Von Radiowellen bis Ultraviolett: Forschung in Fernerkundung http://www.rsl.ch/ Remote Sensing Laboratories RSL Department of Geography University of Zurich Inhalt - Überblick - Von Radio- bis mm-wellen: SAR (Synthetic Aperture Radar) - 20 90 MHz: Ultra Wide Band Radar (UWB) - 300 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
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 100 56 50 40 18 12.5 8 4 2 1 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
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 100 56 50 40 18 12.5 8 4 2 1 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
HF/VHF CARABAS-II Frequenz: Polarisation: PRF: Pulse-Dauer: Max. Distanz: Abtastrate: Datenrate: Bodenauflösung: 20-90 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
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 2 30.9 6.2 4.6 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 25 7-36 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
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
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
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
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
Prozessierung TDBP Illumination Rohdaten ESA Restvariation < 1dB bei 20 70 lokalem Einfallswinkel Prozessierung TDBP Geometrie Rohdaten ESA, Karte swisstopo Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 10
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: 38.01-0.33 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
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 ), 144444 244444 3 * 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
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
Atmosphäre Ionosphäre TEC aus GPS-Beobachtungen Atmosphäre TEC-Einfluss auf L-/C-/X-Band Sensor ALOS / PALSAR Radarsat-2 TerraSAR-X f [GHz] 1.27 5.045 9.65 Bandbreite [MHz] 28 100 300 CHIRP [μsec] 28 42 60 Sampling [MHz] 33.6 120 330 CHIRP-Form Down Up Up Orbit [km] 695 798 514 TEC [TECU] 0 60 150 0 60 150 0 60 150 Path Delay [m] 0 38.6 96.6 0 2.13 5.32 0 0.67 1.67 CHIRP-Längenänderung [m] 0 1.7 4.25 0-0.08-0.2 0-0.04-0.1 3 db Breite [m] 6.45 6.47 6.54 1.81 1.81 1.81 0.61 0.61 0.61 θ = 39 Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 14
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 = 18.45 2.34 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 = 40.84 2.66 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): ~ 1.5 3.0 m ~ 0.0 0.6 m ~ 1.5 3.6 m ~ 0.20 m Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 15
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: 38.01 2.3 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
CalVal Envisat ASAR Gute geometrische Genauigkeit ermöglicht Geocodierung ohne Passpunkte! Bild-Überlagerung (ASAR IMM & MERIS) Bilddaten ESA CalVal ALOS PALSAR Range 25.7.2006 16.8.2006 22.8.2006 Azimuth 1 x 1 1 x 5 3 x 15 3 x 3 Zoom Bilddaten JAXA Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 17
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
Differentielle SAR-Interferometrie Envisat, Bam (Iran) Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Differentielle SAR-Interferometrie Lop Nor (China) 1 Zentimeter 0.5 Meter 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500-0.5-1 -1.5-2 -2.5-3 -3.5-4 18.08.96-25.04.99 (980 Tage) 21.01.96-25.04.99 (1190 Tage) Krüttli, U. (2005) Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 19
TerraSAR-X Mission / Error Budget Analysis TerraSAR-X Mission / Error Budget Analysis Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 20
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
mmw-sar GMTI, MEMPHIS-SAR, 35 GHz, Ka-Band Target T1 T2 T3 T4 T5 Geschwindigkeiten soll km/h 55 55 55 35 35 GPS km/h 56.5 56.0 55.5 37.1 33.3 SAR km/h 56.1 54.4 54.9 37.8 40.2 Rohdaten FGAN mmw-sar HiRes-Prozessierung MEMPHIS Ka-Band Rohdaten FGAN Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 22
NIR LIDAR Light Detection And Ranging LIDAR First- and Last-Echo Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 23
LIDAR Einzelbaum Detektion LIDAR - Rohdaten LIDAR Einzelbaum Detektion LIDAR - Rohdaten Räumliches Clustering Einzelbaum - Detektion Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 24
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 1 622768 184055 24.4......... 2 622768 184032 21.3......... 3 622770 184022 35.2......... 4 622771 184074 18.2......... 5 622772 184063 17.6......... 6 622774 184057 16.2......... 7 622774 184048 32.6......... 8 622775 184011 30.6......... 9 622776 184066 16.1......... 10 622776 183994 14.6......... 11 622779 184024 36.7......... 12 622780 184079 19.5......... 13 622780 184033 13.2......... 14 622782 184000 47.5......... 15 622784 184049 44.2......... 16 622786 184034 27.2......... 17 622787 184023 20.2......... 18 622788 184076 30.7......... 19 622788 183993 36.9......... 20 622789 184057 14.4......... 21 622792 184019 17.1......... 22 622793 184013 15.4......... 23 622794 184070 13.6......... 24 622794 183993 41.5................................................... LIDAR Sensor Characteristik Testgebiet Dübendorf Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 25
LIDAR Sensor Characteristik 500 m 1100 m LIDAR Sensor Characteristik Remote Sensing Laboratories RSL / SARLab 26
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