LAND SURFACE ROUGHNESS PARAMETER RETRIEVAL BY INVERSE SIMULATION OF DUAL-POLARIZATION RADAR BACKSCATTERING

Анотація

Radar remote sensing is a modern and advantageous method for aerospace research of the Earth. The mass commissioning of new high-resolution radar systems based on synthetic aperture radar (SAR) has greatly expanded the capabilities of radar imaging. The expediency of the SAR using was approved in domains that traditionally used remote sensing data, such as cartography, agriculture and forestry, mineral prospecting, environmental security, disaster monitoring, defense.

The primary physical parameter of the land surface, which is registered by non-interferometric SAR, is the radar backscattering coefficient (sigma nought). The received radar signal is a source for the complex simulation of backscattering processes and evaluation of the secondary land surface physical and biophysical characteristics: texture, soil moisture, dielectric permittivity, vegetation cover structure, etc. Herewith the land surface roughness, described by the standard deviation of its vertical irregularities, is one of the most significant entities in any radar simulation. Therefore, the land surface roughness restoration using radar remote sensing data is a high-relevant task. The land surface roughness is an independent physical parameter, in much determining the radar backscattering. However, the roughness correlation length depends on the polarization of the radar signal.

This paper describes a quantitative approach to the land surface roughness recovery by dual-polarization SAR imagery using separate measurements adjustment of independent physical value – dielectric permittivity in different polarizations. The proposed Baghdadi et al. semi-empirical calibration of IEM radar backscattering taking into account the polarization-dependent correlation length is used to ensure the physical equivalence of the land surface dielectric permittivity measurements in different polarizations. In addition, the paper provides the required computational equations, as well as the example of an actual Sentinel-1 radar image processing. The results obtained are generally correspond to the known physical patterns and landscape features of the study area.

Радіолокаційне дистанційне зондування є сучасним та ефективним методом аерокосмічних досліджень Землі. Масове впровадження нових радіолокаційних систем високої розрізненності на основі радіолокаторів з синтезованою апертурою (РСА) значно розширило можливості радарного знімання. Доцільність застосування даного методу було підтверджено в сферах, що традиційно використовують дані дистанційного зондування – картографії, сільському і лісовому господарстві, пошуку корисних копалини, охорони навколишнього середовища, моніторингу надзвичайних ситуацій, обороні.

Основним фізичним параметром земної поверхні, який реєструється неінтерферометричними РСА, є коефіцієнт зворотного розсіяння (сигма-нуль). Прийнятий радарний сигнал є джерелом для складного моделювання процесів зворотного розсіяння та оцінки вторинних фізичних і біофізичних характеристик земної поверхні -- текстури, зволоженості, діелектричної проникності, структури рослинного покриву тощо. При цьому шорсткість земної поверхні, яка описується середньоквадратичним відхиленням її вертикальних нерегулярностей, виступає одним з найбільш значущих чинників будь-якого моделювання. Отже, задача відновлення шорсткості земної поверхні за даними радіолокаційного дистанційного зондування є досить актуальною. Шорсткість земної поверхні – це незалежна фізична величина, що багато в чому визначає радіолокаційне зворотне розсіяння. Проте радіус кореляції шорсткості залежить від поляризації радіолокаційного сигналу.

У статті описується кількісний підхід до відновлення шорсткості земної поверхні за двохполяризаційними зображеннями РСА на основі узгодження вимірів незалежної фізичної величини – діелектричної проникності в різних поляризаціях. Використовується запропонована Багдаді та ін. напівемпіричне калібрування IEM радіолокаційного зворотного розсіяння з урахуванням поляризаційно-залежної величини радіуса кореляції для забезпечення фізичної еквівалентності вимірів діелектричної проникності земної поверхні в різних поляризаціях. Крім того, приведені необхідні розрахункові співвідношення та приклад обробки реального радіолокаційного зображення Sentinel-1. Одержані результати в цілому відповідають відомим фізичним закономірностям і ландшафтним особливостям території дослідження.