PROCEDIMIENTO PARA LA ESTIMACIÓN DE LA TOPOGRAFÍA DE LA SUPERFICIE DE LA TIERRA EN ÁREAS CON COBERTURA VEGETAL.

Procedimiento para la estimación de la topografía de la superficie de la Tierra en áreas con cobertura vegetal.

Comprende:

a) medir la respuesta electromagnética de un área terrestre con cobertura vegetal utilizando un sistema coherente multicanal polarimétrico para obtener unos datos polarimétricos e inteferométricos;

b) generar una o más matrices de coherencia, o equivalentes, a partir de dichos datos interpretados utilizando un modelo de retrodispersión electromagnética de un bosque;

c) obtener la fase topográfica:

c1) seleccionando dos términos de dichas una o más matrices de coherencia, o equivalentes, cuyos parámetros, relativos a fase de la vegetación y/o a fase de la tierra, que incluya propiedades de la tierra que no sean la altura topográfica, aparecen mutuamente conjugados; y

c2) combinando dichos dos términos seleccionados en c1) en una expresión analítica para obtener la fase topográfica del área terrestre con cobertura vegetal;

d) determinar la topografía del área terrestre con cobertura vegetal a partir de la fase topográfica obtenida.

Procedimiento para la estimación de la topografía de la superficie de la Tierra en áreas con cobertura vegetal Sector de la técnica La invención consiste en un procedimiento para la estimación de la topografía de la superficie de la Tierra en áreas con cobertura vegetal, a partir del cálculo de la fase topográfica mediante datos obtenidos con sistemas coherentes multicanal polarimétricos, y más particularmente a un procedimiento que comprende obtener la fase topográfica sin ambigüedad y a partir de únicamente parte de dichos datos.

Estado de la técnica anterior Los sistemas coherentes multicanal se basan en la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas de forma coherente. Un ejemplo de este tipo de sistemas son los radares de apertura sintética, en inglés "Synthetic Aperture Radar" (SAR) . A continuación, se ofrece una breve introducción a los sistemas SAR y a los sistemas SAR interferométricos. Los sistemas SAR son sistemas de teledetección coherentes que se emplean para la observación, la monitorización y la investigación de la superficie de la Tierra. Un sistema de este tipo consiste en una plataforma que se desplaza a velocidad constante, en una antena que apunta en la dirección ortogonal, o casi ortogonal, a la dirección del movimiento y en un sistema radar coherente que transmite y recibe ondas electromagnéticas con una polarización fija. Mediante un procesado coherente de las ondas electromagnéticas retrodispersadas por la superficie de la Tierra, el sistema SAR es capaz de producir imágenes complejas de dicha superficie, es decir, estas imágenes consisten en un módulo y en una fase. Una imagen SAR representa el cociente complejo de la onda electromagnética retrodispersada por la superficie Terrestre bajo estudio y la onda electromagnética transmitida por el sistema SAR.

La interferometría SAR (InSAR) es una técnica que emplea, como mínimo, dos imágenes SAR complejas, adquiridas desde posiciones espaciales ligeramente diferentes al mismo tiempo (configuración de pasada única) o en tiempos diferentes (configuración de múltiple pasada) , y que permite obtener información de la superficie de la Tierra mediante la explotación y estudio de la fase de las imágenes SAR. La fase de las ondas electromagnéticas recibidas en la antena del sistema SAR depende de la distancia entre dicha antena y el área de la superficie terrestre iluminada por el sistema SAR. En la mayoría de los casos, los sistemas SAR operan afrecuencias de microondas dentro del espacio radioeléctrico, donde la precisión con que dicha fase es medida es extremadamente precisa. Cuando ambas imágenes SAR son adquiridas desde posiciones espaciales ligeramente diferentes, las amplitudes de las imágenes SAR son esencialmente iguales, mientras que las fases correspondientes dependen de la distancia entre las posiciones desde las cuales las imágenes SAR son adquiridas y el área de la superficie de la Tierra observada por el sistema. La diferencia de fase entre las dos imágenes SAR, referida a partir de ahora como fase interferométrica, y obtenida a través del producto Hermítico del par de imágenes SAR, también conocido como interferograma, es proporcional a la topografía terrestre, es decir, a la altura de la superficie terrestre observada por el sistema SAR.

La interferometría SAR, tal y como se ha definido anteriormente, se basa en la hipótesis de que la superficie terrestre observada por el sistema SAR consiste en un terreno sin cobertura vegetal de ningún tipo. En esta situación, las propiedades de las ondas electromagnéticas retrodispersadas están determinadas por el proceso de retrodispersión que ocurre en la superficie terrestre. De esta forma, la fase interferométrica presenta dos componentes. Primero, una componente determinista que es proporcional a la topografía de la Tierra, que se referirá a partir de ahora como fase topográfica, yque representa la principal fuente de información proporcionada por la técnica InSAR ya que la topografía terrestre se extrae a partir de esta fase. Segunda, una componente estocástica, proporcional a la correlación entre las dos imágenes SAR empleadas para generar el interferograma. Esta componente estocástica determina la calidad de la fase topográfica, de tal modo, que a mayor correlación entre ambas imágenes, mayor es la calidad de la fase topográfica medida.

En el caso en que exista una cobertura vegetal, las ondas electromagnéticas retrodispersadas por la superficie terrestre también se ven afectadas por el proceso de retrodispersión que ocurre en la superficie de la Tierra, como en el caso anterior, pero también por el proceso de retrodispersión de volumen que ocurre en la cobertura vegetal sobre la superficie de la Tierra. La presencia de esta cobertura vegetal tiene dos efectos principales en la fase interferométrica. Respecto a la fase topográfica, la cobertura vegetal induce un desplazamiento en la fase topográfica. Respecto a la componente estocástica, la cobertura vegetal induce una componente de decorrelación adicional que reduce la calidad de la fase topográfica extraída. Consecuentemente, en terrenos con cobertura vegetal, la fase topográfica no está asociada a la topografía del terreno, ya que contiene un desplazamiento inducido por la misma cobertura vegetal, y por lo tanto, la topografía terrestre no se estima de forma correcta.

A continuación se ofrece una breve introducción a los sistema SAR polarimétricos (PolSAR) y a los sistemas SAR polarimétricos interferométricos (PollnSAR) . Un sistema PolSAR, a diferencia de los sistemas anteriores, hace uso de la polarización de las ondas electromagnéticas para incrementar el número de imágenes SAR adquiridas, tres en el caso de sistemas SAR monoestáticos, en los cuales el sistema transmisor y receptor están localizados en la misma posición espacial, o cuatro en el caso de sistemas biestáticos, donde el transmisor y el receptor se localizan en posiciones espaciales diferentes. El aumento de imágenes SAR adquiridas permite extraer las propiedades polarimétricas de las ondas electromagnéticas retrodispersadas, y por lo tanto obtener una mejor caracterización de la superficie terrestre observada por el sistema SAR. Los sistemas PolSAR combinan la transmisión y recepción de ondas electromagnéticas en dos estados de polarización ortogonales. La principal ventaja de los sistemas PolSAR es la posibilidad de reconstruir la respuesta electromagnética del área observada a cualquier par de estados de polarización ortogonales a partir de la medida en un único estado de polarización particular [R1][R2][R3].

Un sistema PollnSAR se basa en adquirir una o más adquisiciones polarimétricas, en configuración interferométrica, desde posiciones espaciales diferentes al mismo tiempo (configuración de pasada única) o en tiempos diferentes (configuración de múltiple pasada) . Cuando se adquieren únicamente dos adquisiciones polarimétricas, el sistema PollnSAR se define como sistema de línea de base única, mientras que éste se refiere como sistema de múltiple línea de base cuando se adquieren más de dos adquisiciones. A diferencia de los sistemas InSAR de polarización única, los sistemas PollnSAR permiten la generación de interferogramas complejos con cualquier estado de polarización de las ondas electromagnéticas transmitidas y recibidas. En [R4] se demuestra que el uso de medidas PollnSAR hace posible separar, en términos de los diferentes observables radar, la contribución de los procesos de retrodispersión de superficie y de volumen que ocurren en superficies terrestres con cobertura vegetal. Con el fin de obtener la información de estas dos contribuciones de una forma cuantitativa y exacta, se hace necesario interpretar los datos PollnSAR en términos de un modelo coherente de retrodispersión. El objetivo de un modelo coherente de retrodispersión, en este contexto, es modelar los procesos de retrodispersión que ocurren en la vegetación y en la superficie de la Tierra bajo estudio. Consecuentemente, el modelo coherente de retrodispersión es invertido en los datos PollnSAR para extraer la información de interés. La solución propuesta en [R5] realiza una inversión completa del modelo coherente de retrodispersión denominado Volumen Aleatorio sobre Tierra, en inglés Random-Volume-over-Ground (RVoG) , que resulta en una estimación ambigua de la fase topográfica, y por lo tanto de la topografía de la superficie de la Tierra.

Respecto a la estimación de la topografía terrestre sobre áreas que presentan una cobertura vegetal mediante sistemas InSAR de polarización única, se hace necesario definir un procedimiento que permita eliminar el desplazamiento inducido por la cobertura...

1. Procedimiento para la estimación de la topografía de la superficie de la Tierra en áreas con cobertura vegetal, del tipo que comprende:

a) medir la respuesta electromagnética de un área terrestre con cobertura vegetal utilizando un sistema coherente multicanal polarimétrico para obtener unos datos polarimétricos e inteferométricos;

b) generar una o más matrices de coherencia, o equivalentes, a partir de dichos datos polarimétricos e inteferométricos interpretados utilizando un modelo de retrodispersión electromagnética de un bosque;

c) obtener la fase topográfica a partir de dicha o dichas matrices de coherencia, o equivalentes; y d) determinar la topografía de dicha área terrestre con cobertura vegetal apartir de la fase topográfica obtenida, estando dicho procedimiento caracterizado porque, para llevar a cabo dicha obtención de la fase topográfica, comprende:

c1) seleccionar dos términos de dichas una o más matrices de coherencia, o equivalentes, cuyos parámetros, relativos a fase de la vegetación y/o a fase de la tierra, que incluya propiedades de la tierra que no sean la altura topográfica, aparecen mutuamente conjugados; y c2) combinar dichos dos términos seleccionados en c1) en una expresión analítica para obtener, como resultado de la misma, la fase topográfica de dicha área terrestre con cobertura vegetal, sustancialmente libre de la influencia de los efectos de la vegetación y de las propiedades de la tierra que no sean la altura topográfica.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho sistema coherente multicanal polarimétrico es un sistema Radar de Apertura Sintética Polarimétrico Interferométrico, o PollnSAR, y dichos datos polarimétricos e inteferométricos obtenidos en dicha etapa a) se encuentran agrupados formando las siguientes imágenes SAR:

- Shh es la imagen SAR que representa el cociente complejo de la componente polarizada horizontalmente de la onda electromagnética retrodispersada y la componente polarizada horizontalmente de la onda electromagnética incidente;

- Shv es la imagen SAR que representa el cociente complejo de la componente polarizada horizontalmente de la onda electromagnética retrodispersada y la componente polarizada verticalmente de la onda electromagnética incidente;

- Svh es la imagen SAR que representa el cociente complejo de la componente polarizada verticalmente de la onda electromagnética retrodispersada y la componente polarizada horizontalmente de la onda electromagnética incidente; y -Svv es la imagen SAR que representa el cociente complejo de la componente 5 polarizada verticalmente de la onda electromagnética retrodispersada y la componente polarizada verticalmente de la onda electromagnética incidente.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque comprende representar dichos datos polarimétricos e inteferométricos obtenidos en la etapa a) mediante los vectores blanco k~ y k~, cada uno de ellos representativo de una de dos adquisiciones polarimétricas llevadas a cabo en dicha etapa a) .

4. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha etapa b) comprende generar una matriz de coherencia polarimétrica interferométrica Z12 ' y porque dicha etapa c1) comprende seleccionar dichos dos términos de únicamente dicha matriz de coherencia polarimétrica interferométrica Z12 .

1.

5. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha etapa b) comprende generar al menos una matriz de coherencia polarimétrica interferométrica Z12 y una matriz de coherencia polarimétrica no interferométrica ZIl' y porque dicha etapa c1) comprende seleccionar uno de dichos dos términos de dicha matriz de coherencia polarimétrica interferométrica Z12 y el otro término de dicha matriz de coherencia polarimétrica no interferométrica ZIl'

6. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dicha etapa b) comprende generar una matriz de coherencia polarimétrica interferométrica Z12 ydos matrices de coherencia polarimétricas no interferométricas ZIl' Z22 .

7. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 6 cuando dependen 25 de la 3, caracterizado porque dicha etapa b) comprende generar dicha o dichas matrices de coherencia polarimétricas Z12' ZIl , Z22 a través de un filtrado de ruido "speckle" de los datos polarimétricos e inteferométricos representados por dichos vectores blanco k~ y k~, donde 8. Procedimiento según la reivindicación 4 o la 7 cuando depende de la 4, caracterizado porque dichos dos términos seleccionados de dicha matriz de coherencia polarimétrica interferométrica Z12 son, respectivamente:

- el siguiente elemento de la primera fila y la segunda columna de la matriz Z12 :

Z12 (1, 2) = ( (Shh + S~v ) (S;h -S;v r) ;.

5. el siguiente elemento de la segunda fila primera columna de la matriz Z12 :

donde • indica complejo conjugado, el superíndice 1 hace referencia a la primera adquisición interferométrica y el superíndice 2 hace referencia a la segunda adquisición interferométrica.

1.

9. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque dicha expresión analítica de dicha etapa c2) es la siguiente:

fJo =2" arg {Z12 (1, 2) .Z¡2 (2, 1) }

donde fJo es la fase topográfica yarg{.} denota el argumento de una cantidad compleja.

10. Procedimiento según la reivindicación 8, caracterizado porque dicha expresión 15 analítica de dicha etapa c2) es la siguiente:

fJo =k (arg{Z¡2 (1, 2) } +arg{Z¡2 (2, 1) }) .

donde fJo es la fase topográfica yarg {.} denota el argumento de una cantidad compleja.

11. Procedimiento según la reivindicación 5 o la 7 cuando depende de la 5, caracterizado porque dichos dos términos seleccionados de dicha matriz de coherencia polarimétrica 20 interferométrica Z12 y de dicha matriz de coherencia polarimétrica no interferométrica Zll son, respectivamente: -el siguiente elemento de la primera fila y la segunda columna de la matriz Z¡2 :

Z¡2 (1, 2) = ( (Shh +S~v) (S;h -S;v r) ; y -el siguiente elemento de la segunda fila y la primera columna de la matriz Zll:

Z¡¡ (2, 1) = ( ( Shh -S~v ) (Shh + S~v ) ')

donde • indica complejo conjugado, el superíndice 1 hace referencia a la primera adquisición interferométrica y el superíndice 2 hace referencia a la segunda adquisición interferométrica.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha expresión analítica de dicha etapa c2) es la siguiente:

~o =arg { Z12 (1, 2) .Z¡¡ (2, 1) }

donde ~o es la fase topográfica yarg {-} denota el argumento de una cantidad compleja.

13. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque dicha expresión analítica de dicha etapa c2) es la siguiente:

~o =arg{Z12 (1, 2) } +arg{Z¡¡ (2, 1) }

donde ~o es la fase topográfica yarg{.} denota el argumento de una cantidad compleja.

14. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque, para llevar a cabo dicha etapa d) , el procedimiento comprende: d1) desenrollar la fase topográfica obtenida en c2) ; d2) transformar la fase topográfica desenrollada en d1) en altura topográfica; y d3) geocodificar la altura topográfica transformada en d2) .

15. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicho modelo de retrodispersión electromagnética de un bosque utilizado en la etapa b) es un modelo de dos capas o de Volumen Aleatorio sobre Tierra, o RVoG.

16. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas una o más matrices equivalentes alas matrices de coherencia son unas matrices de covarianza.

17. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dichas una o más matrices equivalentes alas matrices de coherencia son unas matrices de Müeller.

18. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque dicha etapa a) comprende medir la respuesta electromagnética de dicha área terrestre con cobertura vegetal realizando más de dos barridos sobre la misma con dicho sistema coherente multicanal polarimétrico, y porque dicha etapa b) comprende generar más de tres matrices de coherencia, o equivalentes, a partir de los datos polarimétricos e inteferométricos obtenidos mediante dichos barridos.