Цифрові моделі рельєфу на основі відкритих даних

Цифрова модель рельєфу (Digital Elevation Model, DEM) представляє собою висоту поверхні Землі у вигляді сітки значень висот. DEM є важливим інструментом для розуміння топографії, гідрології та форм поверхні Землі. Дослідники, геологи та екологи використовують DEM для різних цілей, включаючи аналіз рельєфу, моделювання повеней та містобудування.

Створення DEM за допомогою програмного забезпечення з відкритим вихідним кодом, такого як PyGMTSAR (Python InSAR), є яскравим прикладом того, як сучасна технологія робить складні процеси доступними та швидкими. Лише одним кліком миші можна почати обробку та отримати результати для створення супутникової DEM. Цей приклад і багато інших інтерактивних прикладів InSAR із 3D-візуалізацією доступні на платформі InSAR.dev.

Цифрова модель рельєфу створюється із радіолокаційних зображень, отриманих за допомогою даних супутника Sentinel-1, лише за кілька хвилин на пристроях, підключених до Інтернету. Така швидкість і зручність роблять технологію доступною для всіх, без необхідності мати швидкісний Інтернет, великий об'єм диска або потужний комп'ютер.

Загальнодоступні радіолокаційні супутники, такі як Sentinel-1, сканують нашу планету вдень і вночі, фіксуючи відбитий сигнал у вигляді растрових зображень для подальшої обробки. Ці зображення зберігають комплексні значення фази відбитого сигналу і можуть бути використані для отримання різноманітної інформації про стан і рух земної поверхні та властивості атмосфери. Найпростіша форма обробки включає обчислення амплітуди сигналу для створення зображення в градаціях сірого, подібного до оптичної фотографії, але незалежного від часу доби і хмарності.

Справжній потенціал радіолокаційних супутників розкривається при обробці складних даних. Довжина хвилі радара Sentinel-1 становить 56 мм, що дозволяє реєструвати точні висоти та зміщення земної поверхні порядку часток міліметра. Якщо поверхня опускається на міліметр, промінь радара проходить додаткову відстань у 1 міліметр до поверхні та назад, що становить 2 міліметри. Цю невелику затримку можна зафіксувати й обробити.

Окрім зміщень поверхні, зображення містять так звану атмосферну фазу, тобто затримку сигналу під час його проходження через атмосферу. У випадках сильної атмосферної турбулентності або хмарності затримка атмосферної фази може дорівнювати сотням міліметрів зміщення поверхні. Тому для досягнення високої точності моніторингу поверхні потрібне точне розділення різних джерел зміни сигналу.

Для таких ретельних розрахунків необхідно точно знати орбіту супутника і компенсувати орбітальні похибки. Припливи, спричинені Місяцем і Сонцем, також впливають на дані, які можна компенсувати аналітично або на основі даних просторового спектру.

Для ілюстративних і навчальних цілей вибирається пара "ідеальних" знімків з добре відбиваючої скелястої місцевості з низькою хмарністю. У промисловому використанні застосовуються різні методи обробки серій знімків. Для побудови DER не потрібна субміліметрова точність, тому для вдало обраної ділянки аналіз даних виконується автоматично без підбору параметрів. За наявності рослинності та хмарності потрібні додаткові операції для розділення цих складових сигналу та оцінки точності результату.

Зараз на орбіті знаходиться єдиний світовий загальнодоступний супутник Sentinel-1. Доступно майже десятирічний архів знімків, що дозволяє побудувати детальний рельєф та вивчити зсуви поверхні, інфраструктури, наслідки землетрусів та багато інших процесів та явищ на нашій планеті. До кінця року очікується запуск двох нових радарних супутників Sentinel-1 та спільного супутника NISAR від NASA та Організації космічних досліджень і розробок Індії.