Möglichkeiten der satellitengestützten synoptischen. Küstenbereich

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1 Möglichkeiten der satellitengestützten synoptischen Erfassung topografischer Daten im Küstenbereich Uwe Sörgel, Karsten Jacobsen, Peter Lohmann, Alena Schmidt (IPI) Motivation Anforderungen an Daten im Küstenbereich, z.b. 3D-Stützpunkte für DGM-Modellierung Vorlandgelände: - Lage: U x = U y 40 cm - Höhe: U H 15 cm trocken gefallene Watt- bzw. Wasserwechselzonenflächen: - Lage: U x = U y 1 m - Höhe: U H 15cm 2D-Küstenlinien Navigationsrelevant: 5 m Raster, U x,u y 2 m kritische Kielfreiheit: 25 m Raster, U x,u y 10 m Sonstige Gebiete: 50 m Raster, U x,u y 20 m

2 Auftrag an IPI Untersuchung der Eignung von Satellitendaten Anforderungen im Hinblick auf Höhe Lage Optische Satellitensensoren Radar-Satellitensensoren Inhalt Optische Satellitensensoren Grundlagen Orientierung Höhenmessung Lagemessung SAR-Satellitensensoren Grundlagen Orientierung Höhenmessung Lagemessung

3 Satelliten-Sensorgeometrie: CCD-Zeilen Matrixkamera (lineare) CCD-Zeilen Satelliten-CCD-Sensorgeometrie (mehrere Zeilen Farben) Pixelgröße auf dem Boden Pixelgröße an Auflösungsgrenze (Beugung) abgepasst Pixelgröße quer zur Flugrichtung p v = p / cos²τ Pixelgröße quer in Flugrichtung p o = p / cosτ τ Ground sampling distance (GSD): Entfernung der Pixelzentren auf dem Boden Große Pixel für große Winkel Überlappung

4 Aufnahme am Vormittag Satelliteninklination ~98 kompensiert tägliche und jähr liche Erdrotation Aufnahme immer zur etwa gleichen Tageszeit vormittags früher: Sonne zu niedrig später: zu viele Wolken Landsat Thematic Mapper Satellites - Landsat 4 & 5 Launched - July 16, 1982; March 1, 1984 Sensor - Thematic Mapper (TM) Altitude Km Coverage Km 2 Wavelength Electromagnetic Resolution (micrometers) Region (meters) Band Blue 30 Band Green 30 Band Red 30 Band Near-infrared 30 Band Near-infrared 30 Band Thermal 120 Band Mid-infrared 30 August, 1995 Bands 3, 2, 1

5 RapidEye, Germany (5 satellites) Red edge channel is sensitive to stress of plants GSD: 6,5 m First Rapid Eye image, Griffith, NSW, Dec. 25, 2008 Optische Satelliten hoher geometrischer Auflösung First Worldview image, Houston, TX, Oct. 2, 2007

6 hochauflösende optische Sensoren nach der Startzeit Sensor Aufnahme GSD (Nadir) [m] Streifenbreite Blickrichtung Quer zur Pan / ms [km] in der Bahn Bahn SPOT :30 10 / /-27 SPOT 5 10:30 5 (2.5) / x 2 - +/-27 SPOT 5 HRS 10:30 5 x , IRS-1C/1D, Resourcesat 10: / (23.5) 70 / (142) - +/-26 KOMPSAT-1 9: /-45 Terra ASTER 10:30 15 / (30, 90) 60 0, 27.2 IKONOS 10: / wählbar EROS A 10: wählbar QuickBird 10: / wählbar RapidEye 11:00 EROS B1 /B2 10:45 FORMOSAT 2 9:30 IRS-P5 Cartosat 1 10:30 ALOS/PRISM 10:30 KOMPSAT-2 10:50 Cartosat-2 9:30 - / / / 4 1 / - WorldView-1 + WorldView-2 10: / - GeoEye-1 10: / 1.65 THEOS 10:00 2m / 15m (70) /90 wählbar wählbar wählbar 26 fore, 5 after -24, 0, +24 wählbar wählbar wählbar wählbar wählbar Small satellites system launch GSD [m] pan / MS swath [km] remarks UOSAT 12, UK / / 30 CCD arrays KITSAT 3, MS 50 South Korea SunSAT, South Africa Alsat 1, Algeria MS 600 DMC BilSat 1, Turkey / / 53 DMC arrays BNSCSat, UK MS 600 DMC NigeriaSat, Nigeria TopSat, UK Beijing-1, China MS 2.5 / / : RazakSat, Malaysia 2.5m GSD; DMC no TDI DMC planned:vin-sat-1, Vietnam 4m, 6.5m; Alsat-2, Algeria, 2.5m, With exception of KITSAT and SunSAT, satellites produced by Surrey Satellite Technologies (SSTL) Use of of the shelf components, partially CCD arrays instead of CCD-lines Cooperation in disaster monitoring constellation (DMC) in the case of natural disasters, cooperation mapping within 24 hours 12

7 Zukunft: Sentinel Sentinel 1: SAR ab 2013 Sentinel 1: multispektral ab 2013/14 Betreibergesellschaft ESA Vorgesehener Start 2013 Objektpixelgröße (Nadiraufnahme) Visible: 10m / VNIR: 20m / SWIR: 60m (GSD) Flughöhe ~ 694km Streifenbreite 60 km Szenengröße 60km x 60km 120km x 120km möglich Aufnahmezeit (sonnensynchron) ~ 10:30 Sonnenzeit Nadirwinkel (frei rotierbar) +/-26, stereo im Orbit möglich Wiederholrate für 54 Breite, +/-26 Inzidenzwinkel 2,8 Tage visible VNIR SWIR 13 spektrale Bänder 0,443µm 2,190µm Radiometrische Auflösung 12 bit ( ) Absolute Objektposition (ohne Passpunkte) CE90 = 20m (SX, SY = 9m) + Einfluss der Objekthöhe (Einfluss der Objekthöhe vom Inzidenzwinkel abhängig) Methods of scene orientation 1. Geometric reconstruction of imaging geometry 2. Sensor oriented rational polynomial coefficients (RPCs) with bias correction based on direct sensor orientation 3. 3D affine transformation 4. Direct Linear Transformation (DLT) 5. Terrain dependent RPCs based on control points required control points > = 0 > = 0 > = 4 > = 6 > = 6 Use of direct sensor orientation No use of sensor orientation xij = Pi1( X, Y, Z) j Pi2( X, Y, Z) j yij Pi3( X, Y, Z) j Pi4( X, Y, Z) j = rational polynomial coefficients Pn(X,Y,Z)j = a1 + a2*y + a3*x +a4*z + a5*y*x + a6*y*z + a7*x*z + a8*y² + a9*x² + a10*z²+ a11*y*x*z + a12*y³ +a13*y*x² + a14*y*z² + a15*y²*x + a16*x3 + a17*x*z² + a18*y²*z+ a19*x²*z+ a20*z³ Image coordinates x ij, y ij as function of object coordinates X, Y, Z

8 Orientierungsgenauigkeit Standardabweichung: 68% Wahrscheinlichkeit SX, SY: Lage, SZ: Höhe CE = circular error LE = linear error Lage Höhe Satellite IKONOS QuickBird WV-1 WV-2 GeoEye SPOT5 Formosat2 Kompsat2 RapidEye CE90 15m 23m 6.5m 6.5m 4m <50m 230m 80m 10m SX / SY 7m 11m 3m 3m 2m <23m 107m 37m 5m Orientierungsgenauigkeit aus RPC ohne Passpunkte Darüber hinaus ist DGM-Genauigkeit zu berücksichtigen WorldView-2, Digital Globe Standard Multispektral-Bänder: Rot, Grün, Blau, nahes IR neue Bänder Coastal, Gelb, Red Edge, nahes IR 2 GSD: 0.5m / 2m, Schwadbreite 16.8km

9 Digital Globe: Tiefe aus Radiometrie Eindringtiefe hängt von Wellenlänge ab Digital Globe schlägt vor, aus den Verhältnissen der Kanäle die Tiefe des Wassers zu bestimmen, laut Prospekt Tiefe etwa 20 m Genauigkeit etwa 1 m Ist für Nordseeküste nicht geeignet Stereo: Satellitenfall Zwei Bilder erforderlich die: sich überlappen um Basis versetzt aufgenommen wurden Orbit 1 Orbit 2 Zwei Orbits, Problem: - Beleuchtung ändert sich Besser nur ein Orbit: mehrere Bilder pro Orbit erforderlich

10 Höhenmessung Faktor abhängig von Kontrast h/b = Höhen-Basis-Verhältnis des Stereopaares (1,6) Spx = Standardabweichung der x-parallaxe. BEI GUTEM KONTRAST GILT SZ 1 GSD U z 2 GSD (LE 95) Beispiel Worldview GSD 0.5 m U z 1 m (LE 95) Lagemessung BEI GUTEM KONTRAST GILT Zentren symmetrischer Punkte: U x = U y = 0,5 GSD Kanten: U x = U y = 1 GSD Beispiel Worldview GSD 0.5 m Kanten 0.5 m Beispiel RapidEye GSD 6.5 m Kanten 6.5 m

11 Inhalt Optische Satellitensensoren Grundlagen Orientierung Höhenmessung Lagemessung SAR-Satellitensensoren Grundlagen Orientierung Höhenmessung Lagemessung Entfernungsauflösung bildgebenden Radars Entfernungsauflösung erfordert schräge Beleuchtung: Abtastung des rückgestreuten Signals Objektunterscheidung anhand Laufzeit Die Auflösung δ r : d h ist unabhängig von der Entfernung! ist um so besser, je kürzer die Pulsdauer τ ist gute Entfernungsauflösung erfordert hohe Signalbandbreite B λ d θ Entfernungsebene R δ r _ Boden cτ 2 c τ =, B τ 1 2sin( θ) Boden 22

12 Azimutauflösung des Radars mit realer Apertur Flugrichtung λ D v θ h R λ R D Reale Azimutauflösung entspricht Breite der Keule: cτ 2 δ a _ real = λ R D 23 Azimutauflösung des Radars mit synthetischer Apertur k-1 D k v k+1 h L Wiederholung der Messung entlang Flugweg: Zusammenfassung zu großer Antenne Synthese des SAR-Bildes anhand Laufzeitkorrektur : Seitliche Beleuchtung erforderlich! δ a = _ syn D 2 24

13 TerraSAR-X: Verschiedene Bild-Modi DLR Vergleich von ENVISAT und TerraSAR-X ENVISAT (30m) TerraSAR-X (1m)

14 Orientierung Entfernungsmessung sehr genau (TerraSAR-X besser 1 m) Aber wegen Schrägsicht: Lagefehler in Abhängigkeit vom DGM θ x = (h 1 -h 2 )*cot θ h h 1 h 2 x 28

15 Höhenmessung 2 Techniken SAR-Stereo Bilder unter signifikant unterschiedlichem Winkel Zuordnung von Korrespondenzen mittel Korrelation Höhe aus Parallaxe SAR-Interferometrie Bilder sehr ähnlichen Winkels Auswertung der Phase Genauigkeit im Satellitenfall Im Meterbereich (LE 95) - Die TanDEM-X Mission ab 2010 Ziel: Erzeugung eines globalen DGM Methode: 10 m Raster relative Höhengenauigkeit: σ z 1,25 m SAR-Interferometrie zweier kooperierender Satelliten Vorteile: Keine zeitliche Dekorrelation Atmosphärenbedingungen gleich mehrjährige Missionsdauer hohe Genauigkeit geplante TanDEM-Mission

16 Lagegenauigkeit Wasser oftmals gut erkennbar Bei gutem Kontrast Lagegenauigkeit ~ 2-3 GSD (CE 95) TerraSAR : 3 6 m (je nach Winkel und Modus) Fazit 3D Anforderungen von Satellitensensoren nicht erfüllbar Luftgestützte Sensoren erforderlich Vergleich LIDAR und Flugzeug-InSAR? 2D Einige Aufgaben mittels Satelliten möglich Land-Wasser-Grenze, 2D-Küstenlinie Nutzung von optischen Sensoren und SAR sinnvoll Schwerpunkt auf Änderungen sinnvoll