Возможность обнаружения лежбищ моржей в Арктике с помощью открытых радиолокационных изображений

С 2010-х годов спутниковые снимки активно применяются для слежения за дикими животными и птицами в труднодоступных районах. В 2011-2014 годах специалисты компании «СканЭкс», группы РИСКСАТ, ученые ИПЭЭ РАН им. Северцова и природоохранных организаций впервые разработали и апробировали методики обнаружения лежбищ моржей по спутниковым снимкам субметрового разрешения, а с 2019 года – и по открытым оптическим снимкам среднего пространственного разрешения [1-2]. Проблемой для систематических оптических наблюдений за моржами из космоса являются неблагоприятные метеоусловия и недостаточная освещенность районов исследования. Решением описанной проблемы является использование открытых радиолокационных изображений (РЛИ) среднего и низкого разрешения. Известные результаты радиолокационной съемки лежбищ моржей с помощью коммерческих РСА высокого разрешения (1-3 м) не позволяют осуществлять систематический спутниковый мониторинг лежбищ [3].
Целью работы является оценка возможности применения открытых спутниковых РЛИ среднего и низкого пространственного разрешения (10-40 м) для обнаружения крупных скоплений моржей на песчаных побережьях Арктики путем сравнительного анализа оптических снимков и РЛИ из открытых источников.
В качестве района исследования были выбраны крупные лежбища лаптевского подвида моржа на острове Песчаный в море Лаптевых, а также тихоокеанского подвида моржа в бухте Кэнискин на Чукотке. На первом этапе был проведен поиск и отобраны пары оптических снимков Sentinel-2 и РЛИ Sentinel-1 на одни и те же или близкие даты на район исследования.
РЛИ спутников Sentinel-1 были получены в интерферометрическом режиме IW, уровень обработки GRD (пространственное разрешение 20 м, межпиксельное расстояние 10 м). Как показали выполненные исследования, на РЛИ Sentinel-1 наблюдаются крупные лежбища моржей на песчаном берегу острова. Факт присутствия скоплений моржей подтвержден ранее отобранными оптическими снимками Sentеnel-2, полученными на одну и ту же дату или на соседние даты.
Установлено, что средняя площадь лежбищ моржей на РЛИ меньше, чем площадь на оптических снимках в среднем на 13,6%. Выявленное отклонение можно объяснить разными физическими принципами формирования изображений.
Для оценки возможности выделения лежбищ моржей на различном фоне по величине удельной эффективной площади рассеяния (УЭПР) на РЛИ были выделены тестовые полигоны, в которые входили лежбище моржей, водная поверхность и участок береговой линии. С использованием специального программного обеспечения с открытым исходным кодом SNAP были рассчитаны величины УЭПР тестовых векторных полигонов для каждой из двух поляризации (ВВ и ВГ).
По данным расчетов видно, что на РЛИ на ВГ-поляризации лежбищу моржей соответствует наиболее высокий диапазон значений УЭПР и этот диапазон не перекрывается с диапазонами значений УЭПР, соответствующими другим поверхностям, что позволяет четко идентифицировать местонахождение и контур лежбища на снимке. Это обусловлено высокой чувствительностью кросс-поляризации к объемному рассеянию, вызванному сложной формой поверхности, которую образуют туловища моржей на лежбище.
На РЛИ на ВВ-поляризации диапазон значений УЭПР, соответствующий лежбищу моржей, полностью перекрывается с диапазоном значений УЭПР, соответствующему влажному участку береговой линии, ввиду чего данные поверхности не различимы друг от друга. Поэтому для обнаружения лежбищ моржей на песчаных побережьях предпочтительно использовать радиолокационную съемку, полученную на кросс-поляризации, при этом съемку на согласованной поляризации можно использовать как вспомогательную для анализа состояния окружающей местности. Аналогичные результаты были получены по крупноразмерному лежбищу моржей тихоокеанской популяции на Чукотке.
Для установления наличия или отсутствия крупных лежбищ моржей возможно также использовать РЛИ Sentinel-1, которые были получены в широкозахватном режиме EW c пространственным разрешением 40 м и полосой захвата 400 км. Использование данных в режиме EW совместно с режимом IW позволяет увеличить период наблюдения за крупными лежбищами вне зависимости от погодных условий
В целом исследования показали, что открытые спутниковые РЛИ среднего и низкого пространственного разрешения (10-40 м) могут быть использованы для обнаружения крупных скоплений моржей на песчаных побережьях Арктики.