1
Dálkový průzkum země
v mikrovlnné části spektra
Fyzikální podstata
Základní způsoby snímání
mikrovlnné části spektra
• Pasivní metody (mikrovlnný radiometr)
• Aktivní metody (RADAR)
Charakteristika
Mikrovlnné záření je schopné se šířit
atmosférou téměř za jakýchkoliv podmínek
Může však procházet i do určité hloubky
v sedimentech
Odrazové a vyzařovací schopnosti objektů na
zemském povrchu jsou v oblasti mikrovln
odlišné od těchto charakteristik v optické části
spektra.
Odrazové vlastnosti povrchů jsou formovány
především drsností a vodním obsahem.
Odrazové vlastnosti povrchů ovlivňují jejich
dielektrické vlastnosti.
Typy RADARu – základní pojmy
RADAR - "radio detecting and ranging",
• Dopplerův RADAR
• PPI RADAR (meteorologický)
• RADAR zobrazující a nezobrazující
Radar s reálnou aperturou - SLAR (Side Looking
Airborne RADAR).
Radar se syntetickou aperturou - SAR (Synthetic
Aperture RADAR)
Boční RADAR
Nevojenské využití RADARu
1967 - provincie Darien (Panama)
1971- Venezuela
1971-1976 - RADAM (Radar for the Amazon),
Radarových snímků vytvořených z letadel bylo
použito k analýze geologických poměrů, k
inventarizaci lesní dřevní hmoty, lokalizaci
komunikací, vyhledávání minerálů, mapování
sopečných tvarů a toků velkých řek.
2
Boční radar - SLAR
D
c t
S =
⋅
2
Boční radar - SLAR
Geometrické vlastnosti radarových
obrazových záznamů
A - oblast blízkého dosahu (near range), B - oblast vzdáleného
dosahu (far range); αααα - úhel pohledu (look angle), δδδδ - hloubkový
úhel (depression angle), θθθθ - úhel dopadu (incidence angle); S šikmá
vzdálenost (slant range), D - horizontální vzdálenost
(ground range), Z - šířka záběru (swath)
Podélné prostorové rozlišení
Příčné prostorové rozlišení
β
λ
=
A
Vztah mezi šířkou paprsku (ββββ), vlnovou délkou
vyslaného signálu (λλλλ) a délkou antény (A)
Radar se syntetickou anténou - SAR
Zaznamenaný signál je zpracován tak, jako by byl
přijat anténou, jejíž délka je rovna dráze, kterou
nosič urazil za dobu, po kterou byl snímaný objekt
v jeho zorném poli.
Dopplerův efekt - posuv frekvencí
SAR zpracovává pouze střední část paprsku (a), ve
které se neprojevuje Dopplerův efekt - nenastává
posuv frekvencí. Tím se výrazně zlepšuje podélné
prostorové rozlišení.
3
Geometrické charakteristiky
radarových snímků
• nejednotné měřítko
• poziční chyby v důsledku různých nadmořských
výšek terénu
• efekt paralaxy
Změny měřítka v příčném směru
Poziční chyby v poloze objektů I
- zhuštění signálu (foreshortening)
Poziční chyby v poloze objektů II
- zpětný překryv (layover)
Poziční chyby v poloze objektů III
- radarový stín (radar shadow)
Rozdíl v geometrii fotografie a
radarového snímku
4
Vytváření stereoskopických dvojic z
RADARu
Parametry ovlivňující vzhled radarových
snímků
Parametry vnější
Parametry vnitřní
• vlnová délka (frekvence) použitého mikrovlnného záření
• polarizace použitého záření
• úhel dopadu (úhel pohledu) radarového paprsku
• azimut dopadajícího radarového paprsku ve smyslu jeho
orientace vzhledem ke snímanému objektu
• drsnost povrchu a lokální úhel dopadu
• vlhkostní poměry
• topografie
• dielektrické vlastnosti materiálů
Vlnová délka záření (pásmo)
30-100P
15-30L
7,5-15S
3,75-7,5C
2,4-3,75X
1,67-2,4Ku
1,1-1,67K
0,75-1,1Ka
λ [cm]Pásmo
S výjimkou radaru na raketoplánu jsou systémy jednopásmové
Polarizace signálu
Depolarizace signálu je
způsobena především
odrazem z vrstvy
vegetace
Úhel dopadu radarového signálu
• Ovlivňuje rozsah radarových stínů
• Malý úhel dopadu způsobuje
intenzivní odraz od relativně
hladkých povrchů
• Při velkém úhlu dopadu jsou
hladké plochy naopak tmavé
• Velký úhel dopadu zdůrazňuje
tvary snímaného reliéfu.
Azimut dopadu radarového
signálu (orientace)
Vzájemná orientace dopadajícího radarového
paprsku a snímaného objektu má výrazný vliv na
vzhled výsledného snímku
Objekty uspořádané do linií kolmých k dopadajícímu
paprsku (A) dávají daleko silnější odraz, než objekty
v liniích orientovaných rovnoběžně s dopadajícím
paprskem (B) – ulice, polní plodiny, …
5
Drsnost povrchu
Hladký povrch: h <
⋅
λ
θ8 cos
Drsný povrch: h >
⋅
λ
θ8 cos
h - průměrná výška nerovností povrchu
λλλλ - vlnová délka radarového signálu
θθθθ - úhel dopadu
Drsnost povrchu
Základní druhy odrazů:
a. difuzní
b. zrcadlový
c. koutový
Topografie a lokální úhel dopadu
radarového signálu
Elektrické vlastnosti
objektů
Vysoké hodnoty dielektrické konstanty způsobují
vysoké hodnoty zaznamenaného odraženého
signálu (kovové konstrukce)
Povrchy s vysokým vodním obsahem vykazují
zvýšenou vodivost
Přítomnost vody v půdě nebo ve vegetaci zvyšuje
odraz radarového signálu.
Radarový signál vegetace
• pro zjišťování vegetace jsou výhodné krátké
vlnové délky kolem 2 až 6 cm,
• vzhled ploch s vegetací na radarových
snímcích ovlivňuje dále především vodní obsah
• vegetace způsobuje depolarizaci signálu
Radarový signál vody a ledu
Hladké vodní plochy způsobují zrcadlový odraz
(možnost monitorování rozsahu ropných skvrn)
Zvlněná vodní hladina působí difuzní odraz
(možnost nepřímého určování směru a rychlosti
větru)
Radarový signál ledu závisí na dielektrické
konstantě (lze rozpoznat tající led), dále také na
stáří ledu (starý led se jeví jako drsný a působí
difuzní odraz)
6
Radarový signál vody a ledu Radarový signál půdy
Na radarových snímcích lze
zjišťovat především
přítomnost vody v horní
několikacentimetrové vrstvě
půdy.
Půdní vlhkost je zvláště
zřetelná v delších vlnových
délkách a zabraňuje pronikat
radarovému signálu do větších
hloubek.
V extrémně suché půdě může
radarový signál v pásmu L
pronikat až do hloubky
několika metrů.
Textura radarových snímků
„Speckle“ výrazná zrnitá textura - textura
"soli a pepře".
Radarové systémy
• letadlové systémy (Convair-580 C/X SAR,
AirSAR, IFSARE, TOPSAR) – v současné době
určeny především pro mapování výšek a
tvorbu DMT
• družicové systémy – topografické i tematické
mapování i výšková měření
1978 - SEASAT
1981 SIR-A, 1984 SIR-B, 1994 SIR C/X
(SIR - Shuttle Imaging Radar)
1991 - ALMAZ-1, ERS-1, JERS-1
1995 - RADARSAT
• monitorování průběhu a rozsahu povodní
• identifikace ledu
• výzkum pobřežních zón
• mapování druhů povrchů
• monitorování jevů v lesnictví a zemědělství
• námořní navigační systémy
• identifikace ropných skvrn
• mapování prostorového rozšíření sněhové pokrývky
• měření půdní vlhkosti
• výzkum vlnění
Vybrané oblasti aplikací ERS
Subpolární dráha, výška letu 785 km, časové rozlišení 16 až
18 dní.
Nese tři základní instrumenty: 1) tzv. AMI (Active
Microwave Instrument) - SAR pracující v C pásmu, 2)
Radarový altimetr (výškoměr) pracující v Ku pásmu, 3)
podélně skenující infračervený radiometr.
V režimu IMAGE pořizuje obrazový záznam z pásu širokého
100 km s rozlišením zhruba 30 m, s VV polarizací a se
středním obrazovým úhlem 23 stupňů. V režimu WAVE
instrument měří odrazivost od povrchu oceánu ovlivněnou
vlněním. V neobrazovém režimu WIND jsou měřeny směr a
rychlost větru při hladině moře.
Snímky dobře znázorňují i málo členitý reliéf, vodní plochy,
dobře identifikovatelné jsou také ropné skvrny na mořské
hladině.
7
ERS- 1
ERS - 2
ERS – 2
detekce změn
multitemporální
snímek
RADARSAT
Subpolární oběžná dráha, průměrná výška 798 km, inklinace
98,6 stupňů
Může pořizovat obrazové záznamy polárních oblastí denně a
záznamy oblastí mírných šířek každé tři dny.
Nese SAR pracující v C pásmu (5,6 cm) s HH polarizací.
Systém může pracovat v několika režimech s různou šířkou
záběru (od 45 do 510 km), s různým obrazovým úhlem (10 až
60 stupňů) a různou prostorovou rozlišovací schopností. (od
cca 10 metrů). Může vytvářet stereoskopické dvojice.
Aplikace: identifikace ledu, mapování druhů povrchů (land
cover), monitorování nebezpečných jevů (povodně), lesnictví a
zemědělství.
RADARSAT
8
Mapování polárních oblastí SIR C/X – Radarové snímky z raketoplánu
• SIR - Shuttle Imaging Radar
• Systém pracující v L pásmu (23,5 cm) a v C
pásmu (5,7 cm) s různě polarizovaným signálem.
• Snímky s podélným rozlišením 25 metrů a
příčným rozlišením 14 až 46 metrů v závislosti
na úhlu dopadu signálu.
SIR C/X – Radarové snímky z raketoplánu
Mapování ploch postižených požáry lesa JERS - 1
Mělník, 17.8. 2002
Mapování rozsahu povodní Mapování
rozsahu povodní
Střední tok řeky
Moravy, 14.7.1997
9
Mapování rozsahu povodní
14.7.1997
24.7.1997
27.7.1997
Barevná syntéza ze tří
časových horizontů
Morava, červenec 1997
snímky z družice
RADARSAT