ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2017, № 5 · ИНФОРМАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ РАДИОЛОКАЦИИ И ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

Радиолокационная дифференциальная интерферометрия L-диапазона для определения параметров снежного покрова

П.Н. Дагуров1, Т.Н. Чимитдоржиев1, А.В. Дмитриев1, С.И. Добрынин1, А.И. Захаров2, А.К. Балтухаев1, М.Е. Быков1, И.И. Кирбижекова1

1 Институт физического материаловедения СО РАН, Улан-Удэ, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст (PDF) УДК 528.88 EDN ZFHYHL

Аннотация

Исследована возможность применения космической радиолокационной интерферометрии для определения высоты снежного покрова и снежного эквивалента снега. Экспериментальным материалом при измерениях высоты и водного эквивалента снега методом спутниковой дифференциальной радиолокационной интерферометрии были данные двух сеансов съемки тестового участка земной поверхности, проведенных радаром ALOS PALSAR-2 в бесснежный период и при наличии снежного покрова. Приведены теоретические соотношения, связывающие интерферометрическую разность фаз с высотой снежного покрова и водным эквивалентом снега для данной геометрии наблюдений и длины волны сигнала радара. Существенным элементом эксперимента было размещение вблизи тестового участка эталонного уголкового отражателя, обратное рассеяние которого и положение фазового центра рассеяния были одинаковы в обеих съемках. Расчетные значения высоты снега, полученные исходя из изложенной теории, измерений интерферометрической разности фаз методом дифференциальной интерферометрии, а также прямые измерения высоты снега на тестовом участке показали хорошее взаимное соответствие.

  • спутниковый радиолокатор с синтезированной апертурой
  • дифференциальная интерферометрия
  • снежный покров
  • водный эквивалент снега
Abstract (in English)

An applicability of spaceborne radar interferometry for the measurements of snow layer thickness and snow water equivalent was studied. Experimental dataset in the measurements of thickness and snow water equivalent consisted of two datasets from ALOS PALSAR-2 observations made in snow free conditions and in the presence of snow cover. Theoretical relations between interferometric phase difference, snow layer thickness and snow water equivalent for a given observation geometry and radar signal wavelength are presented. An essential feature of the experiment was the deployment at the test field of the reference corner reflector having stable level of radar cross section and scattered signal phase center location. Its interferometric phase difference was used as reference in calculations of the phase differences induced by snow cover on the test field. The deployment of the corner reflector with 2 meters leg on the smooth surface of the test field provided high corner signal to surrounding clutter ratio, exceeding 34 dB, and respective accurate measurements of the corner signal phase difference. At the same time, overall accuracy is determined by signals of the test field covered with snow layer. Direct measurements of snow parameters are: snow thickness 20 - 30 cm, snow density 0.2 - 0.21 g/cm3. The calculations of snow depth made using theoretical relations, interferometric phase difference measurements, as well as direct measurements of snow layer thickness at the test field are in good agreement.

Для цитирования

Дагуров П.Н., Чимитдоржиев Т.Н., Дмитриев А.В., Добрынин С.И., Захаров А.И., Балтухаев А.К., Быков М.Е., Кирбижекова И.И. Радиолокационная дифференциальная интерферометрия L-диапазона для определения параметров снежного покрова // Журнал радиоэлектроники. – 2017. – № 5.

Литература

  1. Rees W. G. Remote sensing of snow and ice. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2006. 302 p.
  2. Tedesco M., Derksen C., Deems J.S., Foster J.L. Remote sensing of snow depth and snow water equivalent. In «Remote Sensing of the Cryosphere» Edited by M. Tedesco. John Wiley & Sons, Ltd., 2015. P. 73-98.
  3. Thermal Microwave Radiation: Applications for Remote Sensing. Ed. by C. Mätzler. The Institution of Engineering and Technology, 2006. 555 p.
  4. Китаев Л.М., Тихонов В.В., Боярский Д.А., Титкова Т.Б., Комарова Н.Ю. Снежный покров Восточно-Европейской равнины по данным многочастотной микроволновой спутниковой радиометрии//Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2012 Т. 9 № 1. С. 249-257.
  5. А.А. Телегина, Н.Л. Фролова, Л.М. Китаев, Т.Б. Титкова. Оценка точности спутниковой информации о снегозапасах крупных водосборов европейской территории России//Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2014. Т. 11. № 2. С. 38-49.
  6. Richards J.A. Remote Sensing with Imaging Radar. Berlin Heidelberg, Springer-Verlag, 2009. 361 p.
  7. Захаров А.И., Яковлев О.И., Смирнов В.М. Спутниковый мониторинг Земли: Радиолокационное зондирование поверхности. -М.: КРАСАНД, 2012. 248 с.
  8. Shi J.C., Xiong C., Jiang L.M. Review of snow water equivalent microwave remote sensing.//Science China Earth Sciences. 2016. V. 59. № 4. pp. 731-745.
  9. Hanssen R.F. Radar Interferometry: Data Interpretation and Error Analysis. Dordrecht, Kluwer Academic Publishers. 2001. 308 p.
  10. Gabriel A.K., Goldstein R.M., Zebker H.A. Mapping small elevation changes over large areas-differential radar interferometry.//J. Geophys. Res. 1989. 94:9183-91
  11. Massonnet D., Rossi M., Carmona C., Adragna F., Peltzer G., Feigl K., Rabaute T. The displacement field of the Landers earthquake mapped by radar interferometry.//Nature. 1993. V 364. pp. 138-142.
  12. Liu L., Zhang T., Wahr J. InSAR measurements of surface deformation over permafrost on the North Slope of Alaska//J. Geophys. Res. 2010. 115. F03023. DOI:10.1029/2009JF001547.
  13. Short N., Brisco B., Couture N., Pollard W., Murnaghan K., Budkewitsch, P. A comparison of TerraSAR-X, RADARSAT-2 and ALOS-PALSAR interferometry for monitoring permafrost environments, case study from Herschel Island, Canada.//Remote Sensing of Environment. 2011. V.115. №12. pp. 3491-3506.
  14. Zakharov A.I., Epov M.I., Mironov V.L., Chymitdorzhiev T.N., Bykov M.E., Seleznev V.S., Emanov A.F., Cherepenin V.A. Earth surface subsidence in the Kuznetsk coal basin caused by manmade and natural seismic activity according to ALOS PALSAR interferometry.//IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. 2013. V. 6. №. 3. pp. 1578-1583.
  15. Чимитдоржиев Т.Н., Дагуров П.Н., Захаров А.И., Татьков Г.И., Быков М.Е., Дмитриев А.В., Балданов Н.Д., Мухорин Е.А., Мильхеев Е.Ю. Оценка сезонных деформаций болотистых почв методами радиолокационной интерферометрии и геодезического нивелирования.//Криосфера Земли. 2013. Т. XVII. № 1. С. 80-87.
  16. Ng A.H.-M., Ge L., Li X. Assessments of land subsidence in the Gippsland Basin of Australia using ALOS PALSAR data.//Remote Sens. Environ. 2014. V. 159. pp. 86-101.
  17. Beck I., Ludwig R., Bernier M., Strozzi T., Boike, J. Vertical movements of frost mounds in sub-Arctic permafrost regions analyzed using geodetic survey and satellite interferometry.//Earth Surface Dynamics. 2015. V 3. pp. 409-421.
  18. Chimitdorzhiev T.N., Dagurov P.N., Bykov M.E., Dmitriev A.V., Kirbizhekova I.I. Comparison of ALOS PALSAR interferometry and field geodetic leveling for marshy soil thaw/freeze monitoring, case study from the Baikal lake region, Russia//Journal of Applied Remote Sensing. 2016. V. 10. № 1. P. 016006.
  19. Strozzi T., Wegmüller U., Mätzler C. Mapping wet snowcovers with SAR interferometry.//International Journal of Remote Sensing. 1999. V. 20. №12. pp. 2395-2403.
  20. Li Z., Guo H., Li X., Wang C. SAR Interferometry coherence analysis for snow mapping. IEEE Int. Geosci. Remote Sens. Symp. (IGARSS'01). 2001. V. 6, pp. 2905-2907.
  21. Singh G., Venkataraman G., Rao Y. S., Kumar V., Snehmani, InSAR coherence measurement techniques for snow cover mapping in Himalayan region.//IEEE Int. Geosci. Remote Sens. Symp. (IGARSS'08). 2008. V 4. pp. IV-1077-IV-1080.
  22. Wang Y., Wang L., Li H., Yang Y., Yang T. Assessment of snow status changes using L-HH temporal-coherence components at Mt. Dagu, China.//Remote Sensing. 2015. V. 7. № 9. pp. 11602-11620.
  23. Kumar V., Venkataraman G. SAR interferometric coherence analysis for snow cover mapping in the western Himalayan region.//International Journal of Digital Earth, 2011. V. 4. № 1. pp. 78-90.
  24. Wickramanayake A., Henschel M. D., Hobbs S., Buehler S. A., Ekman J., Lehrbass B. Seasonal variation of coherence in SAR interferograms in Kiruna, Northern Sweden.//International Journal of Remote Sensing, 2016. V. 37. № 2. pp. 370-387.
  25. Guneriussen T., Hogda K. A., Johnsen H., Lauknes I. InSAR for estimation of changes in snow water equivalent of dry snow.//IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2001. V. 39. № 10. pp. 2101-2108.
  26. Rott H., Nagler T., Scheiber R. Snow mass retrieval by means of SAR interferometry.//In 3rd FRINGE workshop. European Space Agency: Earth Observation, 2003. Available at: https://earth.esa.int/fringe03/proceedings/papers/46_rott.pdf.
  27. Deeb E. J., Forster R. R., Kane D. L. Monitoring snowpack evolution using interferometric synthetic aperture radar on the North Slope of Alaska, USA.//International Journal of Remote Sensing. 2011. V. 32. № 14. pp. 3985-4003.
  28. Li S., M. Sturm. Patterns of wind-drifted snow on the Alaskan arctic slope, detected with ERS-1 interferometric SAR.//J. Glaciol. 2002. V 48. №. 163. pp. 495-504.
  29. Esmaeily-Gazkohani A., Granberg H.B., Gwyn Q.H.J. Repeat-pass cross-track interferometric SAR to measure dry snow water equivalent and depth.//Can. J. Remote Sensing. 2010. V. 36. Suppl. 2. pp. S316-S326.
  30. Li H., Xiao P., Feng X., He G., Wang Z. Monitoring snow depth and its change using repeat-pass interferometric SAR in Manas River Basin. IEEE Int. Geosci. Remote Sens. Symp. (IGARSS'16). 2016. p. 4936-4939.
  31. Leinss S., Wiesmann A., Lemmetyinen J., Hajnsek I. Snow water equivalent of dry snow measured by differential interferometry.//IEEE J. Sel. Topics Appl. Earth Observ. Remote Sens. 2015. V. 8. №. 8. pp. 3773-3790.
  32. Zebker H., Villasenor J. Decorrelation in interferometric radar echoes.//IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1992. V. 30. № 5. pp. 950-959.
  33. Ferretti A., Prati C., Rocca F. Permanent scatterers in SAR interferometry//IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. V. 39. №. 1. pp. 8-20.
  34. Феоктистов А. А., Захаров А. И., Гусев М. А., Денисов П. В. Исследование зависимости результатов обработки радиолокационных данных ДЗЗ от параметров обработки. Часть 1. Ключевые моменты метода постоянных рассеивателей//Журнал радиоэлектроники . 2014. № 12. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/dec14/5/text.pdf.
  35. Филатов А. В. Применение многовременной радиолокационной съемки ALOS\PALSAR для обнаружения смещений земной поверхности в условиях Арктики. Журнал радиоэлектроники . 2016. № 2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb16/9/text.pdf
  36. Mätzler C. Microwave permittivity of dry snow.//IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 1996. V. 34. №. 2. pp. 573-581.
  37. Голунов В.А., Кузьмин А.В., Скулачев Д.П., Хохлов Г.И. Экспериментальные спектры ослабления, рассеяния и поглощения миллиметровых волн в сухом свежевыпавшем снеге.//Журнал радиоэлектроники . 2016. № 9. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/sep16/4/text.pdf
  38. Арманд Н.А., Захаров А.И. Применение радаров с синтезированной апертурой для измерения угла поворота плоскости поляризации из-за эффекта Фарадея.//Радиотехника и Электроника. 2006. Т. 51. № 10. С. 1210-1217.