Картографирование уничтожения лесов

В первом сценарии, в роли специалиста по анализу изображений в бразильском агентстве управления лесным хозяйством, вы проверите готовые к анализу снимки SAR для идентификации деятельности, ведущей к уничтожению лесов в штате Акри, Бразилия.

Загрузка и открытие проекта

Для начала вы загрузите проект, содержащий все данные для этого руководства, и откроете его в ArcGIS Pro.

  1. Загрузите файл Explore_SAR_Satellite_Imagery.zip и найдите загруженный файл на своем компьютере.
    Примечание:

    Большинство веб-браузеров по умолчанию скачивают все в папку Загрузки.

  2. Щелкните правой кнопкой мыши файл Explore_SAR_Satellite_Imagery.zip и извлеките данные в подходящее расположение на вашем компьютере, например, в папку Документы.
  3. Откройте извлеченную папку Explore_SAR_Satellite_Imagery и дважды щелкните файл Explore_SAR_Satellite_Imagery.aprx, чтобы открыть проект в ArcGIS Pro.

    Файл .aprx

  4. При получении соответствующего запроса войдите под своей учетной записью организации ArcGIS или в ArcGIS Enterprise под учётной записью именованного пользователя.
    Примечание:

    Если у вас нет доступа к ArcGIS Pro или учетной записи организации ArcGIS, см. варианты доступа к программному обеспечению.

    Откроется проект.

    Исходный обзор

    На панели карт три вкладки: Deforestation Map, Maritime Monitoring Map и Flooding Map. В первом сценарии вы будете работать с картой Deforestation Map.

    Три вкладки карты

Изучение карты и символов

Сейчас вы изучите вкладку Deforestation Map, чтобы понять, каким образом отображаются спутниковые изображения SAR на этой карте.

  1. В случае необходимости щелкните вкладку Deforestation Map, чтобы выбрать ее.

    Вкладка Deforestation Map выбрана

    На панели Содержание вы видите, что карта содержит два изображения: AcreBrazil_20210722.crf и AcreBrazil_20210802.crf, отображенные поверх базовой карты World Imagery.

    Панель Содержание с двумя спутниковыми изображениями и базовой картой

    Примечание:

    Готовые к анализу слои SAR получены от SAR Ground Range Detected (GRD) data products - ICEYE.

    Вы можете узнать больше о SAR GRD и других продуктах SAR, обычно используемых для получения изображений SAR в разделе Спутниковые данные SAR.

    Подробную информацию об этих спутниковых изображениях (или других снимках, используемых в учебном руководстве), в панели Содержание щелкните правой кнопкой имя изображения и выберите Просмотреть метаданные. Так же вы можете изучить информацию о Метаданных и Источнике, дважды щелкнув имя изображения, чтобы открыть окно Свойства слоя. На вкладке Источник в разделе История обработки вы можете найти информацию о предварительной обработке, которая была выполнена для получения готовых к анализу изображений SAR.

    Оба изображения представляют один и тот же экстент в бразильском штате Акри, в самом центре дождевых лесов Амазонии. Один из снимков от 22 июля 2021 года, а другой - от 2 августа 2021 года. На карте в настоящий момент вы видите верхний снимок, AcreBrazil_20210722.crf.

  2. Посмотрите на изображение SAR на карте.

    Способ изображения ландшафта может показаться необычным, так как он был снят датчиком SAR, а не оптической камерой: это не похоже на фотографию. Спутники SAR направляют радиолокационные волны на поверхность Земли и отображают значения отраженных длин волн на карте. Волны, принимаемые сенсором SAR, называются измеренным обратным рассеянием. Изображение SAR представляет собой двухмерную визуализацию измеренного обратного рассеяния. Радиолокационные волны отражаются по-разному от разных типов поверхности, таким образом мы получаем разные значения обратного рассеяния.

    Примечание:

    Подробнее о концепции обратного рассеяния можно прочитать в руководстве "Основы радара с синтезированной апертурой (SAR)".

  3. В панели Содержание просмотрите легенду изображения AcreBrazil_20210722.crf.

    Значения измеренного обратного рассеяния варьируют от -22 до -4 dB (значения измеряются в децибелах). Низкие значения показаны черным и темно-серым цветом, а высокие - светло-серым и белым.

    Значения измеренного обратного рассеяния варьируют от -22 до -4 dB.

  4. Изучите на карте разные типы объектов, отображаемые на снимке.
    • Участки лесов отображаются в средне-серых тонах (средние значения обратного рассеяния) и в виде шероховатых поверхностей.
    • Участки голой земли показаны черными или темно-серыми оттенками (низкие значения обратного рассеяния) и в виде гладких поверхностей. Это районы, где ранее леса, по-видимому, были уничтожены в целях перепрофилирования под сельское хозяйство.
    • Недавно вырубленный лес отображается светло-серыми оттенками (высокие значения обратного рассеяния) и как шероховатая поверхность, поскольку там, видимо, сохраняются бревна и пни от деревьев.

    Различные типы объектов
    На изображении показаны (A) участки лесов, (B) пустоши и (C) области, где леса недавно вырублены.

    От крон деревьев в лесах радиолокационные волны отражаются особым образом, так называемым объемным рассеянием: волны многократно отражаются от трехмерных объектов деревьев, случайным образом меняя направление во время отражения. Это выглядит на изображении, как грубая текстура.

    Примечание:

    Подробнее о разных типах рассеяния можно прочитать в руководстве Основы радара с синтезированной апертурой (SAR).

  5. На карте изучите области, где недавно были вырублены леса, в центре снимка.

    Области вырубленного леса

    Недавно вырубленный участок выглядит вырезанным из области лесов. Она ограничена черными линейными объектами (наименьшие значения обратного рассеяния) на западной границе вырубленного участка и белой линией (наибольшие значения обратного рассеяния) на восточной границе. Черная линия возникает из-за тени, отбрасываемой имеющимися деревьями, которые блокируют волны радара, а белая линия образуется из-за эффекта задержки, возникающего, когда волна радара доходит до вершины высокого объекта раньше, чем до основания.

    Подсказка:

    Визуально некоторым пользователям может показаться, что вырубленный участок выдвинут вверх, а не вырезан внутри. Внимательно посмотрите на изображение слева направо и особенно внимательно на темную линию, представляющую тени деревьев, и вы сможете правильно интерпретировать изображение.

    Такие эффекты, как тени и задержки, являются типичными искажениями SAR, возникающими из-за того, что съемка спутниками SAR производится под углом. В этом случае спутник снижается и движется по орбите с севера на юг, захватывая сцену в направлении на восток (слева). Можно провести аналогию, как будто вы сидите в левом ряду самолета и смотрите в иллюминатор.

    Примечание:

    Подробнее о разных типах искажений можно прочитать в руководстве Основы радара с синтезированной апертурой (SAR).

  6. Изучите другие интересные объекты.
    • Вдоль реки тянется полоса леса, которой удалось избежать вырубки, видимо, потому, что берега реки слишком крутые для сельского хозяйства.
    • Вдоль мелких ручьев, которые являются притоками реки, тоже сохраняются небольшие полосы леса, повторяющие их форму.

    Другие интересные объекты
    Полосы леса вдоль реки (A) и вдоль ручьев (B и C).

    Вы изучите настройки символов этого изображения более детально.

  7. В панели Содержание если необходимо, щелкните слой AcreBrazil_20210722.crf, чтобы выбрать его.

    Слой AcreBrazil_20210722.crf выбран

  8. На ленте во вкладке Растровый слой в группе Отображение щелкните кнопку Символы.

    Кнопка Символы

    Появится панель Символы.

  9. В панели Символы вы видите, что слой отображен методом Растяжка, с черно-белой цветовой схемой.

    Панель символов

    Как вы видели ранее в легенде, это означает, что все пикселы изображения показаны в черно-белых тонах, где низкие значения обратного рассеяния показаны черным цветом, высокие - белым, а промежуточные значения показаны оттенками серого.

  10. Посмотрите параметры Тип растяжки и Число среднеквадратических отклонений.

    Параметры Тип растяжки и Число среднеквадратических отклонений

    Эти настройки соответствуют общей рекомендации отображения изображений SAR с использованием Среднеквадратического отклонения как настройки Типа растяжки и установкой для параметра Число среднеквадратических отклонений значения 1.

  11. В панели Содержание щелкните слой AcreBrazil_20210802.crf, чтобы выбрать его.

    Панель Символы обновится и покажет настройки символов для второго изображения. Вы видите, что настройки символов схожи с первым изображением.

Далее вы сравните два изображения и визуализируете изменения, которые произошли между 22 июля и 2 августа, когда были сделаны оба снимка.

Сравнение двух изображений SAR

Теперь вы сравните два изображения при помощи инструмента Спрятать.

  1. В панели Содержание убедитесь, что слой AcreBrazil_20210722.crf выбран.

    Слой AcreBrazil_20210722.crf выбран

  2. На ленте на вкладе Растровый слой в группе Сравнить щелкните Спрятать.

    Кнопка Спрятать

  3. На карте захватите указатель инструмента Спрятать и несколько раз переместите его сверху вниз и справа налево, чтобы скрыть изображение от 22 июля и увидеть от 2 августа.

    Указатель инструмента Спрятать

    Подсказка:

    Для работы с инструментом Спрятать должен быть выбран тот слой, который хотите спрятать.

    Перемещая указатель вы можете детально изучить разницу между двумя снимками. В центре изучаемой области вы видите что участок, где происходит уничтожение леса, значительно расширился в западном направлении.

    Новые действия по уничтожению лесов видны при сравнении двух снимков

    Поразительно, но эти изменения произошли всего за 12 дней.

  4. После того как вы завершите изучение, на вкладке Карта на ленте в группе Навигация щелкните кнопку Исследовать, чтобы выйти из режима Спрятать.

    Кнопка Исследовать

В этом первом сценарии вы изучили готовые к анализу изображения SAR и увидели области уничтожения лесов. Как специалист по анализу изображений в Бразильском агентстве по управлению лесным хозяйством, вы можете проводить регулярную проверку таких изображений, что позволит вам точно отслеживать вырубку лесов и другие лесохозяйственные мероприятия и предоставлять директивным органам подробные и точные отчеты. Некоторые спутников SAR работают с короткими интервалами повторной съемки, что позволяет получать изображения такой активности, как вырубка лесов, практически в режиме реального времени. Например, ICEYE предоставляет новые снимки для каждого местоположения на земле с повтором от 1 до 22 дней, а Sentinel-1 - от 6 до 12 дней. В таких районах, как тропические леса Амазонки, которые очень часто покрыты густыми облаками, снимки SAR особенно ценны, поскольку они могут снимать сквозь облака.


Мониторинг морской активности

Во втором сценарии вы, как аналитик изображений в администрации Панамского канала, должны обнаруживать и отслеживать корабли, ожидающие очередь на прохождение через Панамский канал. Вы измените символы на готовом к анализу изображении SAR и оцените его на предмет наличия кораблей.

Настройка символов изображения

Сначала вы переключите карту на второй сценарий и измените цветовую схему символов по умолчанию для готового к анализу изображения SAR, чтобы лучше визуализировать значения измерений обратного рассеяния.

  1. Щелкните вкладку Maritime Monitoring Map.

    Вкладка Monitoring Map tab

    Появится карта. Она содержит одно изображение SAR, PanamaCanal_20220207.crf, поверх базовой карты Imagery.

    Начальный вид карты Maritime Monitoring Map.

    Примечание:

    Так же, как и в предыдущем сценарии, это готовое к анализу изображение SAR получено на основе SAR GRD data product, предоставленного спутниковой службой ICEYE.

  2. На панели Содержание щелкните символ слоя PanamaCanal_20220207.crf.

    Символ слоя PanamaCanal_20220207.crf

    Подсказка:

    Это другой способ открыть панель Символы.

    Появится панель Символы.

  3. На панели Символы для Цветовой схемы разверните ниспадающий список и убедитесь, что отметка для опции Показать названия включена. Выберите цветовую схему Viridis.

    Параметры цветовой схемы

    На карте слой PanamaCanal_20220207.crf обновится.

Интерпретация данных

Теперь вы рассмотрите изображение и идентифицируете корабли.

  1. Рассмотрите обновленный снимок на карте.

    Новые символы изображения SAR

    Области с высокими значениями обратного рассеяния отображаются ярко-желтым цветом, а области низких значений - темно-синими оттенками. Океан представлен темно-синими и зелеными тонами. Суша - желтыми и светло-зелеными оттенками. Корабли в океане выглядят ярко-желтыми. Здесь так же значения выражены в децибелах.

    В 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 и попадает на гладкую поверхность, а после этого, отражаясь от гладкой поверхности, возвращается обратно к сенсору. Такой тип рассеяния характерен для структур, созданных человеком, в частности, кораблей или зданий.

    Примечание:

    Подробнее о рассеянии двойного отражения можно прочитать в разделе Типы рассеяния в руководстве Основы радара с синтезированной апертурой (SAR).

  2. На карте, с помощью колесика мыши, увеличьте и уменьшите изображение, и переместитесь по изображению, чтобы рассмотреть корабли, расположенные за пределами входа в Панамский канал.

    Корабли, расположенные за пределами входа в Панамский канал.

    Большинство кораблей отображаются как небольшие продолговатые элементы желтого цвета. Но, вследствие эффекта двойного отражения, некоторые корабли отображаются в виде яркого креста или звезды, как показано на рисунке ниже.

    Корабли в виде яркого креста или звезды

    Примечание:

    Поскольку корабли испускают рассеяние с двойным отражением, обратное рассеяние содержит высокие значения, которые иногда можно интерпретировать как яркие кресты или звезды. Это распространенный артефакт изображения, свойственный визуализации снимков SAR.

    Вы сохраните проект.

  3. На панели инструментов быстрого доступа нажмите кнопку Сохранить.

    Кнопка Сохранить

Во втором сценарии вы настроили символы и изучили готовое к анализу спутниковое изображение SAR, чтобы идентифицировать корабли, ожидающие очередь на прохождение через Панамский канал. Таким образом, изображения SAR предоставляют логистическую информацию, которая может быть использована компаниями, отслеживающими перевозку товаров первой необходимости и товарно-материальных ценностей и грузов. Также их можно использовать для мониторинга судов, возможно осуществляющих незаконный, неконтролируемый или нерегулируемый (НРП) промысел.


Идентификация областей затопления

В последнем сценарии как аналитик изображений для FEMA (U.S. Federal Emergency Management Agency), вы идентифицируете области затопления после урагана Харвей в области Фрипот в штате Техас. Работая с готовыми к анализу SAR-изображениями, полученными до и после урагана, вы изучите каналы поляризации и синтезируете двухцветное изображение. Затем, с помощью инструмента Спрятать вы визуализируете зоны затопления.

Создание синтезированного цветного изображения

Сначала переключите карту на третий сценарий, изучите каналы поляризации и создайте синтезированные изображения до и после урагана.

  1. Щелкните вкладку Flooding Map.

    Вкладка Flooding Map

    Появится карта. Карта содержит два готовых к анализу изображения SAR: снимок до урагана, Texas_20170805.crf, и снимок после урагана, Texas_20170829.crf. Снимки были получены 5 и 17 августа 2017 года.

    Содержание карты Flooding Map

    Примечание:

    Готовые к анализу слои SAR получены от SAR GRD data products - European Space Agency Copernicus Sentinel-1.

    В настоящий момент, снимок после урагана Texas_20170829.crf, включен и отображается на карте. Чтобы лучше понять структуру из изображения, вы изучите панель Символы

  2. На панели Содержание щелкните символ слоя Texas_20170829.crf.

    Символ слоя Texas_20170829.crf

    Появится панель Символы.

  3. Изучите настройки на панели Символы.

    В настоящий момент используется тип визуализации Растяжка с черно-белой цветовой схемой.

    Панель символов

  4. Разверните ниспадающий список Канал.

    Ниспадающий список параметра Канал

    Изображение включает два канала: VV и VH.

    Отдельное изображение SAR может содержать несколько каналов, и каждый канал представляет различную поляризацию радиолокационной волны. В этом случае один канал (VV) с совпадающей поляризацией, а другой - (VH) - с перекрестной поляризацией. Каждый канал выделяет разные объекты на земной поверхности, поэтому их комбинация позволяет получить нужную информацию.

    Примечание:

    Подробнее о Поляризации можно прочитать в руководстве "Основы радара с синтезированной апертурой (SAR)".

    Каждый канал можно визуализировать отдельно. В настоящий момент на карте отображается канал VV. Вы переключите на VH.

  5. Для Канала выберите VH.

    Карта обновится. Вы можете видеть, что каналы VV и VH выделяют разные элементы ландшафта.

    Каналы поляризации VV и VH
    Первое изображение визуализирует канал VV, а второе - канал VH в снимке после урагана Texas_20170829.crf.

    Примечание:

    Некоторые снимки SAR содержат только один канал, а некоторые два канала или больше. Это зависит от типа используемого активного зондирования. Активное зондирование дает вам возможность управления поляризацией этих электромагнитных волн.

  6. Дополнительно, таким же способом визуализируйте каналы VV и VH для снимка перед ураганом Texas_20170805.crf.

    Хотя вы можете просматривать отдельно каждый канал, их объединение создаст более богатое представление о ландшафте и позволит более четко различать находящиеся на поверхности объекты, такие как вода, земля и городские постройки. Это можно сделать, создав синтезированное цветное изображение, каналы которого будет назначены красному, зеленому или синему каналам отображения. Вы сначала создадите синтезированное цветное изображение для снимка после урагана.

  7. На ленте щелкните вкладку Анализ и в группе Геообработка щелкните Инструменты.

    Кнопка Инструменты

    Откроется панель Геообработка.

  8. На панели Геообработка введите Создать синтезированное изображение в окне поиска. В группе результатов щелкните инструмент Создать синтезированное цветное изображение (инструменты Image Analyst), чтобы открыть его.

    Поиск инструмента Создать синтезированное цветное изображение

  9. На вкладке Параметры в строке Входной растр выберите Texas_20170829.crf.

    Параметр Входной растр инструмента Создать синтезированное цветное изображение

    Инструмент автоматически заполнит остальные параметры. Вы измените некоторые из них.

  10. Установите следующие значения параметров:
    • Для Выходного растра убедитесь, что имя в строке - Texas_20170829_RGB.crf.
    • Для параметра Метод выберите Названия каналов.
    • Для Выражение Красный убедитесь, что значение - VV.
    • Для Выражение Зеленый убедитесь, что значение - VH.
    • Для Выражение Синий введите VV-VH.

    Параметры инструмента Создать синтезированное цветное изображение

    Для параметра Метод выбор опции Названия каналов уазывает, что вы будете выбирать каналы по их названиям VV и VH.

    Поскольку исходное изображение содержит два канала (VV и VH), третьего канала, который можно было бы назначить для параметра Выражение Синий, нет. Вы добавите для него математическую формулу VV-VH. Это означает, что для каждого пиксела изображения значение в канале VH будет вычтено из значения в канале VV. Результат будет выступать в качестве третьего канала, который будет отображаться через синий канал и дополнительно выделять интересные особенности ландшафта.

    Примечание:

    Используемая математика каналов зависит от единиц измерения ваших входных данных SAR. Если входные данные SAR ARD выражены в децибелах, комбинацией каналов должна быть: VV для красного, VH для зеленого и VV-VH для синего. Если ваши входные данные SAR выражены в линейных единицах, используйте VV для красного, VH для зеленого и VV/VH для синего.

  11. Щелкните Запустить.

    Новый растр, Texas_20170829_RGB.crf, появится на карте.

    Texas_20170829_RGB.crf на карте

    Цветное изображение показывает водные объекты (океан, реки и зоны затопления) оттенками синего и фиолетового, регионы растительности (леса) - оттенками зеленого и городские образования - желтым цветом. Розовым цветом показаны оптимально ориентированные городские сооружения (ориентированные ортогонально направлению радара), мусор в воде или затопленная растительность.

    Теперь вы создадите цветное изображение для снимка до урагана Texas_20170805.crf

  12. В панели Геообработка на вкладке Параметры в строке Входной растр выберите Texas_20170805.crf. Оставьте все другие параметры с их текущими значениями и щелкните Запустить.

    Параметры инструмента Создать синтезированное цветное изображение для второго снимка

    Новый растр, Texas_20170805_RGB.crf, появится на карте.

    Texas_20170805_RGB.crf на карте

Далее вы настроите символы слоев с цветными изображениями, чтобы сделать их более понятными.

Тонкая настройка символов

Чтобы сравнить изображения до и после урагана, они должны быть визуализированы с одинаковыми символами. Вы уже знаете, что они содержат одинаковые каналы, но вам необходимо настроить символы, чтобы значения диапазонов отображались одинаково для обоих изображений.

  1. Включите и выключите Texas_20170829_RGB.crf, чтобы сравнить с Texas_20170805_RGB.crf.

    В настоящий момент значения диапазонов отличаются. Например, вы видите, что растительность показана темно-зеленым цветом на одном изображении, и светло-зеленым - на другом.

  2. В панели Содержание щелкните символы слоя Texas_20170829_RGB.crf.

    Символы слоя Texas_20170829_RGB.crf

    Появится панель Символы.

  3. На панели Символы щелкните кнопку опций и выберите Импорт из слоя.

    Опция меню Импорт из слоя

  4. В панели Геообработка в инструменте Применить символы слоя выберите следующие значения параметров:
    • Для Входного слоя убедитесь, что выбран слой Texas_20170829_RGB.crf.
    • Для Слоя символов выберите Texas_20170805_RGB.crf.
    • В строке Обновить диапазоны символов по данным выберите Сохранить диапазоны.

    Параметры инструмента Применить символы из слоя

  5. Щелкните Запустить.

    Теперь два синтезированых цветных изображения отображены одним и тем же способом, с одинаковыми значениями диапазонов. Например, растительность теперь выглядит одинаково на обоих снимках, показана светло-зеленым цветом.

Далее вы оцените изображения и интерпретируете результаты.

Сравнение синтезированных цветных изображений

Вы будете использовать инструмент Спрятать, чтобы визуализировать разницу между цветными изображениями до и после урагана.

  1. На панели Содержание щелкните слой Texas_20170805_RGB.crf, чтобы его выбрать.
  2. На ленте на вкладе Растровый слой в группе Сравнить щелкните Спрятать.

    Кнопка Спрятать

  3. На карте захватите указатель инструмента Спрятать и несколько раз переместите его сверху вниз и справа налево, чтобы скрыть изображение до урагана и увидеть изображение после.

    Указатель шторки

    Рассмотрите изменения и идентифицируйте затопленные области. Попробуйте различить объекты, которые можно будет использовать как опорные точки. Многие области, которые ранее были сушей, показаны оттенками синего, что указывает на то, что они затоплены водой после урагана, или фиолетовыми, что указывает на наличие растительности или мусора в затопленных участках.

  4. После того как вы завершите изучение, на вкладке Карта на ленте в группе Навигация щелкните кнопку Исследовать, чтобы выйти из режима Спрятать.

    Кнопка Исследовать

    Вы сохраните проект.

  5. На панели инструментов быстрого доступа нажмите кнопку Сохранить.

    Кнопка Сохранить

    Примечание:

    Для более подробной информации о изучении затопления с помощью снимков SAR см. раздел документации Интерпретация данных SAR для картографирования затоплений.

В третьем сценарии вы создали два синтезированных цветных изображения из готовых к анализу снимков SAR с каналами с совпадающей поляризацией и с перекрестной поляризацией и настроили символы с одинаковыми значениями диапазонов для двух изображений. Затем, с помощью инструмента Спрятать вы сравнили снимки до и после урагана и выявили зоны затопления. Этот тип интерпретации обеспечивает основу для некоторых методов анализа, используемых для создания карт затоплений. Карты затоплений предназначены для различных целей, таких как борьба со стихийными бедствиями, поисково-спасательные операции или анализ для ипотечного кредитования для определении требований к страхованию.

В этом уроке вы изучили три варианта примерения готовых к анализу снимков SAR - картографирование уничтожения лесов, мониторинг морской активности и идентификация зон затопления. Вы изучили несколько методов изменеия символов изображения для выделения объектов интереса. Затем вы исследовали и интерпретировали данные, используя инструменты для взаимодействия с картой.

Вы можете найти больше учебных пособий в галерее учебных пособий.