Satelliittitutkakuvaus

Kuvaava tutka on aktiivinen mittauslaite eli se lähettää säteilyä valaistakseen kohdealueen ja toisaalta vastaanottaa kohteesta heijastunutta eli takaisinsiroavaa signaalia. Liikkuessaan kuvaava tutka tuottaa valaisemastaan alueesta 2D-muotoista kuvainformaatiota. Tutkakuvausta voidaan verrata salamavaloon, mutta suurin ero tavanomaiseen kameraan on se, että tutkakuvauksessa käytetään mikroaaltojen aallonpituusaluetta, jolle ilmakehän pilvet ovat läpinäkyviä. Satelliitteja käytettäessä tutkien merkittävin hyöty on se, että kohdealue voidaan kuvata kaikissa sääolosuhteissa ja auringon valaistuksesta riippumatta. Tutkakuvauksella voidaan saada laaja-alaista ja ajantasaista tietoa ympäristön, maanpinnalla tapahtuvista muuttuvista ilmiöistä.

SAR (Synthetic Aperture Radar) on tutkakuvauksen erityistapaus, joka mahdollistaa satelliiteista, parhaimmillaan jopa kymmenien senttimetrien erotuskykyluokkaa olevan kuvauksen maanpinnasta. Kun kaukokartoituksen yhteydessä puhutaan tutkakuvista, tarkoitetaan nimenomaan SAR-kuvausta. SAR-satelliittikuvia käytetään monenlaisissa ympäristömme kartoitustehtävissä, kuten esimerkiksi jää- tai lumitilanteen seurannassa, maanpinnan liikkeiden havaitsemisessa sekä rakennetun ympäristön ja luonnonvarojen kartoituksessa.

Geodeettinen laitos on ollut aktiivisesti mukana toiminnassa, jossa SAR-satelliittikuvia pyritään hyödyntämään käytännön kartoitussovelluksissa. Alla on kuvattu kaksi esimerkkiä Active Sensing-tutkimusryhmän prosessoimista SAR-kuvasarjoista.

Kuva 1. Euroopan avaruusjärjestön, ERS-satelliittien SAR-kuvista johdettu yhdistelmäkuva. (Original data © 1995-1996, European Space Agency).

Kuvassa on yhdistelmä kuudestatoista yksittäisestä SAR-kuvasta. Lähtökuvat on ensin tarkasti yhteensovitettu toisiinsa alle kuvapikselin tarkkuudella, minkä jälkeen lähtökuvien sisältämästä informaatiosta on tuotettu kolmikanavainen väärävärikuva. Väärävärikuvan punaisella kanavalla on esitetty keskimääräinen interferometrinen koherenssi, vihreällä takaisinsironnan keskimääräinen voimakkuus ja sinisellä takaisinsironnan voimakkuusarvojen keskihajonta. Väärävärikuvassa punaisella näkyvät tutkan kannalta muuttumattomat kohteet, jotka ovat kasvittomia ja avoimia alueita. Vihreällä erottuvat kasvillisuuden peittämät alueet ja erityisesti metsät, joiden kohdalla takaisinsironnan voimakkuus on korkeampi kuin interferometrinen koherenssi ja takaisinsironnan hajonta. Sinisellä näkyvät vesistöt, joilla tutkan mittaaman takaisinsironnan voimakkuusarvojen hajonta on suurta.

Kuva 2. Espoonlahden alueelle automaattisesti laskettuja 3D-pisteitä TerraSAR-X -tutkakuvilta (radargrammetrinen mittaus). (Original data © 2009, German Aerospace Center).

SAR-satelliittikuvia voidaan käyttää myös kohdealueen korkeusvaihteluiden mittaamiseen, johon on periaatteessa kaksi lähestymistapaa, joko interferometria tai radargrammetria. Interferometriassa käytetään vähintään kahta, hieman eri katselukulmilla, otettua SAR-kuvaa, joiden vaihe-erokuva eli interferogrammi sisältää tietoa myös maanpinnan korkeusvaihteluista.  Radargrammetria toisaalta vastaa eräällä tavalla ihmisen kolmiulotteista näkemistä ja menetelmällä voidaan laskea 3D-koordinaatit vastinpisteille, jotka havaitaan eri katselukulmilla otettuilta kuvilta. Kuvassa 2 on esitetty automaattisesti laskettuja 3D-pisteitä radargrammetrisin keinoin Espoonlahden alueella. Valkoisilla alueilla 3D-mittaustulosta ei ole ja alueet ovat pääasiassa vesistöjä ja avoimia alueita, joilla automaattinen 3D-mittaus ei ole onnistunut. Väriskaala sinisestä vaalean vihreään vastaa korkeusvaihtelua nollasta noin 60 metriin merenpinnasta. Radargrammetrian avulla voidaan tuottaa huomattavan tarkkaa korkeustietoa lähes globaalisti, mikä voi olla hyödyllistä etenkin sellaisilla alueilla, joissa muiden menetelmien käyttö on vaikeaa tai mahdotonta.