Capitolo 4
Conclusioni
Il lavoro di analisi effettuato sui dati reali, si è rivelato molto interessante.
I dati raccolti con le due differenti missioni in Svezia e in Germania, hanno entrambi permesso di raggiungere dei risultati piuttosto interessanti.
Missione sulla Svezia (sito di Remningstorp)
Per quanto riguarda i dati svedesi, l’impiego di segnali radar in banda P (alla frequenza di circa 350 MHz) consente di ottenere una lunghezza d’onda di alcune decine di cm e quindi riescono a superare ostacoli anche consistenti come le fronde degli alberi, per penetrare fino al suolo.
In questo modo si possono raccogliere informazioni sull’altezza degli alberi e sulle diverse capacità dei metodi impiegati (Beamforming, Capon e MUSIC), di separare tra loro i due livelli di terreno e foresta.
- Dalle tomografie effettuate impiegando una cella di dimensione 17x71 (Cella 1) è emerso che in alcune zone esaminate, alle stesse coordinate, con la full resolution si riescono a separare meglio tra loro i livelli di terreno e foresta, mentre con un filtraggio a 2 MHz per portare i dati in low resolution, a parità di grandezza della cella (Cella 1), non sempre i metodi riescono ad individuarli separatamente. Questo rappresenta un risultato atteso poiché in full resolution lo spessore degli strati si assottiglia e aumenta la capacità di risolverli.
Le tomografie effettuate in full resolution ma impiegando invece una cella di dimensione 1x9 (Cella 2) risultano poco significative perché presentano una variabilità troppo fitta in range che non permette di interpretare in modo corretto le tomografie.
- Le polarizzazioni impiegate per le tomografie (HH, HV e VV) hanno confermato che con la HH e la VV, tra loro molto simili, si riesce ad ottenere un buon livello d’intensità del terreno rispetto alla foresta e quindi si dimostrano interessanti nel cercare di individuare una mappa del terreno ed un suo profilo.
Con queste polarizzazioni infatti siamo in grado di sfruttare il fenomeno del double bounce ossia del rimbalzo del segnale tra terreno e tronco degli alberi per ritornare al radar piuttosto intenso.
Con la polarizzazione HV invece non assistiamo al fenomeno del double bounce, ma possiamo ottenere una più accurata analisi della foresta in quanto in questo caso il segnale reirradiato dalle fronde degli alberi risulta più intenso di quello che giunge dal terreno.
- La cancellazione per mezzo di filtraggio ha permesso di separare in modo abbastanza soddisfacente lo strato di foresta mettendo in risalto esclusivamente il livello del terreno anche se si possono presentare dei problemi di calibrazione.
- L’estrazione del DEM rappresenta un buon risultato, in particolare in polarizzazione HH con la quale siamo riusciti a determinare una mappa del terreno molto simile alla mappa geografica effettiva della zona esaminata.
Impiegando le basi corte invece i risultati peggiorano: la base a 10 metri risulta troppo corta, non dà problemi di ambiguità, ma non garantisce risoluzione sufficiente, quella a 30 metri essendo più lunga, consente di ottenere risoluzione piuttosto buona, ma non garantisce l’ambiguità necessaria.
Un buon compromesso tra le due situazioni è rappresentato dalla base a 20 metri che consente di ottenere risultati accettabili e paragonabili al DEM multibaseline.
- Le tomografie effettuate rendendo le basi irregolari mediante l’eliminazione di due di esse, hanno dimostrato che il Capon e il MUSIC non risentono molto di questa irregolarità poiché sono entrambi metodi adattivi, a differenza del Beamforming che essendo non adattivo ne risente molto di più.
Le tomografie con quest’ultimo infatti risultano affette da lobi laterali molto più intensi con un vettore di basi irregolari, mentre sia il Capon che il MUSIC permettono di ottenere risultati piuttosto simili a quelli trovati col vettore multibaseline completo e regolare.
- Per quanto riguarda la tomografia SAR differenziale possiamo affermare che si ottengono dei buoni risultati e si riescono ad individuare delle zone in cui la decorrelazione temporale a breve termine agisce solo sulla chioma degli alberi.
In full resolution la separazione degli strati non sempre avviene in modo più netto che in low resolution ma questo può essere imputato anche al fatto che in alcuni punti, sebbene in full resolution gli strati siano più sottili e quindi individuabili in modo migliore, cambiando da una coordinata all’altra di range, la variabilità sia molto maggiore che in low resolution e quindi può capitare di avere coordinate adiacenti in cui accadono cose apparentemente piuttosto diverse.
Missione sulla Germania (sito di Oberpfaffenhofen)
La tomografia SAR differenziale si è dimostrata molto interessante nella rilevazione di movimenti del terreno in aree coperte da vegetazione soprattutto impiegando il set di dati raccolti in Germania.
Con l’analisi effettuata è stato possibile individuare impercettibili movimenti di oggetti naturali, come cespugli e piccoli arbusti, dovuti il più delle volte a decorrelazione temporale di breve termine.
Le tomografie differenziali hanno permesso di osservare che ad esempio sulle zone di terreno coperte da alberi piuttosto alti, il movimento della chioma dovuto all’azione del vento, rende molto difficile l’interpretazione dello scenario e soprattutto l’individuazione del segnale utile rispetto ai lobi laterali.
Le cose migliorano leggermente con il calcolo delle medie, dalle quali riesce ad emergere anche se di poco uno scatteratore predominante in corrispondenza delle fronde degli alberi e del terreno. Di contro però il rumore della scena aumenta molto e tende a rendere omogeneo lo sfondo dell’immagine alzandone il livello medio ad un valore d’intensità abbastanza elevato.
Sugli oggetti di dimensioni ridotte invece le tomografie risultano più pulite anche perché su cespugli o piccoli arbusti, il vento non riesce ad avere effetti molto importanti e quindi assistiamo in modo meno frequente a problemi di decorrelazione temporale.
Appendice
Note sui programmi matlab:
Dati raccolti dalla missione in Svezia:
Quasi tutti i programmi leggono i dati, quindi occorre fare attenzione al percorso nel quale vanno a ricercarli!
F:\Tesisti\Simone\datiSvezia\PolInSAR-P\RGI
Per i programmi seguenti occorre impostare:
Il numero della linea (corner 1, 2 o 3) che si desidera analizzare. Le coordinate di rg e az sono impostate in automatico.
La finestra in az (Lin e Lfin) relativa a quel corner.
La dimensione della cella looksa e looksr (di solito 71 e 17). I parametri devono essere dispari.
La calibrazione impiegata puo’ essere phase lock oppure sparse grid. Per sparse grid occorre rendere attive le righe 211-217 e 93 -99. Per la calibrazione phase lock disattivare le suddette righe e attivare 521-527 facendo attenzione che il vettore di fase che va caricato sia nella cartella del programma.
Tomografie:
Tomo_svezia_bassa_res_canc_HH_ultimo_atm_simo -> serve ad effettuare le tomografie con Capon, Beamforming e Music. Inoltre si ottiene anche il profilo estratto al range selezionato.
I parametri da inserire sono il numero del corner (1, 2 o 3), la regione del corner (Lin e Lfin) scelto, la dimensione della finestra looksa e looksr, il coefficiente di caricamento per il capon (dload).
Ponendo a 0 la variabile estr_fase si effettua il filtraggio dei dati per ottenere la bassa risoluzione usando la variabile Coeff_Fir che il prog carica
automaticamente. Questo vettore quindi deve essere nella stessa cartella del programma.
Occorre fare attenzione che per il filtraggio a 2 MHz il vettore deve avere 200 coefficienti. Se la variabile estr_fase vale 1 il programma si ricalcola i vettori di calibrazione per i corner se si vuole utilizzare la calibrazione phase lock.
Tomo_svezia_bassa_res_canc_HH_ultimo_atm_simo_CCM
->
sfrutta le stesse impostazioni del prog precedente ed effettua anche le tomografie con il Capon CCM. Basta impostare il vincolo c1 alla riga 641 per variare la risoluzione del CCM.Tomo_svezia_bassa_res_canc_HH_ultimo_atm_simo_1base
->
effettua tomografie con il Beamforming con la base corta. Sono state provate le basi a 10, 20 e 30 metri. Basta impostare nelle righe da 265 a 290 la base che interessa. Da impostare sempre la regione d’interesse della quale vogliamo fare l’analisi.Il programma carica le informazioni necessarie per effettuare le cancellazioni. Subito dopo occorre lanciare il programma Tomo_svezia_cancellation_1base che effettua l’estrazione del DEM relativo a quella base e quella regione stabilita. In quest’ultimo programma e’ possibile anche variare da righe 30 a 37 la dimensione della regione in quota, all’interno della quale il programma va a ricercarsi il massimo nella tomografia.
Tomo_svezia_bassa_res_canc_HH_ultimo_atm_simo_7basi -> serve ad effettuare le tomografie in bassa risoluzione con il vettore di 7 basi e non di 9. Elimina le basi 7 e 8 per rendere il vettore irregolare.
I parametri da impostare sono gli stessi del prog per le tomografie. In questo caso la calibrazione usata e’ sparse grid quindi occorre fare attenzione che siano attivate le righe di prog 111 e 227 che riguardano la calibrazione sparse grid.
Tomo_marzo08_HH_full_res -> effettua le tomografie in full resolution. Cio’ che varia rispetto ai programmi per la bassa risoluzione e’ che in questo viene commentata la parte di prog che effettua il filtraggio con il vettore Coeff_Fir. Come negli altri si imposta la dimensione della cella con looksr e looka (17x71 oppure
1x9). Poi le coordinate della regione del corner, il numero del corner. La calibrazione e’ phase lock. Restituisce le tomografie con Beamforming, Capon e MUSIC. Se si vuole effettuare una saturazione dei valori per una miglior visualizzazione delle immagini occorre lanciare di seguito il prog Full_taglia_valori_beam_cap. infatti vengono salvate le matrici delle tomografie con Beam, Capon e MUSIC che con l’altro programma vengono ricaricate e modificate nelle intensita’.
Full_taglia_valori_beam_cap -> dopo aver lanciato i programmi per le tomografie che salvano i file del Beamforming, del Capon e del MUSIC (beamfor, cap e mus), con questo programma si fanno le saturazioni dei valori delle intensita’ fissando i valori massimi che si vogliono, in base alle strisciate tomografiche ottenute con l’altro programma di tomografie.
Estrazione DEM
Nella cartella DEMmat2 ci sono alcuni prog che effettuano le modifiche sul DEM. Il DEM e’ la composizione di 12 diverse matrici affiancate l’una all’altra che compongono la totalita’ della scena che e’ stato salvato in 12 matrici diverse affiancate l’una all’altra in ordine.
Nella cartella sono presenti tra le altre anche le matrici:
bald_tot_HH1picco_tagliato -> matrice DEM in HH calcolato col metodo a picco dominante. Ci sono anche quelle in HV a picco dominante e a doppio picco.
DTM_adattato -> e’ il DEM dimensionato come la matrice lidar del DEM x poter fare le operazioni di differenza tra di loro.
Le altre matrici sono state calcolate con i vari programmi che sono riportati.
Scrittura_coordtxt_mod_simo -> basta caricare nel workspace le matrici bald_tot_HH1picco_tagliato o quella in HV e la matrice immagine_ruotata_DTM (DEM lidar) e vengono adattate alle stesse dimensioni per poter effettuare le operazioni.
Media_scarto -> effettua il calcolo della media della matrice scarto (differenza tra DEM e DEM lidar).
Scarto_lidar -> caricando le matrici che vengono richieste in testa al programma, effettua il calcolo della differenza tra la matrice DEM e DEM lidar su tutta la zona oppure solo sulle zone di foresta o terreno opportunamente ritagliate grazie alla matrice mask di 0 e 1 (0 terreno e 1 foresta).
Media_foresta -> calcola la media solo sulla zona di foresta. Occorre preventivamente caricare le stesse matrici richieste nel programma precedente.
Crea_scarti -> calcola la matrice differenza tra il DEM multibaseline e quello a singola base. Occorre preventivamente caricare entrambe le matrici bald (DEM) opportunamente rinominate. Quindi esegue sia lo scarto che le medie in range e in azimuth.
Istogramma -> crea l’istogramma di una matrice (usato per la matrice scarto). DecimaDEM -> consente di effettuare la decimazione della matrice del DEM per ridurla, altrimenti troppo grande per essere ruotata per avere una sua visualizzazione tridimensionale.
Maschera -> occorre preventivamente caricare la matrice scarto nella quale vogliamo separare le zone di terreno e foresta. Con la matrice class si opera poi la mascheratura.
Taglia_class -> ritaglia la matrice class per adattarla al DEM.
Tomografia SAR differenziale
salva_dati_HH -> serve a salvare i dati in polarizzazione HH in full resolution necessari per il calcolo della tomo diff. Basta impostare la regione in azimuth e in
fondo al prog cambiare il numero del corner da salvare. I dati che salva sono la matrice D dati e il vettore kz.
salva_dati_HV -> stesso programma come in HH ma cambia la polarizzazione usata.
Diff_fastest_full -> programma che esegue la tomodiff in full resolution caricando i dati salvati dal programma precedente. Basta impostare il numero del corner sul quale eseguire le tomodiff (1, 2 o 3), la regione del corner in questione, rgd e azd che sono le coordinate del punto sul quale si vuol fare tomodiff. Alle righe 80 circa occorre selezionare se usare i dati HH o HV. A riga 161 circa occorre settare HH o HV per indicare quale parametro di rumore impiegare (verra’ caricato automaticamente).
Attenzione: ogni volta che si cambia coordinata di azimuth il valore del rumore deve essere ricalcolato perche’ quelli salvati valgono soltanto sulle coordinate dei 3 corner.
Diff_fastest_low -> il programma esegue le stesse procedure dell’analogo in full resolution. I dati che carica pero’ sono quelli in bassa risoluzione filtrati a 2 MHz e salvati dal programma
Tomo_diff_HH_fast_low -> Il programma quindi si carica i dati e basta impostare il settore del corner, il numero del corner, le coordinate alle quali si desidera effettuare le tomografie differenziali, i dati da caricare se in polarizzazione HH o HV ed esegue automaticamente le tomografie.
Tomo_diff_HH_fast -> effettua tomografia differenziale in full resolution solo su un punto di coordinate rgd e azd senza usare tutta la strisciata ma solo una piccola cella di dimensioni looksr in range e looksa in azimuth. I dati vengono calibrati phase lock in HH automaticamente in base al numero del corner impiegato; sia per la polarizzazione HH che HV (righe 272 circa) la calibrazione e’ HH.
Occorre a seconda del range (1, 2 o 3) impostare anche i parametri: Lin Lfin a seconda del corner, le coordinate rgd e azd del punto sul quale si vuole fare
tomodiff. Questo prog e’ indipendente ed ogni volta legge tutti i dati e fa le tomodiff con Capon e Beamforming. (durata circa 32 secondi). Per calcolare i valori di rumore e salvarli occorre commentare le righe da 266 a 291 e non commentare da 296 a 322. in questo modo viene esaminata tutta la strisciata e non solo il settore intorno alle coordinate scelte.
A righe 342-352 non commentare e il prog si calcola il rumore da usare.
Infine commentare le righe 402 e 403 dove si carica il valore dalla cartella: se e’ stato ricalcolato occorre usare il valore nuovo.
Tomo_diff_HH_fast_common -> effettua la tomografia differenziale in bassa risoluzione con filtraggio common a 2 MHz. Le considerazioni sono le stesse viste
sopra per l’alta risoluzione.
Dati raccolti dalla missione in Germania
Quasi tutti i programmi leggono i dati, quindi occorre fare attenzione al percorso nel quale vanno a ricercarli!
F:\Tesisti\Simone\datiBerlino_additional
tomo_diff_fix -> con questo programma si effettuano le tomografie differenziali con Beamforming, Capon e Capon refined con loading fisso. Inoltre restituisce anche le tomografie con Capon refined con loading fisso e con Beamforming.
Occorre fissare le coordinate sulle quali fare tomodiff in range (inr) e azimuth (azestr), il numero di looksa (di solito 13), il fattore di loading (diagloadfix) di solito pari a 10. Alle righe 171 circa selezionare il data set in polarizzazione hh o vv.
Coerenza -> effettua la mappa di coerenza in azimuth della scena. Basta impostare il numero di looksa da utilizzare.
Media_croce_ok_hh_5 -> effettua la media sulla croce di 5 elementi adiacenti alla coordinata centrale. Il programma in pratica effettua 5 volte gli stessi passaggi cambiando le coordinate ad ogni passaggio. Alla fine avra’ 5 matrici di
Occorre impostare semplicemente le coordinate al centro della croce che vogliamo e fara’ tutto in automatico.
media_croce_ok_hh_7 -> effettua la media sulla croce pero’ con 7 elementi: comprende oltre che la coordinata centrale in esame anche le coordinate adiacenti in orizzontale fino a 10 az bin di distanza (a passi di 5) sia a destra che a sinistra, mentre in verticale solo ad 1 rg bin di distanza sia in alto che in basso.
Tomo_diff_media_ciclo -> effettua il calcolo su una finestra rettangolare oppure una riga orizzontale o verticale. Basta impostare le coordinate centrali e poi gli estremi dove si vuole arrivare all’inizio del ciclo for intorno alle righe 60.
Alle righe 113 occorre stabilire il tipo di polarizzazione commentando o meno quella di interesse. Il programma con il ciclo for esegue le tomodiff su ogni singola coordinata passata in rassegna, le somma tutte tra di loro e poi divide per il numero di tomografie effettuate. Alla fine restituisce le tomografie medie differenziali con il Beamforming, con il Capon e con il Capon con loading fisso.
Bibliografia
[1] F. Lombardini; L. Verrazzani “Sviluppo ed analisi di tecniche di tomografia SAR 3D adattive da satellite”, contratto telespazio No. 2005206695. Output D1 - Algoritmi di focalizzazione, Output D2 - Sperimentazioni su dati simulati
[2] D. Baldo; “Stime spettrali adattive ad elevata accuratezza” Tesi di laurea anno 2006-2007
[3] P. Stoica, R. Moses, “Introduction to Spectral Analysis”, Englewood Cliffs, NJ: Prentice Hall, 1997
[4] F. Gini, F. Lombardini, M. Montanari “Layover Solution In Multibaseline SAR Interferometry” IEEE Trans. On Aerospace and Electronic Systems Vol. 38, No. 4, October 2002, pp. 1344-1356
[5] F. Lombardini, M. Pardini, appendice di I. Hajnsek, R. Scheiber, L. Ulander, A. Gustavsson, G. Sandberg, S. Tebaldini, A. Monti Guarnieri, F. Rocca, F. Lombardini, M. Pardini, “BIOSAR 2007: Technical Assistance for the Development of Airborne SAR and Geophysical Measuraments During the BIOSAR 2007 Experiment”, final report of the BIOSAR project, ESA contract no. 20755/07/NL/CB
[6] F. Lombardini, A. Reigber “Adaptive Spectral Estimation for Multibaseline SAR Tomography with Airborne L-band Data”
[7] F. Lombardini “Differential Tomography of a Random Volume over Ground” Rapporto tecnico Università di Pisa
