальности. Процессор может работать как с полной (четыре комбинации), так и с неполной (две комбинации) поляризационной матрицей на входе.

Процессор позволяет выделить интересующий оператора участок снимка, задать поляризационный базис установкой углов ориентации, эллиптичности и фазы, рассчитать поляриметрический дескриптор, провести фильтрацию матрицы когерентности, выполнить декомпозицию дескриптора и провести итеративную классификацию по методу Визарта. Оператор может выполнить настройку операций на интерфейсе процессора.

Результатом последовательного выполнения этапов обработки являются растровые файлы, отражающие разбиение поверхности на 8 или 16 классов в соответствии с её отражательными свойствами. Процессор также позволяет отобразить матрицу рассеяния в псевдоцвете с использованием кодирования Паули и Синклера.

Рисунок 37. Поляриметрический процессор

Программа когерентного совмещения РЛИ

Программа когерентного совмещения РЛИ предназначена для создания набора изображений, пространственно совмещённых друг с другом с точностью до долей пикселя.

Совмещение производится на основе анализа фазовой информации, содержащейся в наборе комплексных изображений, полученных в режиме интерферометрической съёмки.

В программе реализованы процессы полностью автоматического совмещения и совмещения с использованием опорных точек, устанавливаемых оператором. В результате совмещения серии снимков, каждому пикселю оказывается сопоставленным набор комплексных значений, число которых равно числу снимков в серии. Этот набор используется для итеративной классификации пикселей по методу k-средних и вычисления числовых характеристик, одной из которых является среднее значение амплитуды. Усреднение амплитуды по серии снимков позволяет снизить дисперсию шума и улучшить радиометрическое разрешение РЛИ без потери пространственного разрешения.

Результатом работы программы является набор совмещённых снимков, растр усреднённых по набору амплитуд и растр, содержащий результаты классификации -- типы поверхности, кодированные цветом.

Рисунок 38. Программа когерентного совмещения РЛИ

Процессор распознавания нефтяных пятен

Процессор распознавания нефтяных пятен предназначен для обнаружения нефтяных пятен на фоне однородной морской поверхности.

Входными данными для процессора служит радиолокационные изображения, импортированные во внутренний формат из одного из внешних форматов (CEOS, XML). Результатом обработки является растровое бинарное изображение с обнаруженными нефтяными пятнами и набор параметров, характеризующих пятна (занимаемая площадь на поверхности, географическое положение по широте и долготе). Полученное в результате обработки растровое бинарное изображение, представленное во внутреннем формате, может быть экспортировано в один из распространенных внешних форматов данных. Например, в графический формат Geo TIFF, который способен хранить географические координаты элементов изображения.

Процессор может работать как в автоматическом режиме, так и с участием оператора. Реализованный алгоритм имеет небольшое число параметров, варьирование которых позволяет повысить качество результата в случае сложных сцен.

Рисунок 39. Процессор распознавания нефтяных пятен

Исходные данные

Исходными данными для программы служит радиолокационное изображение (РЛИ), представленное в одном из внешних форматов (CEOS, XML).

Последовательность операций обработки

Интерфейс программы построен в соответствии с последовательностью основных этапов обработки:

- Выделение участка для обработки (не обязательно);

- Адаптивная пороговая классификация;

- Итеративная классификация;

- Итеративная фильтрация (не обязательно).



Рисунок 40. Результаты операций обработки

Основные операции методики распознавания нефтяных пятен по данным РСА

Импорт данных и служебной информации

Чтение файла данных.

Чтение параметров из формата CEOS,XML.

Формирование параметров для обработки.

Предварительная обработка

Выделение интересующего участка.

Адаптивная пороговая классификация

Подсчет статистик по изображению. Формирование файла порогового значения. Пороговая классификация.

Итеративная классификация

Вычисление параметров статистических моделей классов. Формирование массива "перспективных" пикселей. Формирование массива приращений функции энергии. Оптимизация функции энергии и получение новой классификации.

Итеративная фильтрация

Анализ геометрии бинарного изображения. Фильтрация бинарного изображения.

Подсчет статистик

Вычисление суммарной площади нефтяных пятен.

Адаптивная пороговая классификация представляет собой пороговую классификацию с индивидуальным значением пороговой величины для каждого элемента изображения. Пороговая величина определяется по локальным статистическим характеристикам изображения. В результате проведения этого этапа обработки формируется начальная сортировка элементов изображения для последующей итеративной классификации.

Итеративный классификационный алгоритм оперирует не только в пространстве признаков, но и с исходным изображением. Это позволяет получить пространственно однородный результат классификации. Обработка проходит таким образом, чтобы оптимизировать некоторую функцию энергии на множестве возможных сортировок.

Итеративная фильтрация имеет целью повышение пространственной однородности результата классификации, и представляет собой нелинейную фильтрацию каскадом возрастающих по размеру окон.

Процессор обнаружения кораблей

Процессор обнаружения кораблей предназначен для выделения на фоне морской поверхности надводных судов, оценки их характеристик, таких, как: скорость и направление движения, размеры и координаты.

Оценка скорости кораблей производится при наличии видимых на поверхности кильватерных следов.

Входными данными для процессора являются радиолокационные снимки земной поверхности в путевой системе координат в проекции наклонной или наземной дальности. Результатом обработки является векторный файл формата SHP с отметками обнаруженных кораблей и текстовый файл, содержащий перечень кораблей и оценки их параметров.

Поиск кораблей производится в автоматическом режиме с возможностью интерактивного редактирования оператором результатов поиска.

Оценка скорости производится по смещению судна относительно его кильватерного следа, выделенного в ручном режиме. Расчёт линейной скорости и направления движения производится процессором автоматически с использованием параметров КА, РСА и геометрии съёмки из состава служебной информации.

Оценки размеров кораблей могут корректироваться в интерактивном режиме оператором.

Рисунок 41. Процессор обнаружения кораблей

Программа анализа морского волнения

Программа анализа морского волнения предназначена для формирования оценок пространственного периода, направления распространения и высоты крупных энергонесущих волн на морской поверхности по радиолокационным снимкам.

Входными данными для программы являются геореференцированные (в проекции линия пути -- наземная дальность) снимки.

В качестве первичного источника анализа программа формирует периодограмму морской поверхности с использованием БПФ и рассчитывает статистически устойчивые оценки спектра. Для уменьшения уровня боковых лепестков и повышения гладкости спектральных оценок используются весовые функции и пространственная фильтрация спектра.

По результатам анализа характеристик волнения программа способна построить карту пространственного распределения скоростей приводного ветра в предположении, что спектр волнения описывается распределением Пирсона-Мошковича.

Результатом работы программы является набор растровых карт, характеризующих распределение пространственного периода и направления волнения, высоты волн и скорости ветра.

Программа способна работать как в автоматическом режиме, так и с участием оператора.

Рисунок 42. Программа анализа морского волнения

Программные средства оценки качества РЛИ

Программные средства оценки качества позволяют пользователю

оценить свойства радиолокационных изображений по ряду

стандартизованных параметров, сделать вывод об их соответствии

заявленным в спецификации и получить представление о степени пригодности снимков для дальнейшего использования.

Набор программных средств включает программы анализа параметров импульсного отклика РСА, геометрических характеристик РЛИ, радиометрических свойств и статистических характеристик. Оцениваются такие параметры, как пространственное разрешение, уровень боковых лепестков, относительная радиометрическая ошибка, абсолютные и относительные геометрические искажения и т.д.

Программа анализа импульсного отклика предназначена для анализа функции импульсного отклика РСА на одиночную точечную цель.

Программа геометрического анализа предназначена для оценки пикового относительного уровня боковых лепестков, интегрального относительного уровня боковых лепестков, абсолютной точности положения объекта и геометрических искажений.

Программа радиометрического анализа предназначена для оценки относительной радиометрической ошибки по полю снимка и вычисления коэффициента радиометрической линейности РСА.

Программа анализа статистик предназначена для расчета статистических характеристик снимка по всему полю или выбранному участку и построения гистограммы.

Оценка параметров производится интерактивно в автоматизированном режиме. Оператору требуется выбрать область анализа, или установить опорные точки, все необходимые расчёты производятся программой.

Входными данными для работы программ являются снимки, соответствующие стандартным форматам представления данных для систем РСА.

Результатом работы каждой программы является текстовый отчёт, который можно просмотреть в интерфейсном окне, сохранить в файл или распечатать.

Программа когерентного совмещения РЛИ

Программа когерентного совмещения РЛИ предназначена для создания набора изображений, пространственно совмещённых друг с другом с точностью до долей пикселя.

Совмещение производится на основе анализа фазовой информации, содержащейся в наборе комплексных изображений, полученных в режиме интерферометрической съёмки.

В программе реализованы процессы полностью автоматического совмещения и совмещения с использованием опорных точек, устанавливаемых оператором. В результате совмещения серии снимков, каждому пикселю оказывается сопоставленным набор комплексных значений, число которых равно числу снимков в серии. Этот набор используется для итеративной классификации пикселей по методу k-средних и вычисления числовых характеристик, одной из которых является среднее значение амплитуды. Усреднение амплитуды по серии снимков позволяет снизить дисперсию шума и улучшить радиометрическое разрешение РЛИ без потери пространственного разрешения.

Результатом работы программы является набор совмещённых снимков, растр усреднённых по набору амплитуд и растр, содержащий результаты классификации -- типы поверхности, кодированные цветом.

Обработка ДДЗ с помощью PHOTOMOD® Radar

Рассмотрим несколько примеров обработки аэросъемки с БПЛА. Во всех примерах для обработки использовалась ЦФС PHOTOMOD. Отметим, что различными организациями в компанию «Ракурс» для тестирования было передано более 20 блоков аэросъемки с БПЛА. К сожалению, для многих блоков отсутствовали опорные точки и/или съемка была проведена неоткалиброванными камерами. В таких случаях было невозможно оценить точность конечных результатов обработки.

Первый блок, который мы рассмотрим, был снят с борта БПЛА ZALA 421-04ф. Данные для исследований были любезно предоставлены ОАО «Газпром космические системы». Блок состоял из 26 маршрутов. Общее число снимков в блоке составило 595. Использовалась предварительно откалиброванная цифровая камера Canon EOS 500D. Высота залета над местностью составила около 500 м, размер пиксела на местности приблизительно равен 8 см.

На местности были измерены и промаркированы 25 опорных точек, точность координат опорных точек не превышала 10 см. Общий перепад высот местности протяженностью около 3-х километров достаточно большой ~ 70 метров.

Сначала этот же блок аэросъемки был обработан в автоматическом режиме по упрощенной схеме, без уравнивания и использования опорных точек. Привязка осуществлялась по центрам проекции, трансформирование снимков проводилось сразу в модуле GeoMosaic без учета рельефа. Последующий контроль полученных «псевдо» ортофотопланов по опорным точкам показал расхождения на опорных точках, превышающие 17 м. Такая невысокая точность ортофотплана обусловлена как большим перепадом высот, так и неточностью измерений центров проекций в полете.

Затем блок был подвергнут строгой фотограмметрической обработке. При уравнивании три из измеренных опорных точек считались контрольными. Среднеквадратическая ошибка уравнивания составила по опорным точкам 15 см, 16 см, 12 см, по контрольным точкам 23 см, 29 см и 57 см. Расхождения на связующих точках составили 8 см, 14 см и 69 см. Общий вид блока представлен на следующем рисунке.

Рисунок 43. Общий вид блока 1.

В процессе уравнивания было обнаружено, что координаты центров проекций из телеметрической информации содержат систематическую ошибку, главная из компонент которой составляет 10,5 метра по высоте Z. Среднеквадратические ошибки на центрах проекции после вычитания систематической ошибки составили 84 см, 239 см и 75 см.

Существенно большая ошибка по Y (вдоль полета), скорее всего, связана с неточным определением моментов съемки в телеметрии. Большие ошибки по Z на связующих точках возможно связаны с неточной калибровкой камеры и с накопленной ошибкой при съемке камерой с щелевым затвором. Наибольшие ошибки на связующих точках наблюдаются на краях и в углах снимков

Рисунок 44. Величины ошибок на связующих точках

Дальнейшая обработка блока проводилась по стандартной схеме. Был построен рельеф в автоматическом режиме и сделано ортотранформирование с учетом построенного рельефа.

Фрагмент построенного ортофото приведен на следующем рисунке. При построении этого фрагмента специально не включалась функция выравнивания яркости для демонстрации совпадения контуров соседних снимков.

Рисунок 45. Фрагмент ортофотоплана без выравнивания яркости

В апреле 2011 кафедрой фотограмметрии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) были проведены исследования материалов аэрофотосъёмки, полученных с помощью БПЛА Птеро, с целью оценки качества аэросъёмочных работ и фотограмметрической обработки. Съемка выполнялась с высоты около 900 м над средней плоскостью снимаемой местности с борта БПЛА Птеро цифровой фотокомерой Canon EOS 5D. Камера была предварительно откалибрована. Для оценки качества материалов использовался фрагмент блока, состоящий из 2-х маршрутов по 6 снимков в каждом. В качестве опорных использовались 14 точек, плановые координаты XY которых были сняты с планов масштаба 1:1000, а высота Z определялась по материалам воздушного лазерного сканирования, выполненного с точностью около 20-30 см. После фотограмметрического уравнивания