Von Radiowellen bis Ultraviolett: Forschung in Fernerkundung

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1 Von Radiowellen bis Ultraviolett: Forschung in Fernerkundung Remote Sensing Laboratories RSL Department of Geography University of Zurich Inhalt - Überblick - Von Radio- bis mm-wellen: SAR (Synthetic Aperture Radar) MHz: Ultra Wide Band Radar (UWB) MHz 2 GHz: Polarimetrische Interferometrie (Pol-InSAR) Faraday-Rotation ALOS PALSAR CalVal -5 6 GHz: Envisat CalVal Differentielle Interferometrie (D-InSAR) - TerraSAR X: Mission Simulation - mm-wellen-radar: Moving Target Indication (MTI) HighRes-Prozessierung - NIR (1500 nm): LIDAR - Detektion von Einzelbäumen - Oberflächenrauhigkeiten - System-Charakteristik Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 1

2 Überblick Elektromagnetisches Spektrum MEMPHIS E-SAR CARABAS 300 GHz 1 mm Extremely High Frequency EHF 30 GHz 1 cm Super High Frequency SHF 3 GHz 10 cm W V Q K Ka Ku X C S L Ultra High Frequency UHF P 300 MHz 1 m Very High Frequency VHF 30 MHz 10 m High Frequency HF Band f (GHz) Überblick Elektromagnetisches Spektrum MEMPHIS E-SAR CARABAS Bild Swiss Air Force Bild DLR Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 2

3 Überblick Elektromagnetisches Spektrum TerraSAR-X Envisat ALOS 300 GHz 1 mm Extremely High Frequency EHF 30 GHz 1 cm Super High Frequency SHF 3 GHz 10 cm W V Q K Ka Ku X C S L Ultra High Frequency UHF P 300 MHz 1 m Very High Frequency VHF 30 MHz 10 m High Frequency HF Band f (GHz) Überblick Elektromagnetisches Spektrum TerraSAR-X Envisat ALOS Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 3

4 HF/VHF CARABAS-II Frequenz: Polarisation: PRF: Pulse-Dauer: Max. Distanz: Abtastrate: Datenrate: Bodenauflösung: MHz (Frequency Stepped Burst Mode, 2.5 MHz) HH (horizontal TRX und RCV) 10 khz (5 khz / Antenne) 0.5 μsec 7500 m 10 MHz, 10 Bit 80 Mbits/sec 3m 2 (theoret.), 5-10 m 2 (proz.) HF/VHF CARABAS-II Prozessierung Punktstreuer in RC Rohdaten Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 4

5 HF/VHF Filterung linearer Elemente HF/VHF Forschungs-Themen Hinwil - Change-Detection - Links/rechts-Mehrdeutigkeiten Sihlsee - Performance Prozessoren/Kerne Laufzeit 4x4 km 2 Rechenzeit 10x10 km 2 Operatoren-Aufwand Verfügbarkeit Störung des Betriebs GIUZ Sun Server Maximal 20 Matlab-Lizenzen Maximal 16 Maximal 25 1 Stunden pro km Rechenzeit 4x4 km 2 21 Tage 4.1 Tage 3.1 Tage 6 Tage (180 Tage) Sehr hoch Gering Sehr Hoch Matterhorn Super-Cluster Maximal Stunden 35 Tage Hoch Mittel Gering GIUZ Opteron-Server Maximal 8 23 Stunden 26.5 Tage Gering Hoch Gering-Mittel Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 5

6 P/L/C/X-Band Forschungs-Themen - Prozessierung - Polarimetrie / polarimetrische Interferometrie - Atmosphäre: Path Delay und Faraday Rotation - CalVal: Envisat ASAR und ALOS/PALSAR - Differentielle Interferometrie - TerraSAR-X: System-/Missionssimulation Prozessierung SAR Fokussierung (Simulation) Rohdaten Zwischen- Ergebnis fokussiertes Bild τ Range-Fokussierung mit Entfernungsinformation Azimut-Fokussierung mit Doppler-Information Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 6

7 Prozessierung SAR Fokussierung (ERS-2) Rohdaten Zwischen- Ergebnis fokussiertes Bild Range-Fokussierung mit Entfernungsinformation Azimut-Fokussierung mit Doppler-Information Rohdaten ESA Prozessierung SAR Fokussierung (Envisat ASAR) Rohdaten ESA Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 7

8 Prozessierung Verfahren - Range - Doppler - Omega - K - CHIRP - Scaling - Time Domain / Back Projection TDBP Prozessierung Geocodierung Rückwärts - Transformation (indirekte Transformation): Geometrische Transformation E 1 Northing N 1 Easting Intensitätswert Original - Bild Resultat - Bild Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 8

9 Prozessierung Time Domain / Back Projection TDBP Geometrische Transformation E 1 Northing N 1 Easting Intensitätswert Rohdaten Resultat - Bild Prozessierung Vergleich Klassisch (Range Doppler) 1. Rohdaten 2. Range - komprimierte Daten Time Domain / Back Projection TDBP 1. Rohdaten 2. Range - komprimierte Daten 3. SLC / PRI - Daten (SAR-Bild) 4. Geometrisch korrigierte Daten 5. Radiometrisch korrigierte Daten 3. Geometrisch / radiometrisch korrigierte Daten Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 9

10 Prozessierung TDBP Illumination Rohdaten ESA Restvariation < 1dB bei lokalem Einfallswinkel Prozessierung TDBP Geometrie Rohdaten ESA, Karte swisstopo Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 10

11 Prozessierung TDBP Antenna Gain Pattern AGP 1 db Envisat Szene Sub-Beam: IS7 Max. Höhe: 2531 m Min. Höhe: 289 m Mittlere Höhe: 703 m Mittl. Schrägdistanz: 833 km Mittl. Off-Nd-Winkel: db Prozessierung TDBP Calibration ENVISAT/ASAR image mode (IM) Daten descending orbit 3540: IS7 2 Transponder ascending orbit 3547: IS1 2 Transponder descending orbit 7863: IS1 Corner Reflektor 7963: IS6 Corner Reflektor 8092: IS2 Corner Reflektor ENVISAT/DORIS precise orbit Daten (sigma = 10 cm) Geländemodell (25 m grid spacing) Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 11

12 Prozessierung TDBP Calibration Rohdaten ESA Pol-InSAR SAR Messgrössen Single Look Complex SLC i s = s e ϕ A = s, ( ϕ) A = Multi-Temporal [ A K A ] T t1 tn A = Multi-Frequenz [ A K ] T λ1 Aλ n A ϕ s s s s hh hv vh vv Multi-Polarimetrisch s = [ s K s ] T PS 1 PSn n = 4 (theoretisch n ) PS = polarisation state At 1 At 2 A t3 At 4 φ γ Interferometrisch * γ = s 1 s 2 wobei φ = arg( γ ), * γ =s 1 s 2 γ AX AL AP Band Band Band Aθ 1 Aθ 2 A θ3 Aθ 4 Multi-Incidence A = [ A K ] T θ1 Aθ n Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 12

13 Pol-InSAR SAR Messgrössen - Wellen-Modell - orts-/zeitabhängig: E = f (t) M = f (t) Pol-InSAR E-SAR, L-Band 1.3 GHz HH-polarisation, linear Pauli-Dekomposition Rohdaten DLR Rot: Oberflächenstreuung Grün: Volumenstreuung Blau: Doppelreflexion Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 13

14 Atmosphäre Ionosphäre TEC aus GPS-Beobachtungen Atmosphäre TEC-Einfluss auf L-/C-/X-Band Sensor ALOS / PALSAR Radarsat-2 TerraSAR-X f [GHz] Bandbreite [MHz] CHIRP [μsec] Sampling [MHz] CHIRP-Form Down Up Up Orbit [km] TEC [TECU] Path Delay [m] CHIRP-Längenänderung [m] db Breite [m] θ = 39 Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 14

15 Atmosphäre CHIRP-Längenänderung 1 CCF( t) = max max{ T, T } 2 * { } st ( Tt, Tr max{ T, T } t t r r t, T ) s ( t + τ, T ) dt 2 t r r { CCF( T + n Δt, T )} CCF( Δt) = max t r TEC 1 Δt c f 2 K f f 2 2 start stop = 2 2 start f stop Atmosphäre Troposphäre Path Delay Modell: UNB 3 (mit NMF) Sommer 47 Breite h = 0 m Sommer 47 Breite h = 2500 m Winter 47 Breite h = 0 m Winter 47 Breite h = 2500 m θ = m 0.18 m 2.52 m 1.74 m 0.06 m 1.8 m 2.35 m 0.07 m 2.42 m 1.7 m 0.03 m 1.73 m θ = m 0.2 m 2.86 m 1.96 m 0.07 m 2.03 m 2.67 m 0.08 m 2.75 m 1.94 m 0.03 m 1.97 m Hydrostatic Delay: Wet Delay: Total Path Delay: Genauigkeit (geschätzt): ~ m ~ m ~ m ~ 0.20 m Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 15

16 Atmosphäre Troposphäre Total Path Delay 3 m Envisat Szene Sub-Beam: IS7 Max. Höhe: 2531 m Min. Höhe: 289 m Mittlere Höhe: 703 m Mittl. Schrägdistanz: 833 km Mittl. Off-Nd-Winkel: m CalVal Envisat ASAR Range 7816 IS1D 7963 IS6D 8049 IS3D 8092 IS2D 8185 IS6A 8285 IS1A Azimuth 3 x 3 Zoom 1 x 1 1 x 5 3 x 15 Bilddaten ESA Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 16

17 CalVal Envisat ASAR Gute geometrische Genauigkeit ermöglicht Geocodierung ohne Passpunkte! Bild-Überlagerung (ASAR IMM & MERIS) Bilddaten ESA CalVal ALOS PALSAR Range Azimuth 1 x 1 1 x 5 3 x 15 3 x 3 Zoom Bilddaten JAXA Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 17

18 CalVal ALOS PALSAR Bilddaten JAXA Differentielle SAR-Interferometrie Envisat, Bam (Iran) Rohdaten ESA LOS-Displacement: 2.5 cm Small, D., et. al. (2005) Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 18

19 Differentielle SAR-Interferometrie Envisat, Bam (Iran) Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Differentielle SAR-Interferometrie Lop Nor (China) 1 Zentimeter 0.5 Meter (980 Tage) (1190 Tage) Krüttli, U. (2005) Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 19

20 TerraSAR-X Mission / Error Budget Analysis TerraSAR-X Mission / Error Budget Analysis Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 20

21 GMTI AeS-1, X-Band AeS-1, Along Track Interferometer ATI: Region Emmen, Reuss Phasenverschiebung: 0.13π Relativgeschwindigkeit: 0.38 m/s Off-Nadir Winkel: 45 Fliessrichtung: 45 Fliessgeschwindigkeit: 0.75 m/s (2.7 km/h) mmw-sar GMTI, MEMPHIS-SAR, 35 GHz, Ka-Band Rohdaten FGAN Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 21

22 mmw-sar GMTI, MEMPHIS-SAR, 35 GHz, Ka-Band Target T1 T2 T3 T4 T5 Geschwindigkeiten soll km/h GPS km/h SAR km/h Rohdaten FGAN mmw-sar HiRes-Prozessierung MEMPHIS Ka-Band Rohdaten FGAN Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 22

23 NIR LIDAR Light Detection And Ranging LIDAR First- and Last-Echo Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 23

24 LIDAR Einzelbaum Detektion LIDAR - Rohdaten LIDAR Einzelbaum Detektion LIDAR - Rohdaten Räumliches Clustering Einzelbaum - Detektion Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 24

25 LIDAR Einzelbaum Detektion LIDAR - Rohdaten Räumliches Clustering Einzelbaum - Detektion Geo-/Bio-Physikalische Parameter Baum-Nr. Easting (m) Northing (m) Höhe (m) Durchmesser (m) Volumen (m) Typ LIDAR Sensor Characteristik Testgebiet Dübendorf Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 25

26 LIDAR Sensor Characteristik 500 m 1100 m LIDAR Sensor Characteristik Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 26

27 LIDAR Sensor Characteristik SAR/LIDAR: Mitarbeiter und Diplomanden Barmettler Arnold dipl. El.-Ing. ETH CH Frey Othmar dipl. Ing. ETH CH Jehle Michael dipl. El.-Ing. Univ. Karlsruhe D Meier Erich Geograph Univ. Zürich CH Morsdorf Felix dipl.-oz. Univ. Kiel D Rüegg Maurice dipl. El.-Ing. ETH CH Schubert Adrian dipl. Phys. Univ. Paris CND Small David El.-Ing. UBC CND Weyermann Jörg Geograph Univ. Erlangen D Zuberbühler Lukas Geograph Univ. Zürich CH Valenti Linda Diplomandin Geographie CH Krüttli Urs Diplomand Geographie CH Wotruba Lukas Diplomand Geographie CH Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 27