07 – Radarová data Sentinel-1, sledování pohybu ledovců
Radarová družicová data představují specifickou kategorii dat, která jsou pořizována v mikrovlnné části elektromagnetického spektra. Díky tomu mohou být radarové snímky pořízeny za jakéhokoliv počasí, ve dne i v noci. Radarová data vhodně doplňují standardní data optická zejména v situacích, kdy klimatické a povětrnostní podmínky znemožňují pořízení jiných snímků.
Stručný přehled typických aplikací:
- mapování záplav a záplavových oblastí
- geomorfologické mapování
- mapování seismických pohybů, sedání a sesuvů půdy
- sledování pohybu lodí, zjišťování znečištění moří a oceánů
- mapování a monitorování vývoje ledovců
- mapování a monitorování tropických pralesů
- tvorba digitálního modelu terénu
Mise Sentinel 1 je zaměřena na sledování pevniny a moří, zejména monitorování mořského ledu, oceánských vod, mořského pobřeží i polárních oblastí a navazuje zejména na úspěšné mise družic Envisat a ERS-1. Pro Českou republiku bude důležité zejména jejich možné využití v oblasti krizového řízení, a to hlavně díky dostupnosti aktuálních dat téměř v reálném čase. Konkrétní využití dat se předpokládá při povodních či deformacích terénu, které bude možné pomocí radarové interferometrie detekovat s milimetrovou přesností. Další oblastí uplatnění pro data ze Sentinelu 1 je monitorování území – např. mapování lesních porostů, monitorování zemědělských plodin či sledování rozsahu sněhové pokrývky. Podobné informace mohou pomoci i při předpovídaní povodní či sledování dopadu klimatických změn. Více informací o misi Sentinel 1 se dozvíte na stránkách Evropské vesmírné agentury.
Sentinel 1 snímá zemský povrch celkem ve 4 režimech:
- Strip Map Mode (SM)
- Interferometric Wide Swath Mode (IW)
- Extra Wide Swath Mode (EW)
- Wave Mode (WV)
Základní přehled parametrů jednotlivých režimů udává následující tabulka:
Nad daným územím je systematicky používáno stejné polarizační schéma (v závislosti na vybrané aplikaci):
- HH-HV nebo HH pro polární oblasti a mořské zalednění
- VV-VH nebo VV pro ostatní oblasti (s výjimkou Baltského moře)
Polarizace vyjadřuje uspořádání a pravidelnost elektrické a magnetické složky elektromagnetické vlny v rovině kolmé na směr šíření. Pokud vektor elektrické intenzity kmitá ve směru kolmém na zemský povrch, vlnění je vertikálně polarizované (V), kmitání ve směru rovnoběžném se zemským povrchem je horizontálně polarizované (H). Radar může vysílat a přijímat mikrovlnné záření o stejné polarizaci, o jiné polarizaci než vysílá (HV nebo VH), s alternující polarizací (HH, HV se střídá s VV, VH) nebo plně polarizované (HH, VV, HV a VH).
Radar může vysílat a přijímat mikrovlnné záření o stejné polarizaci, o jiné polarizaci než vysílá (HV nebo VH), s alternující polarizací (HH, HV se střídá s VV, VH) nebo plně polarizované (HH, VV, HV a VH).
HH polarizace je obvykle používána pro monitorování vegetace a pozemních povrchů, jako jsou lesy, pole a vodní plochy. Tento typ polarizace může poskytnout informace o struktuře vegetace a povrchových vlastnostech.
VV polarizace se často používá pro analýzu terénu, geologických formací a urbanizovaných oblastí. Je vhodná pro zjištění změn reliéfu, detekci budov, silnic, mostů atd.
Kombinace polarizací VH (vertikální–horizontální) a HV (horizontální–vertikální) jsou další dva důležité typy polarizace používané v radarovém snímání. Tyto kombinace se často nazývají jako duální polarizace a poskytují další informace o zkoumané oblasti.
VH polarizace je obvykle citlivá na strukturální vlastnosti povrchu, jako jsou stavby, silnice, vodní plochy a další objekty s výraznými horizontálními rysy.
HV polarizace může být citlivá na odražený signál od objektů s vertikálními strukturami, jako jsou věže, sloupy, stromy a jiné vertikální prvky.
Pojmy “intenzita – intensity” a “amplituda – amplitude” jsou oba součástí analýzy radarových dat. I když jsou oba pojmy spojeny s vlastnostmi zpětně odraženého radarového signálu, mají trochu odlišné významy:
Amplituda:
- Amplituda je velikost radarového signálu, který se odrazí od povrchu Země nebo jiných objektů v scéně. Vyjadřuje intenzitu zpětného signálu bez ohledu na fázi signálu.
- Amplituda se obvykle měří v jednotkách decibelů (dB) a udává relativní sílu odraženého signálu.
- Hodnota amplitudy může být ovlivněna vlastnostmi povrchu, jako je drsnost, struktura, materiál atd.
Intenzita:
- Intenzita je spojená s energií zpětně odraženého signálu, který je zachycen radarovým senzorem. Vyjadřuje sílu a hustotu signálu v určité oblasti scény.
- Intenzita obvykle odkazuje na kvadrát amplitudy signálu a může být vyjádřena v jednotkách intenzity nebo v jiných ekvivalentních jednotkách.
- Intenzita může poskytnout informace o koncentraci a distribuci objektů v scéně a je důležitá pro kvantitativní analýzy.
Data ze Sentinelu 1 jsou poskytována v několika úrovních předzpracování:
- level 0 – komprimovaná originální data, obsahují šum, vnitřní kalibraci a informace o poloze na oběžné dráze
- level 1 – SLC (Single Look Complex) – data georeferencována s využitím informací o výšce a poloze na oběžné dráze
- level1 – GRD (Ground Range Detected) – data zpracována pomocí multilookingu a georeferencována pomocí referenčního zemského elipsoidu, nezachována
informace o fázi, redukce speckle za cenu nižšího prostorového rozlišení - level 2 – OCN (Ocean) – obsahuje přídavné informace o vlastnostech oceánu v době snímání (např. rychlost a směr větru)
Úkoly
- stáhněte si data ze Sentinelu 1 pro vaše území z Sentinel SciHub, level 1 GRD (datum libovolný snímek z letošního roku)
- otevřete si snímky ze Sentinelu 1 v programu SNAP
- prohlédněte si snímky z obou polarizací VV i VH a zkuste je porovnat
- proveďte předzpracování snímků (radiometrická kalibrace, filtrace a korekce terénu)
Předzpracování radarových dat
Samotné předzpracování radarových dat z úrovně GRD probíhá ve třech krocích:
- radiometrická kalibrace
- filtrace obrazu
- korekce terénu
Prvním krokem předzpracování radarových dat je radiometrická kalibrace snímku. Vzhledem k výpočetní náročnosti při zpracování radarových dat, vytvořte si subset oblasti. Ten vytvoříte kliknutím pravého tlačítka myši na snímek a zvolením Spatial Subset from View.
Cílem kalibrace SAR je poskytnout obrazová data, ve kterých lze přímo spojit hodnoty pixelů s radarovým zpětným rozptylem scény. I když nekalibrovaná obrazová data z SAR jsou dostatečná pro kvalitativní použití, kalibrované obrazy z SAR jsou nezbytné pro kvantitativní využití dat z SAR.
Typické zpracování dat z SAR, které produkuje obrazy úrovně 1, nezahrnuje radiometrické korekce a zůstává zde významná radiometrická odchylka. Proto je nezbytné aplikovat radiometrickou korekci na obrazy z SAR, aby hodnoty pixelů obrazů z SAR skutečně reprezentovaly radarový zpětný rozptyl odraženého povrchu. Radiometrická korekce je také nezbytná pro porovnání obrazů z SAR získaných různými senzory, nebo získaných ze stejného senzoru, ale v různých časech, v různých režimech nebo zpracovávaných různými procesory.
Hlavním předmětem filtrace obrazu je potlačení zrnité textury ve snímku. Jednotlivé velmi světlé, nebo naopak velmi tmavé body vznikají jako náhodný proces. Světlé plošky vznikají tak, že se na snímaném území odpovídajícímu jednomu pixelu vyskytuje několik malých odražečů, které jsou v přesně stejné vzdálenosti od antény. Tmavé body ve snímku jsou výsledkem takového rozmístění odražečů na území odpovídajícímu jednomu pixelu, při kterém se odrazy radarového signálu navzájem zeslabují a nakonec vytvoří velmi slabé echo. Pro potlačení těchto textur se využívají adaptivní filtry.
Úkol č.1 Proveďte filtraci a porovnejte snímky před a po filtraci. Samotnou filtraci naleznete v menu Radar – Speckle Filtering – Single Product Speckle Filter.
Posledním krokem jsou korekce terénu (Radar –> Geometric –> Terrain Correction –> Range-Doppler Terrain Correction).
Úkol č.2 Proveďte korekci terénu pomocí digitálního modelu SRTM a ASTER a výsledky porovnejte.
Výsledný snímek je možné převést do formátu KMZ a zobrazit v prostředí Google Earth.
Postup pro detekci změn – povodní v krajině:
- nutné mít k dispozici více snímků z různých časových období, kdy došlo ke změnám
- radiometrická kalibrace obou snímků
- filtrace obrazu
- topografická korekce
- převod hodnot db na lineární hodnoty
- spojení obou obrazů
- analýza obrazu VH a VV (barevná syntéza)