Оценка ущерба в городах с использованием данных SAR: случай Алеппо

Во время стихийных бедствий крайне важно понимать, что, кто и как влияет на людей и здания на местности. Независимо от того, вызвана ли катастрофа антропогенным или стихийным бедствием, оценка ущерба критически важной городской инфраструктуре имеет ключевое значение для оказания помощи нуждающимся и начала восстановительных работ.
Используя спутниковые снимки, можно проводить мониторинг с помощью радара с синтезированной апертурой (SAR) для точного определения поврежденных или разрушенных зданий.

Что такое SAR?

SAR — это метод дистанционного зондирования Земли, при котором микроволновые радиолокационные сигналы активно передаются с радиолокационного датчика, установленного на подвижной платформе (например, спутнике, самолете и т. д.), на Землю. Эти сигналы освещают целевую область, а информация собирается путем анализа отражений микроволновых импульсов. Рассеяние отраженного сигнала выявляет сложные детали структуры земных объектов и используется для получения детальной топографической информации в целевой области.
По мере того как поверхность становится более гладкой, обратный сигнал удаляется от спутника, в результате чего городские районы, которые сильно отражают сигналы радара, кажутся яркими на изображении, в то время как спокойная вода, которая рассеивает сигналы, кажется темной.

Оценка ущерба с использованием данных SAR

Дистанционное зондирование SAR может использоваться для оценки состояния различных регионов мира, что особенно полезно при реагировании как на стихийные бедствия, так и на антропогенное воздействие.

Данные SAR до и после происшествия позволяют обнаружить поврежденные земли и здания благодаря широкому охвату, быстрому реагированию, бесконтактности и независимости от погодных условий. Это безопасный способ понять тип события, масштаб и серьезность, а также определить размер потенциального ущерба.


Выбор области исследования: Алеппо

Чтобы понять, как можно использовать данные SAR для оценки ущерба в городах, давайте рассмотрим район, в городской сети которого за определенный период времени произошли существенные изменения.
Алеппо занимает площадь около 70 квадратных миль, что примерно вдвое больше площади Парижа. Гражданская война 2011 года в Алеппо опустошила город, и, по некоторым оценкам, только в 2016 году было повреждено или разрушено около 36 000 зданий.

Сначала давайте рассмотрим конкретные городские районы для оценки ущерба, уделив особое внимание тем, которые пострадали в период с 17 по 29 апреля 2016 года. Этот временной период важен, поскольку в этот период конфликт в Алеппо существенно обострился.

Вскоре мы более подробно рассмотрим оценку ущерба, но сначала давайте углубимся в SAR и то, как она работает.

Почему SAR?

С тех пор как Карл А. Уайли в 1951 году впервые применил технологию SAR, ее применение значительно расширилось, что сделало ее незаменимым инструментом для мониторинга сбора урожая, развития городов, состояния снежного покрова (влажные, сухие, бесснежные районы) и оценки ущерба растительности в результате лесных пожаров.

В отличие от традиционных датчиков наблюдения Земли, которые для получения значимых изображений используют внешние источники энергии, такие как солнечное излучение, датчики SAR работают независимо, активно излучая микроволны. Эта независимость позволяет им эффективно работать днем или ночью и проникать сквозь облака и различные покровы.

Как уже упоминалось, данные SAR являются ценным инструментом для повышения ситуационной осведомленности, особенно в критических областях.
Оценка изменений в Алеппо с помощью данных SAR - это практическое применение этого приложения в гуманитарных целях для оценки ущерба в городских условиях в результате конфликтов или стихийных бедствий.

Этот ме6тод используется различными организациями, специализирующихся на наблюдении за последствиями аналогичных событий. NASA проводит учебный курс, посвященный теме ARSET – Гуманитарные приложения с использованием NASA Earth Observations | NASA Applied Sciences. На нем слушатели узнают, как отслеживать ущерб, наносимый городам, с помощью спутниковых снимков и их гуманитарного применения.

Оценка ущерба с помощью методов InSAR

Одним из наиболее известных методов, используемых для анализа изображений SAR для оценки ущерба, является метод, называемый InSAR. InSAR использует информацию о фазе, полученную с помощью спутникового изображения, для измерения расстояния между датчиком и целью путем подсчета количества циклов прохождения волны перед возвращением на спутниковый датчик.

Проведение как минимум двух наблюдений за одной и той же целью позволяет использовать информацию о дальности, а также дополнительные сведения о местоположении радарного датчика, для измерения изменений на поверхности земли и, следовательно, для определения измененных областей. Кроме того, InSAR помогает нам определить, насколько разбросаны объекты в этой области.

Одной из проблем при оценке ущерба является путаница, вызванная изменениями, которые не связаны с фактическим повреждением конструкции. Существенным фактором, способствующим этой путанице, является геометрическое искажение, которое возникает из-за разницы в точках обзора двух радарных изображений, полученных с одного и того же спутника. Из-за этой разницы на радарных снимках объекты могут выглядеть немного растянутыми или расплющенными, что нарушает соответствие изображений друг другу.

При картографировании повреждений на поверхности Земли с помощью радарных изображений минимизация разницы между точками обзора, вызванными различными местоположениями спутников, помогает получить более четкие и точные результаты. Это похоже на съемку практически с одного и того же места, что позволяет лучше сравнить изменения и определить реальный ущерб.

Как оценить ущерб в городах с помощью данных SAR

Существуют различные поставщики данных, предоставляющие доступ к данным SAR. Они бывают как бесплатными, так и платными и доступны на различных платформах.

В этой статье мы использовали бесплатные спутниковые данные Sentinel-1 для оценки ущерба в городах. Этот проект был разработан Европейским космическим агентством (ESA) и запущен в 2014 году.

При оценке и картировании ущерба в Алеппо предполагалось, что ущерб приводит к изменению профилей рассеяния городских объектов и нарушает временную стабильность изображения.

Для проведения оценки ущерба и обнаружения снижения когерентности необходимо создать одно «эталонное» и одно «событийное» когерентное изображение. Для этого используются три изображения SAR для формирования двух пар InSAR: одна пара за период до события с 5 по 17 апреля и другая пара за период события с 17 по 29 апреля.

На первой паре изображений области с низкой когерентностью до события указывают на неточность, вызванную такими факторами, как геометрические искажения. Для пары, соответствующей периоду события, области с равной или повышенной когерентностью маскируются, что подразумевает, что наблюдаемые особенности в этих конкретных областях сохраняли постоянные или неизменные характеристики рассеивания с течением времени.

После применения этих масок к изображению события создается карта с косвенными признаками повреждений, выявляющая точки повреждений. Каждая красная точка на карте представляет собой поврежденную область, и по мере снижения когерентности степень повреждений увеличивается. Эту карту можно визуализировать с помощью любого из продуктов Esri, например, ArcGIS, или продуктов Google, например, Google Earth.

Эти аномалии когерентности или точки повреждений служат ориентирами для оптического анализа изображений с использованием спутниковых данных наблюдения за Землей (ДЗЗ), позволяя наблюдать за повреждениями на земле.

Как вы можете видеть на изображениях выше, повреждения сооружений, по-видимому, были нанесены в период с 5 по 24 апреля 2016 года.
Анализ данных радиолокационной разведки имеет решающее значение для мониторинга такого ущерба в городах, предоставляя необходимую информацию для оценки ущерба.

Кроме того, это позволяет принимать обоснованные решения и осуществлять стратегическое планирование по восстановлению пострадавших районов. Являясь ценным инструментом в усилиях по восстановлению после стихийных бедствий, спутниковые снимки предоставляют исходную информацию для оценки масштабов ущерба и последующего мониторинга прогресса на этапе восстановления.

Будущее SAR

Сегодня, особенно в условиях продолжающегося конфликта в Газе, многочисленные СМИ и правозащитные организации полагаются на анализ SAR как на метод мониторинга и освещения стихийных бедствий. Это сыграло решающую роль в создании многих отчетов, которые углубляют наше понимание того, что происходит на местах, и разрушительных последствий, которые это оказывает как на сообщества, так и на окружающую среду.

В прошлом технологии и данные SAR были в основном прерогативой правительств или организаций, располагающих значительными ресурсами. Однако в современном мире многие организации и даже энтузиасты активно работают с SAR для создания новых идей, извлекая выгоду из снижения затрат и простоты анализа данных SAR.

Согласно недавнему отчету Consegic Business Intelligence, использование технологии SAR находится только на начальном этапе, и, по прогнозам, в период с 2023 по 2030 год рынок вырастет на 11,8 процента.

Более того, спрос на радиолокационные снимки растет в таких секторах, как сельское и лесное хозяйство, нефть и газ, а также мониторинг окружающей среды. Эти приложения не ограничиваются мониторингом и оценкой кризисных ситуаций и экологических опасностей, но также могут использоваться для получения ранних предупреждений, таких как оповещения о вулканах, до того, как произойдет стихийное бедствие.

Такая доступность радиолокационных изображений и их анализа способствует более эффективной проверке фактов и оценке ущерба, одновременно подчеркивая ее потенциал для укрепления сотрудничества и поддержки в случае необходимости.