Интерферометрическая обработка данных космических РСА высокого и сверхвысокого разрешения

Основными тенденциями развития современных космических радиолокационных систем, наряду с повышением пространственного разрешения и увеличением числа режимов съемки являются появление возможностей интерферометрической и полной поляризационной обработки. Появление на рынке радиолокационных данных высокого (8-10 м) и сверхвысокого (1-3 м) пространственного разрешения с возможностью интерферометрической обработки, таких как ALOS PALSAR, RADARSAT-2, TeraSAR-X, CosmoSkyMed – 1,2,3,4 открывает новые возможности дешифрирования относительно малоразмерных объектов инфраструктуры и построения детальных цифровых моделей рельефа (ЦМР).
Интерферометрическая обработка данных космических РСА включает следующие этапы: синтез пары комплексных радиолокационных изображений (РЛИ), пространственное совмещение радиолокационных изображений одной и той же области поверхности; формирование интерферограммы путем поэлементного комплексного перемножения двух РЛИ; компенсация фазового набега; фильтрация интерферограммы; устранение фазовой неоднозначности («развертывание фазы»); построение цифровой модели рельефа (ЦМР) – пересчет разности фаз в высоты рельефа и геокодирование (переход от полетной системы координат к какой-либо картографической проекции).
Перечисленные этапы реализованы в специализированных программных комплексах обработки данных дистанционного зондирования Земли, таких как SARscape, IMAGINE Radar Mapping, Photomod Radar, Radar Tools, так что можно говорить о технологии интерферометрической обработки данных космической радиолокационной съемки. Вместе с тем, в силу сложности и слабой формализуемости решаемых задач на каждом этапе используются многочисленные эмпирические алгоритмы и методы. Особенно это касается двух основных этапов – фильтрации фазового шума и, особенно, развертывания фазы. Качество ЦМР существенно зависит от подбора алгоритмов обработки и настройки их параметров. Работа посвящена анализу и сравнению алгоритмов фильтрации интерферограмм и развертывания фазы, и экспериментальной оценке точностных характеристик получаемых с их использованием ЦМР.
Критериями оценки качества построения ЦМР являются: точности абсолютного положения контрольных точек в плане и по высоте (среднее абсолютное отклонение); максимальные погрешности контрольных точек в плане и по высоте; среднеквадратические погрешности представления высот контрольных точек. Одним из способов для оценки точности созданной ЦМР является определение погрешностей между сечениями в произвольном направлении полученного и эталонного рельефа.
Экспериментальное исследование алгоритмов интеферометрической обработки проводилось на основе съемки тестового участка, содержащего как естественные изменения рельефа, так и антропогенные его нарушения (карьеры, отвалы), а также участки растительности разного типа (хвойные и лиственные леса, болота, сельскохозяйственные угодья), объекты с различной отражательной способностью радиоволн (водная поверхность, опоры ЛЭП, железные и автомобильные дороги, городская застройка).
Эталонная ЦМР тестового участка получена по данным планово-высотной основы цифровой топографической карты. На основании значений отметок высот методом интерполяции (триангуляции Делоне и сглаживания) построена эталонная цифровая модель рельефа с шагом дискретизации 10 м и вертикальной точностью 1,7 м. Кроме этого с использованием пары геодезических GPS-приемников Leica были получены координаты и высоты 10 контрольных точек – целей, хорошо распознаваемых на РЛИ.
На основе экспериментальной обработки фрагментов РЛИ тестовых участков, полученных РСА ALOS PALSAR и CosmoSkyMed показано что наилучшие результаты по точности и быстродействию дает комбинация из алгоритма фильтрации Гольдштейна и алгоритма развертывания «растущие пиксели».