Цифровые модели рельефа на основе открытых данных
Цифровая модель рельефа (Digital Elevation Model, DEM) представляет собой высоту поверхности Земли в виде сетки значений высот. DEM служит важным инструментом для понимания топографии, гидрологии и форм земной поверхности. Исследователи, геологи и экологи используют DEM для различных целей, включая анализ рельефа, моделирование наводнений и градостроительство.
Создание DEM с использованием открытого программного обеспечения, такого как PyGMTSAR (Python InSAR), является ярким примером того, как современные технологии делают сложные процессы доступными и быстрыми. Всего одним кликом мыши можно запустить процесс обработки и получить результаты спутниковой DEM. Этот и многие другие интерактивные примеры использования InSAR с 3D-визуализацией доступны на платформе InSAR.dev.
Цифровая модель рельефа создается из радарных снимков, полученных с помощью спутника Sentinel-1, всего за несколько минут на устройствах с доступом в интернет. Такая скорость и доступность делают эту технологию подходящей для всех, без необходимости иметь высокоскоростной интернет, большой объем диска или мощный компьютер.
Общедоступные радарные спутники, такие как Sentinel-1, сканируют нашу планету днем и ночью, фиксируя отраженный сигнал в виде растровых изображений для последующей обработки. Эти изображения содержат комплексные значения фазы отраженного сигнала и могут быть использованы для получения различной информации о состоянии и движении поверхности Земли, а также о свойствах атмосферы. Простейшая форма обработки включает вычисление амплитуды сигнала для получения изображения в оттенках серого, аналогичного оптической фотографии, но не зависящего от времени суток и облачности.
Основной потенциал радарных спутников раскрывается при обработке комплексных данных. Длина волны радара Sentinel-1 составляет 56 мм, что позволяет фиксировать точные высоты и смещения земной поверхности с точностью до долей миллиметра. Например, если поверхность опускается на миллиметр, луч радара проходит дополнительное расстояние в 1 миллиметр до поверхности и обратно, что в сумме составляет 2 миллиметра. Эта небольшая задержка может быть зарегистрирована и обработана.
Кроме смещений поверхности, изображения содержат так называемую атмосферную фазу, то есть задержку сигнала при прохождении через атмосферу. В случае сильной атмосферной турбулентности или облачности задержка атмосферной фазы может составлять эквивалент сотен миллиметров смещения поверхности. Поэтому для достижения высокой точности мониторинга необходимо точно разделять различные источники изменения сигнала.
Для таких точных вычислений необходимо точно знать орбиту спутника и компенсировать орбитальные ошибки. Также на данные влияют приливы Земли, вызванные луной и солнцем, которые можно компенсировать аналитически или на основе данных пространственного спектра.
Для иллюстративных и обучающих целей выбираются пары "идеальных" изображений с хорошо отражающей скалистой территории с низкой облачностью. В промышленном использовании применяются различные методы обработки серий снимков. Для построения рельефа точность в доли миллиметров не требуется, поэтому для удачно выбранной территории анализ данных выполняется автоматически, без необходимости подбора параметров. При наличии растительности и облачности требуются дополнительные операции для отделения этих составляющих сигнала и оценки точности результатов.
В настоящее время на орбите находится единственный глобальный общедоступный спутник Sentinel-1. Доступен архив снимков почти за десять лет, что позволяет строить детальный рельеф и изучать смещения поверхности, инфраструктуры, последствия землетрясений и многие другие процессы и явления на нашей планете. К концу года ожидается запуск двух новых радарных спутников Sentinel-1 и совместного спутника NISAR от NASA и Индийской организации космических исследований.