Три миллиона точек измерения на одном квадратном километре: профессор Сяосян Чжу и ее команда установили мировой рекорд по извлечению информации из спутниковых данных. Благодаря новым алгоритмам исследователям из Мюнхенского технического университета (TUM) удалось создать четырехмерные облака точек Берлина, Лас-Вегаса, Парижа и Вашингтона, округ Колумбия, из стопок изображений радиолокационного спутника TerraSAR-X. Далее ученые планируют создать четырехмерные модели всех городов мира.
Крупные города мира растут. По оценкам Организации Объединенных Наций, сегодня примерно половина населения мира уже проживает в городах. Ожидается, что к 2050 году эта цифра вырастет до двух третей населения мира. «Этот рост предъявляет высокие требования к безопасности зданий и инфраструктуры, поскольку события, связанные с повреждениями, могут поставить под угрозу тысячи человеческих жизней одновременно», - говорит Сяосян Чжу, профессор по обработке сигналов при наблюдении за Землей в ТУМ.
Вместе со своей командой она разработала метод раннего обнаружения потенциальных опасностей: например, подземные оседания могут привести к обрушению зданий, мостов, туннелей или плотин. Новый метод позволяет обнаруживать и визуализировать изменения размером всего один миллиметр в год.
Трехмерные радиолокационные изображения крупнейших городов мира
Данные для новых изображений городов поступают с немецкого спутника TerraSAR-X, самого высокого в мире гражданского радиолокационного спутника. Находящийся на орбите Земли на высоте примерно 500 километров с 2007 года спутник посылает на Землю микроволновые импульсы, а затем собирает их эхо.«Изначально эти измерения проводились только на двухмерном изображении с разрешением в один метр», - объясняет Чжу.
Профессор ТУМ сотрудничает с Немецким аэрокосмическим центром (DLR), где она также возглавляет собственную рабочую группу. DLR отвечает за эксплуатацию и использование спутника в научных целях. «Значимость изображений ограничена тем, что отражения от разных объектов, находящихся на равном расстоянии от спутника, будут накладываться друг на друга. Этот эффект сводит трехмерный мир к двухмерному изображению».
Чжу не только разработала собственный алгоритм, позволяющий реконструировать третье и даже четвертое (временное) измерение, но и одновременно установила мировой рекорд: Четырехмерные облака точек с плотностью в три миллиона точек на квадратный километр реконструируются. Эта обширная полученная информация позволяет создавать высокоточные четырехмерные модели городов.
Различные перспективы создают трехмерное радиолокационное изображение
Фокус: ученые используют изображения, сделанные с немного разных точек зрения. Спутник пролетает над интересующей областью каждые одиннадцать дней. Однако его положение на орбите не всегда точно такое же. Исследователи используют эти 250-метровые орбитальные вариации в радиолокационной томографии, чтобы локализовать каждую точку в трехмерном пространстве. В этом методе используется тот же принцип, что и в компьютерной томографии, которая создает трехмерное изображение внутренней части человеческого тела: различные радиолокационные изображения, полученные с разных точек зрения, объединяются для создания трехмерного изображения.
«Поскольку этот метод обрабатывает только плохое разрешение в третьем измерении, мы применяем дополнительные методы компрессионного зондирования, которые позволяют улучшить разрешение в 15 раз», - говорит Чжу.
Ученые могут использовать радарные измерения TerraSAR-X для реконструкции городской инфраструктуры на поверхности Земли с высокой точностью, например трехмерной формы отдельных зданий. Этот метод уже использовался для создания высокоточных трехмерных моделей Берлина, Лас-Вегаса, Парижа и Вашингтона, округ Колумбия.
Четвертое измерение
Поскольку изображения сделаны в разное время, можно оценить изменение во времени - четвертое измерение - порядка доли длины волны радара. Полученная в результате четырехмерная модель показывает крошечные изменения с точностью порядка одного миллиметра в год, например, тепловое расширение зданий летом или деформации, возникающие в результате оседания под поверхностью земли. Чжу объясняет: «Этот метод подходит для обнаружения опасных точек. Таким образом, спутниковая технология может внести важный вклад в повышение безопасности нашей городской инфраструктуры».
В будущем исследователи даже намерены наблюдать за ростом крупных городов. В рамках недавно запущенного проекта ERC «So2Sat» все мегаполисы мира картируются и наблюдаются на долгосрочной основе. Исследования сосредоточены на новых индустриальных странах, где практически за одну ночь возникают целые городские кварталы. Чжу и ее команда планируют впервые использовать различные источники больших данных: измерения со спутников будут объединены с картографической информацией из Open Street Map и практически неограниченным потоком изображений, текста и шаблонов действий, предоставляемых социальными сетями.