Лисенко А. Р. Методика підвищення інформативності космічних знімків, отриманих за допомогою багатополяризаційного радару з синтезованою апертурою

У сучасному світі мікро-, макроекономіки постає необхідність контролю, оцінки, прогнозування ризиків, стану, результатів тощо. Для забезпечення таких потреб вкрай необхідним є залучення великих обсягів відповідних даних. Завдяки сьогоденному супутниковому покриттю та методам дистанційного зондування Землі (ДЗЗ) стає можливим отримання даних про земні об’єкти, практично, з будь-якої ділянки земної поверхні як у великих масштабах, так і в короткі терміни. Важливою якісною характеристикою даних дистанційного зондування Землі є їх інформативність, яка відповідає за кількість корисної інформації для вирішення конкретної тематичної задачі. А тому, для різних задач цей параметр є різним. Враховуючи лише зростаючі потреби у більш якісних даних для отримання більш точних результатів, підвищення інформативності супутникових зображень є актуальною задачею нинішнього часу. Отже, метою цієї роботи є підвищення інформативності космічних знімків, отриманих за допомогою багатополяризаційного радару з синтезованою апертурою (РСА), шляхом використання сучасних наукових напрацювань для розробки відповідної методики. Для досягнення заданої мети передбачено виконання кількох наукових завдань, першим з яких постав аналіз існуючих методів підвищення інформативності супутникових зображень, та встановлення взаємозв’язку інформативності з просторовою розрізненністю. В якості радіолокаційних даних з синтезованою апертурою було обрано знімки отримані з сузір’я супутників радіолокаційної системи Sentinel-1. Так як даний супутник надає дані в одразу двох поляризаціях, одна з яких збігається у випромінюваному та приймальному режимах поляризацій електромагнітного імпульсу, а інша містить міжполяризаційну складову, то для подолання проблем неузгодженості та різнорідності даних було розроблено моделі супутникового зворотного розсіювання радарного сигналу з подальшим їх використанням в алгоритмі зведення різнополяризаційних даних в спільну фізичну величину – діелектричну проникність земної поверхні. З метою підвищення просторової розрізненності було розроблено математичну модель синтезу супутникових зображень з низькою просторовою розрізненністю у єдине двократно збільшене зображення підвищеної просторової розрізненності та відповідний алгоритм, що її реалізує. Оцінка досягнутого результату – підвищення інформативності радарних даних – була проведена кількісно порівнянням фактичних просторових розрізненностей вхідних та вихідного зображень. В свою чергу фактичні просторові розрізненності оцінювалися методами просторово-частотного аналізу через апроксимовані функції передачі модуляції (ФПМ) цифрових зображень. Наукова новизна Вперше розроблено методику підвищення інформативності космічних знімків, отриманих за допомогою багатополяризаційного радару з синтезованою апертурою. Методика забезпечує підвищення просторової розрізненності вихідного радіолокаційного зображення за рахунок спільної субпіксельної обробки кількох вхідних зображень, отриманих в кожній поляризації окремо та переведених до єдиної фізичної величини, притаманної земної поверхні – діелектричної проникності, шорсткості, вологовмісту та таке інше. В результаті такого перетворення стає можливим коректно застосувати алгоритм надрозрізненності до сукупності різнополяризаційних радіолокаційних зображень. Удосконалено модель перетворення різнополяризаційних радарних даних в діелектричну проникність земної поверхні шляхом накладання фізично обумовлених обмежень цільової величини та застосування ітераційного прямого-оберненого моделювання відбитого радіолокаційного сигналу. Удосконалено алгоритм відновлення спільного зображення субпіксельної розрізненності із набору супутникових знімків за рахунок його адаптації до радіолокаційних даних, яка полягає в застосуванні додаткової спекл-фільтрації безпосередньо в частотній області, де виконується і вся інша обробка. Практична значимість За результатами експериментального тестування на багатьох реальних двополяризаційних радарних зображеннях розроблена методика забезпечила, в середньому, підвищення інформативності на 85.4 %. Окрім власне підвищення інформативності матеріалів багатополяризаційного радарного знімання запропонована методика забезпечує відтворення просторового розподілу цільової фізичної характеристики земної поверхні підвищеної розрізненності, що відповідає сучасній концепції ARD (analysis-ready data), яка передбачає отримання з сирих супутникових даних карт фізичних/біофізичних параметрів земної поверхні, зрозумілих фахівцям з тематичних наземних досліджень. Розроблену методику можна застосовувати для таких тематичних задач спостереження Землі як екологічний моніторинг, геофізичне картування, пошук корисних копалин, прогнозування деградації земель, дослідження кліматичних змін тощо. Ключові слова: дистанційне зондування Землі (ДЗЗ), супутникові дані, радар із синтезованою апертурою (РСА), коефіцієнт зворотного розсіювання, діелектрична проникність, надрозрізненність (superresolution), субпіксельна обробка