DE102016119626A1

DE102016119626A1 - Automatische dreidimensionale Geolokation von SAR-Targets und gleichzeitige Schätzung troposphärischer Ausbreitungsverzögerungen mittels zweier SAR-Bilder mit langer Apertur

Info

Publication number: DE102016119626A1
Application number: DE102016119626.6A
Authority: DE
Inventors: Sergio Duque; Alessandro Parizzi; Francesco De Zan
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2017-04-20
Also published as: EP3156818A1; EP3156818B1; ES2778427T3

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur automatischen dreidimensionalen Geolokation von SAR-Targets und gleichzeitigen Schätzung troposphärischer Ausbreitungsverzögerungen mittels zweier SAR-Bilder mit langer Apertur, das umfasst: – zwei SAR-Erfassungen mit langer Apertur, die mit verschiedenen Geometrien durchgeführt werden, – Punkt-Target-Detektion, unabhängig in beiden Bildern, und – Punkt-Target-Defokus-Analyse, – wobei für jedes Punkt-Target eine Beziehung zwischen einer geschätzten Höhe und der troposphärischen Verzögerung hergestellt wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Der Hauptzweck der Erfindung besteht im Erhalt einer Voll-3D-Bildrekonstruktion eines urbanen Gebiets unter Verwendung lediglich zweier Bild-Erfassungen satellitengestützter Radarvorrichtungen mit synthetischer Apertur (SAR). Ferner ist das Verfahren gemäß der Erfindung dazu geeignet, für beide Bild-Erfassungen absolute Schätzwerte der troposphärischen Verzögerungen abzuleiten.
Stand der Technik
Bislang bereitet der Erhalt einer Voll-3D-Bildrekonstruktion eines urbanen Gebiets durch Bilderzeugung mittels satellitengestützter SAR-Vorrichtungen die folgenden Probleme:

1) Man benötigt einen großen Satz von Bildern. Dies impliziert einen beträchtlichen Kostenaufwand zum Erhalt eines 3D-Bilds eines urbanen Gebiets. Zudem ist das Erstellen eines großen Satzes von Bildern zeitaufwendig. Die erforderliche Zeitspanne beträgt typischerweise ungefähr ein Jahr.
2) Techniken, die auf SAR-Interferometrie und -Tomographie basieren, benötigen möglicherweise Bodenkontrollpunkte. Zuverlässige Bodenkontrollpunkte sind nicht stets überall verfügbar. Um zuverlässige Bodenkontrollpunkte einrichten zu können, müssen manchmal speziell für diesen Zweck Bodenerkundungen durchgeführt werden, was ebenfalls Kosten nach sich zieht.
3) Für eine präzise 3D-Geolokation unter Verwendung von Radarsignalen muss auch die zusätzliche Signalweg-Verzögerung berücksichtigt werden, die sich beim Durchlaufen von Medien ergibt, bei denen es sich nicht um ein Vakuum handelt (z.B. der Atmosphäre). Dies impliziert die Notwendigkeit externer Daten, um die ionosphärischen und troposphärischen Verzögerungen, die durch die Sensor-Geometrie erfasst werden, zu schätzen. Diese Schätzung kann auf Basis mehrerer verschiedener Modelle durchgeführt werden und muss auf die Radar-Sichtlinie (LOS) abgebildet werden. Folglich besteht die Möglichkeit, dass die Schätzung nicht präzise ist und die Genauigkeit der 3D-Positionierung beeinträchtigt.
4) Techniken, die auf SAR-Radargrammetrie basieren, bereiten Probleme beim automatischen Identifizieren der Punkt-Targets in den verschiedenen verwendeten Geometrien.

Der Stand der Technik einer Voll-3D-Geolokation in urbanen Gebieten mittels SAR umfasst Radargrammetrie-Techniken und interferometrische Techniken wie z.B. Permanent-Scatterer-Interferometrie (PSI) und SAR-Tomographie. Das erste für urbane Gebiete vorgesehene präzise DEM (Digital Evaluation Model) zur Verwendung mittels Permanent-Scatter-Interferometrie wird erläutert in der Veröffentlichung Perissin, D.; Rocca, F., "High-Accuracy Urban DEM Using Permanent Scatterers," Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 44, no. 11, pp. 3338, 3347, Nov. 2006 (doi: 10.1109/TGRS.2006.877754). Dieses bekannte Verfahren erfordert eine große Anzahl von Bildern, um troposphärische Störungen zu verringern, wobei in dem Arbeitsvorgang, der in dieser Veröffentlichung beschrieben wird, 100 Bilder verwendet werden. Zudem werden Bodenkontrollpunkte benötigt (siehe die obigen Punkte 1 und 2).
Ein weiter fortentwickelter PSI-Verarbeitungsvorgang, bei dem verschiedene Erfassungsgeometrien verwendet werden, erfolgt gemäß Gernhardt, Stefan, and Bamler, Richard. "Deformation monitoring of single buildings using meterresolution SAR data in PSI." ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 73 (2012): 68–79. Hier werden zwei verschiedene Punktwolken erzeugt, und diese werden in einem Nachbearbeitungsschritt miteinander vereinigt. Die zitierte Veröffentlichung ermöglicht eine präzise Voll-3D-Geolokation sowie eine Bewegung der gewählten Punkt-Targets. Wiederum wird eine große Anzahl von Bildern aus beiden Geometrien benötigt, und es sind Bodenkontrollpunkte erforderlich (siehe die obigen Punkte 1 und 2).
Eine Anwendung von SAR-Radargrammetrie in urbanen Gebieten ist vorgesehen gemäß Goel, K.; Adam, N., "Three-Dimensional Positioning of Point Scatterers Based on Radargrammetry," Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 50, no. 6, pp. 2355,2363, June 2012 (doi: 10.1109/TGRS.2011.2171975). Das in dieser Veröffentlichung vorgeschlagene Verfahren erfordert drei Stapel von Bildern aus verschiedenen Geometrien. Dieses Verfahren verlangt jedoch keinerlei Bodenkontrollpunkt. In dieser Veröffentlichung werden Signalpfadverzögerungen nicht berücksichtigt. Dies bedeutet, dass bei Anwendung dieses Verfahrens möglicherweise eine signifikante Höhenbeeinflussung in der Größenordnung von einigen Metern erfolgt (siehe die obigen Punkte 1 und 3).
Die Veröffentlichung Xiao Xiang Zhu; Bamler, R., "Superresolving SAR Tomography for Multidimensional Imaging of Urban Areas: Compressive sensing-based TomoSAR inversion," Signal Processing Magazine, IEEE, vol. 31, no. 4, pp. 51,58, July 2014 (doi: 10.1109/MSP.2014.2312098) befasst sich mit SAR-Tomographie in urbanen Gebieten.
Bei der SAR-Tomographie handelt es sich um eine Fortentwicklung der SAR-Interferometrie. Ihre Besonderheit liegt darin, dass sie in der Lage ist, zwischen verschiedenen Streuungen innerhalb der gleichen Auflösungszelle zu unterscheiden. Somit ergibt sich bei der SAR-Tomographie unter gleichen Bedingungen eine dichtere Punktwolke als eine PSI-Punktwolke. Eine an urbanen Gebieten angewandte SAR-Tomographie bietet eine höhere Präzision bei der 3D-Target-Geolokation und -Überwachung als die PSI. Mit ihr wird eine typische Positionierungspräzision in der Größenordnung weniger Zentimeter erreicht. Jedoch erfordert auch sie normalerweise eine große Anzahl von Bildern, um diese Präzision zu erzielen. Zudem werden bei ihr Kontrollpunkte und eine A-priori-Schätzung der Signalweg-Verzögerungen verwendet (siehe die obigen Punkte 1, 2 und 3).
Es existieren einige aktuelle Veröffentlichungen, die sich mit dem Erhalt einer absoluten Pixel-Lokalisierung eines SAR-Bildes befassen, d.h. damit, herauszufinden, wo ein Punkt-Target in dem SAR-Bild erscheinen soll, was auf der Basis seiner 3D-Bodenposition und unter Anwendung eines Satzes geodynamischer und Weg-Verzögerungs-Korrekturen durchzuführen ist. Die im Folgenden aufgeführten Veröffentlichungen zu Projekten, die unter Verwendung von Terra-SAR-X-Daten durchgeführt wurden, zeigen, dass es möglich ist, auf der Basis der 3D-Bodenposition des Punkt-Targets und sämtlicher applizierter Korrekturen eine im Zentimeterbereich angesiedelte Übereinstimmung zwischen der Stelle, an welcher das Punkt-Target auftritt, und der Stelle zu erreichen, an der es auftreten sollte.
Die beiden Veröffentlichungen Eineder, M.; Minet, C.; Steigenberger, P.; Xiaoying Cong; Fritz, T., "Imaging Geodesy-Toward Centimeter-Level Ranging Accuracy With TerraSAR-X," Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 49, no. 2, pp. 661,671, Feb. 2011 (doi 10.1109/TGRS.2010.2060264) und Balss, Ulrich; Gisinger, Christoph; Cong, Xiao Ying; Brcic, Ramon; Hackel, Stefan; Eineder, Michael, "Precise Measurements on the Absolute Localization Accuracy of TerraSAR-X on the Base of Far-Distributed Test Sites," EUSAR 2014; 10th European Conference on Synthetic Aperture Radar; Proceedings of, vol., no., pp. 1,4, 3–5 June 2014 zeigen das Potential einer Verwendung von TerraSAR-X-Erfassungen für eine präzise Geolokation. Diese Veröffentlichungen sind beschränkt auf 2-D-Radar-Geometrie, -Abstands- und -Azimut-Dimensionen. Die gute Übereinstimmung zwischen mehreren Messungen beruht auf der Berücksichtigung sämtlicher möglicher Korrekturen und auch auf der guten Orbit-Präzision, die mit TerraSAR-X-Produkten ermöglicht wird. Die zweite Veröffentlichung zeigt die Wiederholbarkeit der guten Ergebnisse an verschiedenen Teststellen.
Die Veröffentlichung Duque, S.; Breit, H.; Balss, U.; Parizzi, A., "Absolute Height Estimation Using a Single TerraSAR-X Staring Spotlight Acquisition," Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, vol.PP, no. 99, pp. 1,5 (doi: 10.1109/LGRS.2015.2422893) betrifft ein Projekt, das gegenwärtig bei dem Anmelder durchgeführt wird. Diese Veröffentlichung zeigt, dass es möglich ist, die 3D-Koordinaten von Punkt-Targets mittels einer einzigen TerraSAR-X-Staring-Spotlight-(ST)Erfassung zu erhalten, d.h. mittels nur eines einzigen Bilds. Die Veröffentlichung basiert auf der Fokussierungsempfindlichkeit satellitengestützter langer Aperturen gegenüber der Höhe. In dieser Veröffentlichung wird der Defokussierungseffekt in Beziehung zu einer absoluten Höhe gesetzt. Die erzielte Präzision liegt in der Größenordnung von 10 Metern für helle Targets in urbanen Gebieten. In dieser Studie wird ferner aufgezeigt, dass ein Kopplungseffekt zwischen Höhe und Signalweg-Verzögerung existiert. Somit müssen, um absolute Höhen erhalten zu können, die troposphärischen Sigalweg-Verzögerungen vorliegen.
Überblick über die Erfindung
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die herkömmlichen Verfahren zum Erhalt einer 3D-Geolokation mittels SAR-Bildern zu verbessern.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur automatischen dreidimensionalen Geolokation von SAR-Targets und gleichzeitigen Schätzung troposphärischer Ausbreitungsverzögerungen mittels zweier SAR-Bilder mit langer Apertur gelöst, das umfasst:

a) Bereitstellen zweier SAR-Erfassungen mit langer Apertur, die mit verschiedenen Geometrien vorgenommen werden, als Eingabe in das Verfahren,
b) Punkt-Target-Detektion in beiden Bildern, und
c) Defokus-Analyse für sämtliche Punkt-Targets in beiden Bildern, die für jedes Punkt-Target als Ausgang der Analyse eine Beziehung zwischen einer geschätzten Höhe und der troposphärischen Verzögerung liefert,
d) Wählen eines der Bilder als Master-Bild und des anderen als Slave-Bild,
e) danach, Durchführung der folgenden Unterschritte für jedes Punkt-Target des Master-Bilds:
e1) Abbilden des Punkt-Targets auf das Slave-Bild, wobei sein Höhen-Schätzwert aus Schritt c) bei einer Referenz-Zenit-Weg-Verzögerung und seine Abstands- und Azimut-Position berücksichtigt werden,
e2) Suche nach Kandidaten in dem Slave-Bild, die sich auf das abgebildete Punkt-Target aus dem Master-Bild beziehen könnten, und Identifizieren der Position eines Kandidaten in dem Slave-Bild, wobei mehr als ein einziger Kandidat ermittelt werden kann, und
e3) danach, Lösen eines aus vier Gleichungen bestehenden Gleichungssystems für jeden Kandidaten, wobei zwei Gleichungen die Abstands- und Azimut-Differenz zwischen der Position der abgebildeten Punkt-Targets des Master-Bilds und der Position eines ermittelten Kandidaten in dem Slave-Bild betreffen, und die anderen beiden Gleichungen die in Schritt c) hergestellte Beziehung zwischen der Höhe und troposphärischen Verzögerung der abgebildeten Punkt-Targets des Master-Bilds und einem ermittelten Kandidaten des Slave-Bilds betreffen,
f) Durchführen statistischer Schätzungen der troposphärischen Verzögerung, um für sämtliche Punkt-Targets die wahrscheinlichsten Kandidaten zu identifizieren, die dem jeweiligen abgebildeten Punkt-Target des Masters zugeordnet werden können.

Einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden für jedes Punkt-Target eines Bilds die folgenden Unterschritte durchgeführt:

– Abbilden des Punkt-Targets in das andere Bild, wobei sein Höhen-Schätzwert in dem vorherigen Schritt und seine Abstands- und Azimut-Position berücksichtigt werden,
– Suche nach Kandidaten, die sich auf das gleiche physische Punkt-Target beziehen können, wobei mehr als ein einziger Kandidat für das abgebildete Punkt-Target auftreten kann, und
– anschließend, Lösen des folgenden Gleichungssystems für jeden Kandidaten, wobei die Ergebnisse die geschätzte präzise absolute Höhe und die troposphärische Verzögerung des Targets für beide Bilder sind

Ferner werden vorzugsweise statistische Schätzungen der troposphärischen Verzögerung durchgeführt, bei denen ihr räumlicher Tiefpasscharakter und die konsequente automatische Identifikation der korrekten Targets in der Kandidaten-Wolke genutzt werden.
Das Verfahren gemäß der Erfindung basiert auf zwei SAR-Erfassungen mit langer Apertur, die mit verschiedenen Geometrien erfasst werden, d.h. mit verschiedenen Flugrichtungen und verschiedenen Einfallswinkeln. Diese beiden Bilder werden in das Verfahren eingeführt. Dann werden die folgenden Schritte vorgenommen:

• Punkt-Target-Detektion, unabhängig in beiden Bildern, und
• Punkt-Target-Defokus-Analyse. Hier wird mit dem Verfahren für jedes Punkt-Target eine Beziehung zwischen der geschätzten Höhe und der troposphärischen Verzögerung hergestellt.
• Dann werden für jedes Punkt-Target eines Bilds die folgenden Unterschritte durchgeführt: – Das Punkt-Target wird in das andere Bild abgebildet, wobei sein Höhen-Schätzwert in dem vorherigen Schritt und seine Abstands- und Azimut-Position berücksichtigt werden. – Suche nach Kandidaten, die sich auf das gleiche physische Punkt-Target beziehen können. Es kann möglicherweise mehr als ein einziger Kandidat für das abgebildete Punkt-Target auftreten. – Dann wird für jeden Kandidaten ein Gleichungssystem gelöst. Die Ergebnisse sind die geschätzte präzise absolute Höhe und die troposphärische Verzögerung des Targets für beide Bilder.
• Statistische Schätzung der troposphärischen Verzögerung, bei der ihr räumlicher Tiefpass-Charakter und die konsequente automatische Identifikation der korrekten Targets in der Kandidaten-Wolke genutzt werden.

Die beiden SAR-Erfassungen können mittels eines SAR-Systems erhalten werden, das den Bereich zweimal zu verschiedenen Zeitpunkten und mit verschiedenen Geometrien erfasst, oder mittels zweier SAR-Systeme, welche das Gebiet mit verschiedenen Geometrien abdecken. Gemäß der Erfindung sind mit einer "langen SAR-Apertur" diejenigen gemeint, die eine Auflösung unterhalb von zwei Metern erbringen, während "mit verschiedener Geometrie" auf verschiedene Flugrichtungen und verschiedene Einfallswinkel verweist. Hier sind die "verschiedenen Flugrichtungen" in dem Sinn zu verstehen, dass sie sich mindestens um ein Zehntel Grad voneinander unterscheiden, und die "verschiedenen Einfallswinkel" sind in dem Sinn zu verstehen, dass sie sich mindestens um ein Grad voneinander unterscheiden. Beide Unterschiede, d. h. die verschiedenen Flugrichtungen und die verschiedenen Einfallswinkel sind für ein System im X-Band und mit Azimut- und Abstands-Auflösungen von weniger als einem Meter definiert. Bei Systemen mit anderen Charakteristiken sollten die Unterschiede bei Flugrichtung und Einfallswinkel entsprechend skaliert sein. Solche Skalierungen und Anpassungen sind recht einfach und nichts ungewöhnliches im Bereich der Interferometrie bzw. Radar-Grammetrie. Die kleinstmöglichen Unterschiede in der Flugrichtung sollten linear mit der Azimut-Auflösung des Radars gewählt werden, während die kleinstmöglichen Unterschiede im Einfallswinkel linear skaliert sein sollten mit der Entfernungsauflösung des Radars. Das bedeutet, dass beispielsweise bei einem SAR-System mit 20 cm × 20 cm-Auflösung lediglich die Hälfte der Winkeldifferenzen im Vergleich zu einem System mit 40 cm × 40 cm-Auflösung benötigt wird.
Der innovative Aspekt der Erfindung besteht in einer Reduzierung der Anzahl oder Menge verwendeter Bilder, der absoluten Höhenableitung, der absoluten radargrammetischen Abgleichung, ohne dass irgendeine A-priori-Annahme erfolgt, und der Ableitung der absoluten Signalweg-Verzögerungen für beide Erfassungen.
Die Erfindung lässt sich durch die folgende Kombination von Merkmalen charakterisieren:

– Nutzung der geometrischen Diversität langer SAR-Aperturen,
– mit nur zwei Bildern erfolgende kombinierte Schätzung sämtlicher involvierter Parameter (Punkt-Target-Höhe und troposphärische Verzögerungen in beiden Erfassungen),
– keine Notwendigkeit irgendeines Bodenkontrollpunkts,
– automatische Abgleichung von Punkten in den beiden Erfassungen ohne irgendeine A-priori-Annahme eines urbanen Modells.

Mit der Erfindung werden die oben aufgeführten ersten vier Punkte wie folgt realisiert:

1) Es wird lediglich ein minimale Anzahl von zwei Bildern benötigt, die mit verschiedenen Geometrien erfasst werden. Dies bedeutet eine Kostenreduzierung und eine Erfassungszeitspanne, die sogar bei derzeitigen satellitengestützten SAR-Systemen weniger als eine Woche betragen kann.
2) Es besteht absolut keine Notwendigkeit von Bodenkontrollpunkten.
3) Bei der vorgeschlagenen Erfindung werden die Weg-Verzögerungen ohne Bedarf an externer Information berechnet.
4) Bei der vorgeschlagenen Erfindung erfolgt eine automatische Identifizierung von Punkt-Targets in den beiden Abbildungs-Geometrien ausschließlich auf der Basis von Radarsignaleigenschaften. Insbesondere besteht kein Erfordernis von Anpassungs-Algorithmen wie denjenigen, die bei der Computer-Sichterfassung verwendet werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen detaillierter erläutert. Es zeigen:
1 ein Flussdiagramm des vorgeschlagenen Verfahrens,
2 ein Beispiel der Ermittlung einer Höhe durch PT-Analyse unter Annahme verschiedener troposphärischer Verzögerungen auf dem Meerespegel,
3 ein Schema der Kandidatensuche in dem Slave-Bild für ein Punkt-Target in dem Master-Bild,
4(a) und (b) ein Beispiel zweier Erfassungen mit verschiedenen Einfallswinkeln, (a) 36° und (b) 54°, an der gleichen Gebäudefassade,
5(a) und (b) einen gewählten Punkt, der in dem Master-Bild (a) durch einen weißen Kreis markiert ist, und seine Kandidaten (b), die ebenfalls durch weiße Kreise markiert sind. Der Kandidaten-Suchbereich ist durch weiße Punkte markiert. Die Abbildung des Punkt-Targets, die auf der Basis der gegebenen A-priori-Höhe aus der Autofokus-Analyse unter Annahme der Referenz-ZPD, und der gegebenen der Abstands- und Azimut-Master-Projektion vorliegt, ist durch einen weißen Diamanten markiert.
6 ein 2D-Histogramm für sämtliche Kandidaten-Lösungen von ZPD_M und ZPD_S, und
7(a) und (b) einen das vorliegende Beispiel betreffenden Vergleich zwischen den bei Verwendung der vorliegenden Erfindung erhaltenen Höhen und den zu erwartenden Höhen, die aus LiDAR-Messungen abgeleitet werden.
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
In 1 ist ein Blockschaltbild einer vorgeschlagenen Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung gezeigt. Die in dieses Verfahren einzubringenden Werte bestehen in nur zwei satellitengestützten SAR-Bildern mit langen Aperturen und verschiedenen Geometrien. Der Erfassungs-Einfallswinkel beider SAR-Bilder muss signifikant unterschiedlich sein, und zwar mit einer Differenz in der Größenordnung von mindestens einem Grad. Zu beachten ist ferner, dass aufgrund der verschiedenen Erfassungsgeometrien die Erfassungen auch einen leicht unterschiedlichen Steuerkurswinkel des die SAR-Antennen tragenden Flugkörpers aufweisen sollten. Vorrangig werden sämtliche möglichen Punkt-Targets in beiden Bildern unabhängig identifiziert.
Von nun an soll ein Bild als Referenz gesetzt werden, und dieses wird als Master bezeichnet. Das andere Bild wird als Slave bezeichnet. Dann wird jedes Punkt-Target von jedem Bild anhand einer Azimut-Defokussierung analysiert. Bei dieser Analyse wird die Defokussierung in Bezug zu der Höhe und der troposphärischen Verzögerung des Punkt-Targets gesetzt.
Es besteht eine Kopplung zwischen der Höhe und der troposphärischen Verzögerung. Eine nicht berücksichtigte troposphärische Verzögerung während der SAR-Fokussierung hat den gleichen Effekt wie die Annahme einer falschen Höhe. Basierend auf der Defokus-Analyse besteht somit die Möglichkeit, einen Höhen-Schätzwert für jedes Punkt-Target als Funktion seiner troposphärischen Verzögerung zu erhalten. Der Ausdruck für die Verknüpfung zwischen Höhe und troposphärischer Verzögerung für ein Punkt-Target in dem Master-Bild ist hochgradig linear. Er hat folgende Form: h M / ref = h + α^M·(ZPD_M – ZPD_ref) (1)
Hier bezeichnet h die wahre absolute Höhe des Targets, h M / ref die Höhe, die aus dem Autofokus des Master-Bilds unter Annahme einer Referenz-Troposphären-Zenith-Weg-Verzögerung (ZPD) erhalten wird, ZPD_M die wahre ZPD für das Target während der Master-Erfassung, ZPD_ref die Referenz-ZPD und α^M den linearen Koeffizienten für das Master-Bild. 2 zeigt die absolute Höhe, die aus dem Autofokus für ein bestimmtes Punkt-Target (PT) abgeleitet wird. Wie ersichtlich ist, steht die erhaltene Höhe in linearer Abhängigkeit von der ZPD auf dem Meerespegel.
Von nun an beziehen sich, da die troposphärische Verzögerung in der Höhe beträchtlich schwanken kann, und zwar in der Größenordnung von 2–3 cm bei einer Höhe von 100 m, die Terme ZPD_M, ZPD_S und ZPD_ref auf eine konstante Referenzhöhe. Der Übergang der ZPD von einer Höhe zu einer anderen kann unter Verwendung einer der verfügbaren Modelle zur troposphärische Verzögerung erfolgen. Das Durchführen dieses Schritts ist optional. Falls er nicht durchgeführt wird oder nicht korrekt durchgeführt wird, verschlechtert er den Automatching-Schritt, doch dies ist nicht kritisch.
Der nächste Schritt wird für jedes PT in dem Master-Bild durchgeführt. Jedes Target wird in die Slave-Geometrie abgebildet, wobei seine Abstands- und -Azimut-Master-Position und die abgeleitete Höhe für die Referenz-ZPD berücksichtigt werden. Dann erfolgte eine Suche nach PT-Kandidaten in dem Slave-Bild, das sich auf das gleiche Target bezieht. Im Idealfall, wenn kein Einfluss der unberücksichtigten troposphärischen Verzögerung besteht, sollte das entsprechende Punkt-Target in dem Slave-Bild entlang einer Linie erscheinen. Zu beachten ist, dass diese Line aufgrund der zwischen den Erfassungen bestehenden Steuerkurswinkel-Differenz nicht parallel zu der Abstands-Richtung verläuft. Ihre Richtung ist eine Kombination zwischen Abstand und Azimut. Die möglichen Werte der troposphärischen ZPD können in sinnvoller Weise eingeschränkt werden. Beispielsweise kann ein zweckmäßiger Suchbereich für eine troposphärische ZPD auf dem Meerespegel von 2,3 bis 3 Meter betragen. Unter Berücksichtigung dieser möglichen Abweichung der ZPD und des Autofokus-Höhenfehlers ist es möglich, einen Bereich zu bestimmen, in dem das Punkt-Target in dem Slave-Bild erscheinen sollte. Die PTs aus dem Slave-Bild, die in diesen Bereich fallen, sind die Kandidaten. 3 zeigt den Vorgang des Abbildens eines PT aus dem Master-Bild auf das Slave-Bild und des Suchens nach seinen passenden Kandidaten.
Der nächste Schritt besteht dann im Lösen eines linearen Gleichungssystems für jeden Kandidaten. Das Gleichungssystem besteht aus vier Gleichungen. Zwei von ihnen betreffen den Azimut- und Abstands-Versatz (ΔRg & ΔAz) zwischen den Positionen des abgebildeten Punkts des Masters und eines Kandidaten. Die anderen beiden betreffen die Verknüpfung zwischen der Punkt-Target-Höhe und der troposphärischen Verzögerung in der Master- und Slave-Erfassung, wie in (1) beschrieben wurde. Somit kann das Gleichungssystem ausgedrückt werden durch
Hier können K_Rg, K_Az, β M / Rg , β S / Rg , β M / Az , α^M and α^S als konstante Parameter angesehen werden, und sie können numerisch berechnet oder theoretisch abgeleitet werden. Ferner beziehen sich h M / ref und h S / ref auf die Höhe, die aus der Punkt-Target-Defokus-Analyse für Master- und Slave-Bilder erhalten wird, welche jeweils bei einer gegebenen Referenz-ZPD, d.h. ZPD_ref, vorliegen. Das Gleichungssystem besteht aus vier Gleichungen und enthält drei Unbekannte, die Höhe des Targets und seine troposphärischen Verzögerungen für Master- und Slave-Erfassungen, d.h. h, ZPD_M bzw. ZPD_S. Da die Gleichungen nicht linear abhängig sind, ist es möglich, eine Lösung zu finden und die Unbekannten zu erschließen. Das Problem an diesem Punkt besteht darin, dass möglicherweise mehrere Kandidaten für jedes i-tes im Test befindliches Master-PT existieren. 4 zeigt ein Beispiel zweier SAR-Erfassungen im TerraSAR-X-Staring-Spotlight-Modus, die an einer Gebäudefassade unter zwei verschiedenen Einfallswinkeln vorgenommen werden, wobei sich (a) auf das Master-Bild mit einem Einfallswinkel von 36° bezieht, während (b) das unter 54° erfasst Slave-Bild betrifft.
Dieses Szenario ist hier gezeigt, um das Verständnis des beschriebenen Verfahrens gemäß der Erfindung zu erleichtern. 5 zeigt ein Beispiel der Suche nach Kandidaten an einem gewählten Punkt in dem Master-Bild. In dem Master-Bild, 5(a), ist der gewählte Punkt durch einen weißen Kreis markiert. Das Mapping des in dem Master-Bild detektierten Punkt-Targets auf die Slave-Geometrie ist (im Slave) durch einen weißen Diamanten markiert, 5(b). Bei einer derartigen Abbildung zusammen mit den Master-Koordinaten (Abstand und Azimut) wird die in der Autofokus-Analyse abgeleitete Höhe genutzt (wobei auf dieser ersten Stufe eine Referenz-ZPD angenommen wird). Der Suchbereich, bei dem die abgeleitete Autofokus-Höhe, ihre Präzision und zweckmäßige mögliche Werte troposphärischer Verzögerungen für Master und Slave berücksichtigt sind, ist in dem Slave-Bild, 5(b), durch weiße Punkte markiert. In dem Slave-Bild, 5(b), erscheinen zwei Kandidaten, die weiße Kreise markiert sind.
Das vorgeschlagene Verfahren gemäß der Erfindung besteht im Lösen des Gleichungssystems für sämtliche der möglichen Kandidaten für jedes gewählte PT in dem Master-Bild. Anschließend ist es möglich, das räumliche Verhalten der troposphärischen Verzögerung zu nutzen, um festzustellen, welche Kandidaten die wirklichen Punkt-Targets aus dem Master-Bild sind. Die troposphärische Verzögerung unterliegt einer leichten Schwankung in der horizontalen Ebene (d.h. sie hat eine Tiefpasscharakteristik). Dieser Effekt wird in dem vorliegenden Verfahren ausgenutzt, um das Automatching zu erzielen. Die horizontale Schwankung der troposphärischen Verzögerung kann bei Distanzen von wenigen hundert Metern als vernachlässigbar angesehen werden.
Sämtliche der gefundenen Lösungen der ZPD für Master und Slave werden innerhalb eines relativ kleinen räumlichen Fensters zusammen für sämtliche Kandidaten analysiert. 6 zeigt das 2D-Histogramm der ZPD an der Referenzhöhe für Master- und Slave-Erfassungen für den oben erwähnten Fall der Fassade. Aufgrund des regelmäßigen Musters der Punkt-Targets in der Fassade ergeben sich in diesem Fall drei Haupt-Gauß-Verteilungen. Es existiert jedoch eine Verteilung, die sehr viel mehr Energie aufweist. Hier wurde eine bestimmte Fassade gewählt, die irgendeiner Punkt-Target-Muster-Verteilung folgt. Normalerweise zeigt bei einem mehr heterogenen Test das erwartete 2D-Histogramm eine Gauß'sche Verteilung, die von Rauschen umgeben ist. Die Rausch-Energie ist abhängig von der Punkt-Target-Dichte der Szene. Somit kann, wenn dieser Punkt erreicht ist, das Problem als klassisches Radar-Problem eines CFAR (Constant False Alarm Rate) gelöst werden. Die Kandidaten, bei denen sich eine ZPD-Lösung für Master und Slave ergibt, die um die Hauptverteilung herum liegt, sind dann diejenigen, die tatsächlich den Punkt-Targets in dem Master-Bild entsprechen.
So ist das Verfahren schließlich in der Lage, ein Automatching von Punkt-Targets zwischen Master- und Slave-Bildern durchzuführen und die Höhe und die troposphärische Verzögerung des Punkt-Targets für beide Erfassungen abzuleiten.
Als letztes Beispiel zeigt 7 für das vorliegende Beispiel einen Diagramm-Vergleich zwischen den bei Anwendung der vorgeschlagenen Erfindung erhaltenen Höhen und den zu erwartenden aus LiDAR-Messungen abgeleiteten Höhen. Die Standardabweichung zwischen beiden beträgt lediglich 15,7 cm.
Das hier beschriebene Verfahren gemäß der Erfindung ist geeignet zum Erhalt präziser Voll-3D-Positioinierungen bei Verwendung lediglich zweier SAR-Erfassungen mit langer Apertur.
Eine direkte kommerzielle Verwendung für dieses Verfahren besteht in der 3D-Abbildung von Städten. Die Daten können bereits innerhalb weniger Tage erfasst werden und es besteht keine Notwendigkeit irgendeiner Bodenbeobachtung; sämtliche Vorgänge können aus der Ferne und mit geringem Kostenaufwand vorgenommen werden. Die vorgeschlagene Methodik ist auch anwendbar zur Analyse von Eigenschaften einer Stadt wie z.B. Bebauungsdichte, Gebäudehöhenverteilung, unbebaute Bereiche etc. Durch wiederholte Beobachtung kann die Entwicklung der urbanen Struktur schnell beobachtet werden.
Die abgeleitete troposphärische Verzögerung kann zur Wettervorhersage, zur Verbesserung von Wettermodellen und für andere SAR-Verarbeitungs-Produkte angewandt werden, bei denen die Schätzung troposphärischer Verzögerungen eine wichtige Rolle spielt, z.B. für Persistent-Scatterer-Interferometrie-(PSI)Produkte.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Perissin, D.; Rocca, F., "High-Accuracy Urban DEM Using Permanent Scatterers," Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 44, no. 11, pp. 3338, 3347, Nov. 2006 (doi: 10.1109/TGRS.2006.877754) [0003]
Gernhardt, Stefan, and Bamler, Richard. "Deformation monitoring of single buildings using meterresolution SAR data in PSI." ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing 73 (2012): 68–79 [0004]
Goel, K.; Adam, N., "Three-Dimensional Positioning of Point Scatterers Based on Radargrammetry," Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 50, no. 6, pp. 2355,2363, June 2012 (doi: 10.1109/TGRS.2011.2171975) [0005]
Xiao Xiang Zhu; Bamler, R., "Superresolving SAR Tomography for Multidimensional Imaging of Urban Areas: Compressive sensing-based TomoSAR inversion," Signal Processing Magazine, IEEE, vol. 31, no. 4, pp. 51,58, July 2014 (doi: 10.1109/MSP.2014.2312098) [0006]
Eineder, M.; Minet, C.; Steigenberger, P.; Xiaoying Cong; Fritz, T., "Imaging Geodesy-Toward Centimeter-Level Ranging Accuracy With TerraSAR-X," Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions on, vol. 49, no. 2, pp. 661,671, Feb. 2011 (doi 10.1109/TGRS.2010.2060264) [0009]
Balss, Ulrich; Gisinger, Christoph; Cong, Xiao Ying; Brcic, Ramon; Hackel, Stefan; Eineder, Michael, "Precise Measurements on the Absolute Localization Accuracy of TerraSAR-X on the Base of Far-Distributed Test Sites," EUSAR 2014; 10th European Conference on Synthetic Aperture Radar; Proceedings of, vol., no., pp. 1,4, 3–5 June 2014 [0009]
Duque, S.; Breit, H.; Balss, U.; Parizzi, A., "Absolute Height Estimation Using a Single TerraSAR-X Staring Spotlight Acquisition," Geoscience and Remote Sensing Letters, IEEE, vol.PP, no. 99, pp. 1,5 (doi: 10.1109/LGRS.2015.2422893) [0010]

Claims

Verfahren zur automatischen dreidimensionalen Geolokation von SAR-Targets und gleichzeitigen Schätzung troposphärischer Ausbreitungsverzögerungen mittels zweier SAR-Bilder mit langer Apertur, mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen zweier SAR-Erfassungen mit langer Apertur, die mit verschiedenen Geometrien vorgenommen werden, als Eingabe in das Verfahren, b) Punkt-Target-Detektion in beiden Bildern, und c) Defokus-Analyse für sämtliche Punkt-Targets in beiden Bildern, die für jedes Punkt-Target als Ausgang der Analyse eine Beziehung zwischen einer geschätzten Höhe und der troposphärischen Verzögerung liefert, d) Wählen eines der Bilder als Master-Bild und des anderen als Slave-Bild, e) danach, Durchführung der folgenden Unterschritte für jedes Punkt-Target des Master-Bilds: e1) Abbilden des Punkt-Targets auf das Slave-Bild, wobei sein Höhen-Schätzwert aus Schritt c) bei einer Referenz-Zenit-Weg-Verzögerung und seine Abstands- und Azimut-Position berücksichtigt werden, e2) Suche nach Kandidaten in dem Slave-Bild, die sich auf das abgebildete Punkt-Target aus dem Master-Bild beziehen könnten, und Identifizieren der Position eines Kandidaten in dem Slave-Bild, wobei mehr als ein einziger Kandidat ermittelt werden kann, und e3) danach, Lösen eines aus vier Gleichungen bestehenden Gleichungssystems für jeden Kandidaten, wobei zwei Gleichungen die Abstands- und Azimut-Differenz zwischen der Position der abgebildeten Punkt-Targets des Master-Bilds und der Position eines ermittelten Kandidaten in dem Slave-Bild betreffen, und die anderen beiden Gleichungen die in Schritt c) hergestellte Beziehung zwischen der Höhe und troposphärischen Verzögerung der abgebildeten Punkt-Targets des Master-Bilds und einem ermittelten Kandidaten des Slave-Bilds betreffen, f) Durchführen statistischer Schätzungen der troposphärischen Verzögerung, um für sämtliche Punkt-Targets die wahrscheinlichsten Kandidaten zu identifizieren, die dem jeweiligen abgebildeten Punkt-Target des Masters zugeordnet werden können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erwähnte Gleichungssystem wie folgt beschrieben werden kann:
wobei – die ersten und zweiten Gleichungen die Abstands- und Azimut-Differenzen jeweils zwischen den abgebildeten Punkt-Targets aus dem Master-Bild und der Kandidaten-Position in dem Slave-Bild betreffen, – die dritten und vierten Gleichungen die Beziehung betreffen, die aus der Punkt-Target-Defokus-Analyse zwischen Höhe und troposphärischer Verzögerung für die Punkt-Targets der Master- bzw. Slave-Bilder abgeleitet wird, – K_Rg, K_Az, β M / Rg , β S / Rg , β M / Az , α^M und α^S die Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Messwerten und den verschiedenen Unbekannten repräsentieren und numerisch berechnet oder abgeleitet werden können, – h M / ref und h S / ref die Höhe betreffen, die aus der Punkt-Target-Defokus-Analyse für die Punkt-Targets des Master- und des Slave-Bilds erhalten wird, welche sich basierend auf der Referenz-Zenit-Weg-Verzögerung, d.h. ZPD_ref ergeben, – das Gleichungssystem aus vier Gleichungen besteht und drei Unbekannte hat, nämlich die Höhe des Punkt-Targets und seine troposphärischen Verzögerungen für das Master- und das Slave-Bild, d.h. h, ZPD_M bzw. ZPD_S, – wobei, da die Gleichungen nicht linear abhängig sind, es möglich ist, die Gleichungen zu lösen und die Unbekannten zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer "langen SAR-Apertur" solche Aperturen gemeint sind, die eine Auflösung von weniger als zwei Metern erlauben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die verschiedenen Geometrien auf verschiedene Flugrichtungen und verschiedene Einfallswinkel beziehen, wobei sich die verschiedenen Flugrichtungen mindestens um ein Zehntel Grad voneinander unterscheiden und sich die Einfallswinkel mindestens um ein Grad voneinander unterscheiden, und dass diese beiden Unterschiede für ein System im X-Band und mit Azimut- und Abstands-Auflösungen von weniger als einem Meter definiert sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem SAR-System mit anderen Charakteristiken die Unterschiede in Flugrichtung und Einfallswinkel entsprechend skaliert sind.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese beiden Unterschiede mit der Azimut- und Entfernungsauflösung des SAR-Systems jeweils linear skaliert werden.