Возможности применения спутниковых радиолокационных данных для мониторинга сельскохозяйственных угодий

Данные, получаемые космическими радиолокаторами с синтезированной апертурой, находят всё большее применение при решении различных задач. Возможность получения радиолокационных изображений независимо от состояния атмосферы и солнечного освещения обеспечивает проведение регулярного мониторинга сельскохозяйственных угодий на их основе.
В работе показаны возможности использования радиолокационных данных для решения двух задач сельского хозяйства: распознавания сельскохозяйственных культур и их состояния и определения степени деградации земель, вышедших из хозяйственного оборота. Исследования проводились на участке Ставропольского края (данные ALOS PALSAR) и дельты Волги (данные RADARSAT-2). В первом регионе наблюдается активное использование земель, во втором – переход земельных угодий в категорию залежей.
Основным методом анализа радиолокационных данных для участка в Ставропольском крае стало создание и интерпретация многовременных композитов, составленных из амплитудных компонент двух радиолокационных изображений и их когерентности. Композитные изображения позволили визуально различить сельскохозяйственные угодья, находящиеся в разном состоянии: поля под паром и с активно вегетирующими сельскохозяйственными культурами. Кроме того, с использованием этого метода возможно выявлять такие изменения, произошедшие на местности между съёмками, как рост культур, проведение мелиоративных мероприятий и уборки урожая. Произведён эксперимент по контролируемой классификации полученного композита с обучающими выборками, соответствующими определённым сельскохозяйственным культурам. Оценка достоверности результатов осуществлялась на основе наземных измерений, проводившихся в период съёмки. Установлено, что высокая степень распознавания характерна для таких культур, как подсолнечник, горох и эспарцет. В то же время, схожесть некоторых культур (озимые зерновые, яровые колосовые и др.) обусловила сложность их выделения при классификации, что связано с особенностями зондирования в дециметровом диапазоне длин волн.
Для определения состояния залежных земель в дельте Волги применялся синтез разновременных амплитудных радиолокационных изображений, позволивший уверенно дешифрировать обрабатываемые и необрабатываемые земли с делением последних на 3 группы: 1) участки, на которых читаются границы полей (заросли тростника и тамарикса по оросительным каналам), 2) увлажнённые залежи с кустарниковой растительностью, 3) сухие, лишённые растительности залежи.
Наличие данных с полной поляризационной матрицей позволяет выполнять декомпозицию – разложение изображения на составляющие по трем типам рассеяния радиолокационного сигнала от земной поверхности: однократному, двукратному и объемному. Из трёх полученных компонент составлен композит и выполнена его кластеризация с выделением четырёх классов, которая позволила однозначно выделить типы поверхностей, по-разному влияющих на характер рассеяния сигнала: 1) объекты гидрографии и участки, лишённые растительного покрова (бугры Бэра, сухие залежи, лишённые растительности), 2) залежи с незначительным развитием кустарниковой растительности, 3) населённые пункты и обильная естественная растительность, 4) прочие участки с разной степенью развития растительности.
Таким образом, использование радиолокационных данных позволяет получать ценную информацию в интересах сельского хозяйства. Создание многовременных композитных изображений (как амплитудных, так и с привлечением фазовой информации) пригодно для выявления изменений земной поверхности, определения состояния угодий; существует потенциал и для классификации сельскохозяйственных культур. Большой информативностью обладают также изображения, полученные при декомпозиции поляриметрических данных, которые могут быть использованы для выделения различных типов земель. В перспективе планируется повысить качество получаемых результатов путём совершенствования используемых и создания новых методик обработки данных, а также путём проведения наземных измерений с учётом специфики радиодиапазона на тестовых валидационных полигонах.
Исследования с использованием данных ALOS PALSAR выполнены в рамках ОКР «Регион В-Архив». Данные RADARSAT-2 предоставлены МГУ компанией «Совзонд» в рамках Конкурса тематических проектов по обработке и использованию радарных данных для решения задач в различных областях народного хозяйства.