Подготовка изображений SAR для анализа
Сначала вы загрузите и откроете проект в ArcGIS Pro. Вы добавите на карту изображение SAR, представляющее Панамский канал и его окрестности. Затем вы подготовите его, применив радиометрическую калибровку и изменив его символы.
Загрузка и открытие проекта
Вы загрузите проект, содержащий все данные для этого руководства, и откроете его в ArcGIS Pro.
- Загрузите файл Detect_ships_with_SAR_imagery.zip и найдите загруженный файл на своем компьютере.
Примечание:
Большинство веб-браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.
- Щелкните правой кнопкой файл Detect_ships_with_SAR_imagery.zip и разархивируйте его на свой компьютер, например, на диск C.
- Откройте извлеченную папку Detect_ships_with_SAR_imagery и дважды щелкните файл Detect_ships_with_SAR_imagery.aprx, чтобы открыть проект в ArcGIS Pro.
- Если необходимо, войдите под учетной записью организации ArcGIS.
Примечание:
Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.
Откроется проект.
В настоящий момент карта содержит только топографическую базовую карту по умолчанию с центром на Панамском канале. Изображение SAR, которое вы будете использовать в этом руководстве, включено проект, вы добавите его на карту.
- Щелкните вкладку Вид на ленте. В группе Окна щелкните Панель Каталог.
Появится панель Каталог.
- На панели Каталог щелкните стрелку рядом с элементом Папки, чтобы раскрыть его. Таким же способом разверните папки Detect_ships_with_SAR_imagery и Входные данные.
Папка Входные данные содержит большинство данных для этого руководства.
- Разверните папку SAR Image, щелкните ICEYE_GRD_SC_244270_20220207T192226.xml правой кнопкой мыши и выберите Добавить к текущей карте.
Изображение появится на карте.
Это SAR-изображение Панамского канала и его окрестностей, сделанное в феврале 2022 года.
Примечание:
Изображение извлечено из данных продукта SAR Level-1 Ground Range Detected (GRD) от поставщика спутниковых снимков ICEYE. Основанная в 2014 году, компания ICEYE стремится предоставлять надежную и своевременную информацию о планете Земля с помощью своей группировки малых спутников SAR. Эти спутники получают изображения земной поверхности с высоким разрешением, позволяющие отслеживать и анализировать различные явления, включая стихийные бедствия, изменения окружающей среды, морскую активность и мониторинг инфраструктуры. Более подробно о данных ICEYE SAR. Вы также можете узнать больше о SAR GRD и других продуктах SAR, обычно используемых для получения изображений SAR в разделе Спутниковые данные SAR.
Вы дадите слою более понятное название.
- На панели Содержание щелкните слой Scan_ICEYE_GRD_SC_244270_20220207T192226, чтобы выбрать его, и щелкните его еще раз, чтобы переключиться в режим редактирования. Введите Panama SAR и нажмите Enter.
Подсказка:
Или, чтобы переименовать слой, выберите его и нажмите F2 или Fn+F2.
Применение радиометрической калибровки
Теперь вы подготовите изображение SAR, откалибровав его радиометрически. Радиометрическая калибровка данных SAR необходима для получения значимого обратного рассеяния, которое может быть связано с физическими свойствами объектов на изображении. Подробнее о концепции обратного рассеяния можно прочитать в руководстве "Основы радара с синтезированной апертурой (SAR)". Вы выполните калибровку с помощью инструмента Применить радиометрическую калибровку.
Примечание:
Данные Level-1 SAR содержат некалиброванные цифровые числа (DN) в виде значений пикселов. В процессе калибровки значения DN преобразуются в значения интенсивности обратного рассеяния радара. Интенсивность обратного рассеяния - это отношение испускаемого сигнала, падающего на поверхность, к принятому сигналу (он же DN), отраженному от нее. Радиометрия или яркость интенсивности обратного рассеяния могут варьироваться. Поэтому радиометрическая калибровка важна для нормализации этих значений и получения точных качественных и количественных измерений с изображения SAR.
- На ленте щелкните вкладку Анализ и в группе Геообработка щелкните Инструменты.
Откроется панель Геообработка.
- На панели Геообработка, щелкните вкладку Наборы инструментов.
- Разверните панель Инструменты Image Analyst, чтобы просмотреть все содержащиеся в ней наборы инструментов.
- В разделе Инструменты Image Analyst разверните группу инструментов Радар с синтезированной апертурой.
Эта группа инструментов содержит инструменты геообработки SAR, включая инструмент Применить радиометрическую калибровку.
Подсказка:
Или вы также можете найти инструмент Применить радиометрическую калибровку, введя его название в поле поиска на панели Геообработка.
- Щелкните инструмент Применить радиометрическую калибровку, чтобы открыть его.
- Задайте следующие параметры инструмента:
- Для параметра Входные радарные данные выберите Panama SAR.
- Для параметра Входные радарные данные введите Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- Убедитесь, что опция Каналы поляризации включена.
- Для параметра Тип калибровки выберите Гамма-ноль.
Выходные данные будут в формате Cloud Raster Format (CRF), который оптимизирован для записи и чтения больших файлов растров в среде распределенной обработки и хранения.
Вы выбираете параметр Гамма-ноль, потому что инструмент Выявить яркие объекты океана, который вы будете использовать позже в рабочем процессе, требует ввода данных SAR с этим типом калибровки.
Примечание:
Изучите подробную информацию об опциях калибровки в документации к инструменту Применить радиометрическую калибровку.
- Щелкните Запустить.
Через несколько секунд появится новый слой Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
Примечание:
Чтобы просмотреть дополнительную информацию об изображении, на панели Содержание щелкните правой кнопкой слой Panama SAR - Radiometric Calibration.crf, выберите Свойства и щелкните вкладку Источник.
Здесь также имеется информация об этапах обработки, которые были применены к исходному изображению. Вы найдете ее в разделе История обработки.
Присвоение символов и изучение откалиброванных изображений
Теперь вы измените цветовую схему символов по умолчанию на откалиброванном SAR-изображении, чтобы лучше визуализировать измеренное обратное рассеяние. Затем вы изучите изображение и увидите корабли и другие объекты на нем.
- На панели Содержание убедитесь, что выбран слой Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- На ленте во вкладке Растровый слой в группе Отображение щелкните кнопку Символы.
Откроется панель Символы для слоя Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- В панели Символы вы видите, что слой отображен методом Растяжка, с черно-белой цветовой схемой.
Это означает, что все пикселы изображения показаны в черно-белых тонах, где низкие значения обратного рассеяния показаны черным цветом, высокие - белым, а промежуточные значения - оттенками серого.
- На панели Символы задайте следующие параметры:
- Убедитесь, что для Основных символов выбрано Растяжка.
- Убедитесь, что для Канала выбрана поляризация VV.
- Для параметра Число ср.-кв. отклонений введите 0,5.
- Для Гаммы введите 2.0.
- Для Цветовой схемы раскройте ниспадающий список и отметьте Показать названия. Выберите цветовую схему Viridis.
Слой карты обновится в соответствии с новыми настройками символов.
- На ленте во вкладке Карта в группе Навигация щелкните Закладки и выберите Northern Entrance.
Карта обновляется до положения, указанного на закладке, отображая северный вход в Панамский канал, где суда ожидают разрешения на проход.
Области с высокими значениями обратного рассеяния отображаются желтым цветом, а области низких значений - темно-синими оттенками. Океан представлен в основном темно-синими тонами. Земля в основном показана синими тонами. Корабли в океане выглядят желтыми.
На этом изображении максимальные значения обратного рассеяния соответствуют тому типу рассеяния, которое называют двойным отражением. При этом типе рассеяния сигнал, идущий от радара, один раз отражается от вертикальной цели (корабль) и попадает на гладкую поверхность (океан), а после этого, отражаясь от гладкой поверхности, возвращается обратно к сенсору. Этот тип рассеяния часто наблюдается на сооружениях, созданных человеком, таких как корабли, и приводит к очень высоким значениям обратного рассеяния. См. следующую диаграмму для иллюстрации рассеяния с двойным отражением:
Иллюстрация рассеяния с двойным отражением. Примечание:
Подробнее о рассеянии двойного отражения можно прочитать в разделе Типы рассеяния в руководстве Основы радара с синтезированной апертурой (SAR).
- На ленте снова нажмите Закладки и выберите закладку Southern Entrance, чтобы увидеть корабли, ожидающие пересечения Панамского канала у южного входа.
- Перемещайте изображение на карте, увеличивая и уменьшая масштаб с помощью колесика мыши и панорамирования.
Большинство кораблей отображаются как небольшие продолговатые элементы желтого цвета. Поскольку корабли испускают рассеяние с двойным отражением, обратное рассеяние содержит высокие значения, которые иногда можно интерпретировать как яркие кресты или звезды. Вы рассмотрите два примера.
- На ленте снова щелкните Закладки и выберите закладку Корабли.
Важно отметить, что пересекающиеся линии знаков плюс и звездочек не обозначают корабль, а являются просто артефактом визуализации SAR.
- Уменьшите масштаб и уделите больше времени изучению различных объектов на изображении, таких как береговые линии, суша и водоемы.
- Когда вы закончите изучать изображение, снова нажмите Закладки на ленте и выберите закладку Обзор, чтобы вернуться к полному экстенту.
Вы сохраните проект.
- На панели Инструменты быстрого доступа щелкните Сохранить, чтобы сохранить проект.
На данный момент в рамках этого рабочего процесса вы настроили проект, применили радиометрическую калибровку к изображению SAR GRD, представляющему Панамский канал и его окрестности, обозначили изображение символами и осмотрели суда и другие объекты, которые на нем присутствуют. Далее вы начнете анализ.
Анализ данных SAR
Теперь изображение SAR готово к анализу. Сначала вы найдете на изображении корабли. Затем вы сравните обнаруженные корабли с исходным изображением и определите важность геометрической коррекции рельефа.
Выявить яркие объекты океана
Вы определили корабли на изображении SAR с помощью инструмента Выявить яркие объекты океана. Инструмент принимает в качестве входных данных изображение SAR, откалиброванное с нулевой гаммой, и ищет скопления пикселей с высоким значением обратного рассеяния (то есть яркие объекты). Затем он фильтрует их, чтобы сохранить только яркие объекты с заданной минимальной и максимальной шириной и длиной. Результатом является класс пространственных объектов, в котором вокруг обнаруженных объектов отображаются прямоугольные рамки. Яркие объекты, которые будут видны на этом изображении, представляют собой корабли. В других экстентах это также могут быть различные типы искусственных сооружений, например, нефтяные платформы.
Инструмент использует два дополнительных входных слоя: класс пространственных объектов, представляющих полигоны суши, и растр цифровой модели рельефа (ЦМР). Теперь вы добавите эти слои на карту и определите их роль.
- В нижней части панели Символы щелкните вкладку Каталог.
- На панели Каталог разверните папку Базы данных и базу геоданных Detect_ships_with_SAR_imagery.gdb, щелкните правой кнопкой класс объектов Land_Polygons и выберите Добавить к текущей карте.
Слой Land_Polygons появится на карте.
Примечание:
Цвет присваивается случайным образом и может варьироваться.
Это полигональный слой, представляющий формы рельефа в регионе. Инструмент Выявить яркие объекты океана будет использовать его в качестве маски, чтобы обнаруживать корабли только в океане, а не на суше.
Теперь вы добавите слой ЦМР.
- На панели Каталог перейдите к Папки > Detect_ships_with_SAR_imagery > Входные данные и разверните папку ЦМР. Щелкните правой кнопкой мыши Panama DEM 30m.tif и выберите Добавить к текущей карте.
Слой ЦМР появится на карте. Слой Land_Polygons отображается над ним и частично загораживает его, поэтому вы отключите его.
- На панели Содержание снимите отметку рядом со слоем Land_Polygons, чтобы отключить его.
Теперь вы видите слой ЦМР полностью.
Слой ЦМР - это растр, который предоставляет данные о высотах в регионе. По умолчанию он отображается в черно-белой цветовой гамме, в которой самые низкие значения высоты отображаются черным цветом, а самые высокие - белым. Он будет использоваться инструментом Выявить яркие объекты океана для ортотрансформации выходных данных. Ортотрансформация - это процесс коррекции изменений визуального положения наземных объектов, вызванных перспективой, углом обзора датчика и топографическим рельефом.
- На панели Содержание отключите слой Panama DEM 30m.tif, так как его визуализация более не потребуется.
Теперь вы запустите инструмент Выявить яркие объекты океана.
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад.
- На вкладке Набор инструментов в наборе Инструменты Analyst Tools в группе инструментов Радар с синтезированной апертурой щелкните инструмент Выявить яркие объекты океана, чтобы открыть его.
- Задайте следующие параметры инструмента:
- Для параметра Входные радарные данные выберите Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- Для Выходной класс объектов введите Detected_Ships.
- В поле Выходной тип убедитесь, что выбрана Ограничивающая рамка.
Примечание:
Для инструмента Выявить яркие объекты океана требуются входные данные SAR, которые были откалиброваны с использованием метода Гамма-ноль (см. раздел Применить радиометрическую калибровку ранее в этом руководстве). Другое требование заключается в том, что входные данные SAR не должны подвергаться какой-либо другой обработке, такой как удаление пятен или геометрическая коррекция рельефа, поскольку это изменило бы распределение пикселей, необходимое для обнаружения ярких объектов.
- Задайте следующие параметры длины и ширины:
- Для Минимальная ширина объекта введите 5.
- Для Максимальная ширина объекта введите 500.
- Для Минимальная длина объекта введите 10.
- Для Максимальная длина объекта введите 700.
Инструмент сохранит только те обнаруженные объекты, которые имеют ширину от 5 до 500 метров и длину от 10 до 700 метров.
- Задайте полигон суши и слои ЦМР, которые будут использоваться в инструменте.
- Для Объекты маски выберите Land_Polygons.
- Для Тип пространственных объектов выберите Полигон земли.
- Для параметра Растр ЦМР выберите Panama DEM 30m.tif.
- Убедитесь, что опция Применить коррекцию геоида включена.
- Для Допуск маски введите 300.
Примечание:
Чтобы получить более подробную информацию о любом параметре инструмента, наведите на него курсор и щелкните кнопку информации.
- Щелкните Запустить.
Через пару минут слой Detected_Ships появится на карте.
Присвоение символов и изучение слоя найденных кораблей
Вы измените символы слоя Detected_Ships и изучите результаты.
- Убедитесь, что на панели Содержание выбран слой Detected_Ships.
- На ленте на вкладке Векторный слой в группе Отображение щелкните кнопку Символы.
- На панели Символы щелкните значок символа.
- На вкладке Свойства, в разделе Оформление, у поля Цвет разверните палитру цветов и выберите Нет цвета.
- Для Цвет контура разверните цветовую палитру и выберите ярко-оранжевый, например, Янтарно-золотой.
- Для Толщины контура выберите 2 pt.
- Щелкните Применить.
На карте обнаруженные суда отображаются в виде ярко-оранжевых прямоугольников поверх слоя Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- Масштабируйте и перемещайте карту, чтобы изучить результаты.
Большинство судов были успешно обнаружены. Однако вы можете заметить, что есть небольшое расхождение между оранжевыми прямоугольниками и расположением кораблей на изображении SAR.
Вы определите эту проблему и исправите ее в следующем разделе.
Применить геометрическую коррекцию Terrain
Инструмент Выявить яркие объекты океана создал ортотрансформированный результат (с помощью ЦМР), в то время как изображение Panama SAR - Radiometric Calibration.crf еще не было ортотрансформировано. Это объясняет расхождение между оранжевыми прямоугольниками и расположением кораблей на изображении SAR. Чтобы обеспечить более точное сравнение, вы выполните ортотрансформацию изображения SAR с помощью инструмента Применить геометрическую коррекцию рельефа.
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад.
- На вкладке Набор инструментов в наборе Инструменты Analyst Tools в группе инструментов Радар с синтезированной апертурой щелкните инструмент Применить геометрическую коррекцию рельефа, чтобы открыть его.
- Задайте следующие параметры инструмента:
- Для параметра Входные радарные данные выберите Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- Для параметра Входные радарные данные введите Panama SAR - Radiometric Calibration.crf.
- Убедитесь, что для Каналы поляризации выбрано VV.
- Для параметра Растр ЦМР выберите Panama DEM 30m.tif.
- Подтвердите, что стоит отметка Применить коррекцию геоида.
- Щелкните Запустить.
Через несколько минут появится новый слой. Теперь вы измените его символы.
- На панели Содержание убедитесь, что выбран слой Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf.
- На ленте во вкладке Растровый слой в группе Отображение щелкните Символы.
- На панели Символы задайте следующие параметры:
- Для Цветовой схемы раскройте ниспадающий список, отметьте Показать названия и выберите цветовую схему Виридис.
- Для параметра Число ср.-кв. отклонений введите 0,5.
- Для Гаммы введите 2.0.
Вы отобразите корабли, находящиеся у северного входа.
- На ленте, во вкладке Карта щелкните Закладки и выберите закладку Northern Entrance.
- Масштабируйте и перемещайте карту, чтобы увидеть найденные суда.
Класс пространственных объектов Detected_Ships теперь совпадает с кораблями в растровом слое Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf.
- На панели Содержание выключите и выключите слой Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf, чтобы увидеть различия в расположении.
Различия в выравнивании хорошо видны.
Слои SAR без геометрической коррекции рельефа (слева) и с геометрической коррекцией рельефа (справа) с акцентом на обнаруженные корабли. Примечание:
Некоторые из более крупных кораблей находятся в нескольких полигонах, поскольку разные части корабля были обнаружены отдельно. Чтобы получить более точную цифру судов, вы можете дополнительно использовать инструмент Попарное слияние по атрибуту, убедившись, что опция Создать составной объект выключена.
Чтобы лучше понять принцип ортотрансформации, вы рассмотрите другие области изображения.
- Уменьшите масштаб и переместитесь на то место карты, где можно увидеть береговую линию.
- На панели Содержание включите слой Land_Polygons.
- Выключите и включите слой Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf, чтобы увидеть, как было скорректировано положение береговой линии.
Слои SAR без геометрической коррекции рельефа (слева) и с геометрической коррекцией рельефа (справа) с акцентом на береговую линию. Вы можете наблюдать, что процесс ортотрансформации выполнялся на всем изображении.
- На ленте, на вкладке Карта щелкните Закладки и выберите закладку Обзор, чтобы вернуться к полному экстенту.
- На панели Содержание выключите слой Land_Polygons и убедитесь, что слой Panama SAR - Geometric Terrain Correction.crf включен.
- Нажмите Ctrl+S, чтобы сохранить свой проект.
В этой части рабочего процесса вы определили корабли на изображении SAR с помощью инструмента Выявить яркие объекты океана. Затем, после применения геометрической коррекции рельефа местности к изображению SAR, вы сравнили обнаруженные корабли с этим изображением.
Создание карты плотности судов
Теперь вы создадите слой плотности судов, чтобы показать, где сосредоточены обнаруженные суда. Затем присвоите слою символы и проинтерпретируете результаты.
Суммировать в пределах
Вы создадите слой плотности судов с помощью инструмента Суммировать в пределах и сетки размером 5 на 5 километров. Сначала вы добавите на карту слой сетки.
- На панели Каталог разверните Базы данных и Detect_ships_with_SAR_imagery.gdb, щелкните правой кнопкой слой Grid_5km и выберите Добавить к текущей карте.
На карте появится сетка. Каждая из ее ячеек имеет размеры 5 на 5 километров.
На данный момент сетка не содержит данных.
Примечание:
Эта пустая сетка была создана с помощью инструмента Построить сетку.
Вы будете использовать инструмент Суммировать в пределах, чтобы подсчитать, сколько кораблей находится в каждой ячейке сетки.
- На панели Геообработка щелкните кнопку Назад. В поле поиска введите Суммировать в пределах и щелкните инструмент Суммировать в пределах (Инструменты анализа).
Примечание:
Суммировать в пределах (Набор инструментов GeoAnalytics Desktop) это другой инструмент, который не используется в данном рабочем процессе.
- Задайте следующие параметры инструмента:
- Для Входные полигоны выберите Grid_5km.
- Для Входные суммируемые объекты выберите Detected_Ships.
- Для Выходного класса объектов примите имя по умолчанию.
- Снимите отметку Сохранить все входные полигоны.
- Для Единицы измерения объекта выберите Квадратные метры.
- Щелкните Запустить.
Новый слой появится на карте, но вы не сможете отличить его от исходного слоя сетки.
- На панели Содержание выключите слой Grid_5km.
Теперь вы можете видеть, что в новом слое были сохранены только те ячейки, в которых был один или несколько кораблей.
Вы посмотрите на таблицу атрибутов этого слоя.
- На панели Содержание щелкните правой кнопкой слой Grid_5km_SummarizeWithin и выберите Таблица атрибутов.
- Изучите содержание таблицы атрибутов Grid_5km_SummarizeWithin.
Атрибут Число полигонов был добавлен с помощью инструмента Суммировать в пределах и содержит количество кораблей в каждой ячейке сетки.
- Когда вы закончите изучать таблицу атрибутов, закройте окно таблицы атрибутов Grid_5 km_Summarize.
Присвоение символов и интерпретация слоя плотности судов
Вы присвоите слою плотности судов символы и проинтерпретируете результаты. Сначала вы дадите слою более понятное название.
- На панели Содержание щелкните Grid_5km_SummarizeWithin, чтобы выделить его, и щелкните его еще раз, чтобы переименовать. Введите Количество судов в каждой ячейке сетки и нажмите Enter.
Теперь вы измените символы, чтобы показать количество судов в каждой ячейке.
- Убедитесь, что слой Количество судов в каждой ячейке сетки выбран.
- На ленте на вкладке Векторный слой в группе Отображение выберите Символы.
- На панели Символы в разделе Основные символы выберите Градуированные цвета.
- Для Поле выберите Число полигонов.
Теперь, когда вы присвоили символы карте плотности судов, вы можете посмотреть, где наблюдается наибольшая загруженность.
- На карте изучите слой Количество судов в каждой ячейке сетки, а также соответствующую легенду на панели Содержание.
Области с наибольшей плотностью выделены красным цветом, а области с наименьшей плотностью - желтым. Вы видите, что большинство судов расположены вдоль северного и южного входов в канал и занимают площадь около 75 квадратных километров у каждого входа.
- Нажмите Ctrl+S, чтобы сохранить свой проект.
В этом руководстве вы, как аналитик Панамского агентства транспортных служб, использовали снимки SAR для определения загруженности морского трафика в районе Панамского канала. Вы применили радиометрическую калибровку к изображению SAR и заменили его символы. Затем вы определили корабли на изображении SAR с помощью инструмента Выявить яркие объекты океана. После применения геометрической коррекции рельефа местности к изображению SAR вы сравнили обнаруженные корабли с этим изображением. Наконец вы создали слой плотности судов, чтобы показать, где сосредоточены обнаруженные суда, присвоили этому слою символы и проинтерпретировали результаты.
Такая организация, как Панамское агентство транспортных служб, стремится свести к минимуму простой судов и обеспечить бесперебойную работу путем мониторинга различных факторов и внедрения эффективных стратегий управления. Обратите внимание, что в реальных условиях карта плотности судов была бы лишь одним из инструментов, используемых для достижения этих целей. Примерами других важных факторов являются погодные условия, объем входящих и исходящих грузов и пропускная способность портов по обработке грузов.
Вы можете найти больше учебных пособий в галерее учебных пособий.