Potenciál družicového radaru

Tags: družicový radar | Interferometrie | terénní změny

Dálkový průzkum Země plní v dnešní době roli nezaměnitelného pomocníka především v oborech rozhodujících spíše pro vývoj globálních problémů, jako je hodnocení vlivu odlesňování a zdrojů znečištění na globální kvalitu ovzduší či oteplování Země a s tím související úbytek ledovců; pomocí speciálních snímačů umístěných na družicích je možno sledovat meteorologické jevy nebo například zaznamenat změny v gravitačním poli Země. Lokálně dnes již nacházejí družicové snímky uplatnění obdobné snímání leteckému – vyhodnocuje se charakteristika oblastí pro územní plány, je možno sledovat kvalitu lesního pokryvu, stupeň znečištění vody anebo si jen nalézt vlastní dům na družicové „fotografii" na internetových mapových serverech.

Odborníkům dnes však již nestačí klasické snímání odrazu viditelného slunečního záření od zemského povrchu. Dokonce jim je málo sledovat odraz jiného, například infračerveného záření. Revoluci v dálkovém průzkumu Země vědci způsobili vypuštěním vlastního zářiče do vesmírného prostoru, zářiče a přijímače rádiových vln délky několika centimetrů – družicového radaru.

Proč radar?

Radar jako takový je aktivní zařízení, které vysílá, přijímá a vyhodnocuje rádiové záření. V oblasti dálkového průzkumu Země má radar na palubě družice hned několik zajímavých výhod oproti pasívním snímačům světelného odrazu. V první řadě radar pracuje ve frekvenčním pásmu, které není ovlivňováno průchodem atmosférou nebo je ovlivňováno jen minimálně. Elektromagnetické vlny se odrážejí od objektů srovnatelné délky – i přes hustou oblačnost či prudký déšť je tak možné pořídit čistý obraz zemského povrchu, v některých případech i pod povrchem (dlouhé vlny mohou procházet například částečně skrz pouštní písek, nebo alespoň přes hustý vegetační pokryv).

Tím, že je radarový signál vyslán a následně přijat, je možné vyhodnotit vzdálenost družice od povrchu výpočtem z doby trvání průchodu signálu atmosférou. Tento princip je využit v radarové altimetrii pro sledování například oceánské topografie. Pro sledování zemského povrchu však taková měření nejsou nejvhodnější. Odražené záření je emitováno všemi směry. Pokud by byl radar natočen kolmo k Zemi, jako je tomu v případě optických snímačů, detekoval by odraz od všech objektů na povrchu najednou a nemohl by je od sebe rozlišit. Především proto je radarová anténa vždy vytočena, obvykle nad 20° od kolmého směru. To pro koncového uživatele znamená určité potíže při vyhodnocování radarového obrazu, jelikož sledované objekty či prvky topografie jsou ukloněny či jinak geometricky zkomoleny.

Amplitudový obraz dálnice v Ostravě-Svinov z družice TerraSAR-X
v režimu Spotlight (rozlišení 1 m), 2011

Vývoj družicového radaru

Od prvních pokusů o sledování Země zobrazovacím radarem umístěným na družici uběhlo již 50 let. Technologické možnosti za tu dobu vyspěly z původního altimetrického snímání v kolmém pohledu o rozlišení okolo 50 km až po dnešní SAR systémy umožňující rozlišení lepší než 1 m.

Oficiálně první americký SAR systém Seasat v roce 1970 získal pro vědce informaci o topografii oceánu, technologické koncepty SAR pak byly v 80. letech vylepšovány pomocí testů SIR zobrazovacího radaru na palubě raketoplánu. Na základě těchto poznatků byl vytvořen SAR systém Magellan, který zmapoval počátkem 90. let topografii Venuše, ale i další systémy, jako je ERS-1, ERS-2, JERS či Radarsat (ten je dodnes aktivní), které systematicky sledovaly naši planetu Zemi. Zkušenosti z těchto misí kulminovaly v projekt SRTM v roce 2000, kdy během 11 dnů byla za pomoci dvou radarových antén na palubě raketoplánu zmapována topografie téměř celého zemského povrchu.

První dekáda 21. století se v oboru dálkového průzkumu Země nesla ve znamení pravidelného sledování různých, především environmentálních jevů za pomocí multiinstrumentálních družic, jako je evropský Envisat či japonský Alos. Digitální model zemského terénu obnovuje a zpřesňuje od roku 2010 německá družice TanDEM-X společně s TerraSAR-X, se kterou létá ve spirálové konstelaci ve vzdálenosti jen okolo 400 m od sebe. Existují však mnohé další zajímavé projekty využití družicového radaru, který potvrdil svou výjimečnost pro praxi.

Praktické využití

Za posledních 20 let bylo z radarových družic obíhajících kolem Země shromážděno velké množství dat systematicky pořízených z radarů o různých frekvencích, rozlišení, úhlech pohledu, polarizačních rovinách... Taková sbírka dat má široké spektrum využití pro sledování postupu různých změn na Zemi v čase.

Vlastnosti radaru umožňují sledování olejových skvrn, ledovců na moři, topografické mapování apod. Radarové vlny se dobře odrážejí od objektů s vysokou elektrickou vodivostí, například od kovových tanků či lodí, a mají tak využití pro potřeby bezpečnostních složek – například pro sledování ilegálního rybolovu. Radary jsou citlivé na přítomnost vody, kdy dochází ke změně elektrické vodivosti povrchu – je tak možno sledovat časové i prostorové změny vlhkosti půdy, tolik potřebné informace pro hydrologické studie či studie zemědělské produkce. Krátká periodicita snímání některých systémů pomáhá při sledování kritických situací, jako je například povodeň, kde na radar nemají vliv aktivní srážky.

Zemětřesení v íránském Bam, 2003, zachycené pomocí radarové interferometrie
z dat družice Envisat [copyright S. Jónsson, 2009]

Různé objekty či například různá vegetace reaguje rozdílně na změnu polarizace – je tak možné identifikovat například různé typy plodin. Využití polarizační SAR našel pro sledování regenerace lesů, kdy mladé stromky silně odrážejí v polarizaci HV (vysílání horizontálně, příjem vertikálně polarizované vlny). Sledován je i vývoj globálního odlesnění, kdy toto často není možné provést optikou nad tropickými lesy věčně zakrytými oblačností.

Za pomoci technik radargrammetrie či interferometrie je možné vytvářet přesný digitální model terénu. Radarová interferometrie pak má široké uplatnění i ve sledování terénních změn, jako jsou poklesy, sesuvy a jiné svahové deformace, pozvolné ledovcové pohyby, sopečná aktivita či následky zemětřesení. Využitím čistě fázové složky vlny je možné interferometrií vyhodnotit i velmi pozvolné změny, kdy metoda je citlivá na změny řádově i v desetinách milimetrů – to má využití ve sledování sedání stavebních konstrukcí, efektů poklesů vlivem čerpání vody, CO2 či vlivem těžby ropy a nerostných surovin. Jedinečné interferometrické studie sopek zobrazují jejich pozvolné pohyby podobné „sopečnému dýchání", kombinací snímků před a po velkém zemětřesení je pak možné sledovat zakřivení povrchu v podobě typického „motýla".

Vyhlídky do budoucna

Za posledních několik let se potenciál družicového radaru rozhodly zužitkovat vědecké instituce Kanady (družice Radarsat-2 se speciální konstrukcí pro sledování arktického ledovce), Itálie (konstelace 4 družic Cosmo-SkyMed umožňujících snímání vybraného území v Evropě až 4x za den), Japonska (radar delších vln na Alos/Alos-2 prochází hustou vegetací a je citlivý na půdní vlhkost), Německa (krátkovlnný radar na TerraSAR-X dosahuje rozlišení lepšího než 1 m a sleduje deformace objektů v citlivosti desetiny milimetru), dále pak Ruska, Korey, Číny, Argentiny, Indie i Španělska. Některé z vyjmenovaných zemí již svůj SAR systém do oběhu vypustily, jiné tento krok plánují v nejbližších letech.

V Evropě je s velkými nadějemi očekáván systém ESA Sentinel-1. Jeho první z trojice SAR družic by měla být vypuštěna již v roce 2013. Tento SAR bude snímat kompletní území Evropy (a další území) s periodicitou 12 dní, s vlnovou délkou okolo 5,5 cm a standardním rozlišením 5 metrů. Systematicky vytvářená data budou pro vědecké účely k dispozici bezplatně a vzniknou tak výborné podmínky pro sledování přírodních jevů a procesů Země i postupů lidské činnosti. Očekává se jeho intenzívní využití v oborech ekologie, námořnictví, zemědělství a celkového hospodářství, nebo humanitární pomoci v principu včasného varování před krizovými situacemi.