Automatische Bildauswertung zur Detektion von Schiffen auf Basis von Daten eines hochaufgelösten Radars mit synthetischer Apertur - TerraSAR-X

Kurzfassung

Mit dem Start des Satelliten Seasat in 1978 konnte erstmals nachgewiesen werden, das Schiffe durch Radar mit synthetischer Apertur (SAR) aus dem Weltall abgebildet werden können [17]. Seasat befand sich zwar nur rund 100 Tage im Einsatz, weckte aber das Interesse an SAR-Ozeanografie. Die Systeme ERS-1, ERS-2 und Envisat-ASAR, welche allesamt von der europäischen Weltraumbehörde ESA betrieben werden, starteten zwischen 1991 und 2002. ERS-1 ist seit 2000 nicht mehr im Einsatz. Alle diese Satelliten werden im C-Band betrieben und besitzen eine Auflösung von ca. 8 bis 20 m. Der neue deutsche Satellit TerraSAR-X wurde, wie sein Name es bereits vermuten lässt, eigentlich für Landanwendungen entworfen. Er eignet sich jedoch auch für ozeanografische Anwendungen und liefert mit seiner Auflösung von bis zu 1 m neue Einblicke in die Struktur der Meeresoberfläche. Die hohe Auflösung ermöglicht neben der Detektion von Schiffen zusätzlich eine zuverlässige Bestimmung der Schiffsparameter. Abbildung 1.1 verdeutlicht den Auflösungsunterschied zwischen ERS-2, Envisat und TerraSAR-X. In den letzten Jahren nahm das Interesse an der Überwachung des Schiffsverkehrs durch SAR immer weiter zu. Illegale Einwanderung, Piraterie, Schmuggel und Fischerei sind die für die Europäische Union treibenden Anwendungsgebiete. Dies wird durch das Projekt MARISS [11] verdeutlicht. Ziel ist die Kombination verschiedenster Systeme zu einer lückenlosen Überwachungskette, eine Übersicht gibt Abbildung 1.2. An MARISS ist neben einer Reihe von europäischen Partnern aus Wissenschaft und Industrie auch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt beteiligt. Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen ein echtzeitfähiges Schiffsdetektionssystem für Daten des deutschen Satelliten TerraSAR-X entworfen, implementiert, installiert und evaluiert. Derzeit befindet sich die Software in der Near Real Time (NRT) Kette der DLR eigenen Empfangsstation Neustrelitz im Einsatz. Das System ist hier in der Lage die empfangenen Satellitendaten operationell zu prozessieren und das Ergebnis direkt an den jeweiligen Nutzer auszuliefern. Auf der Anwenderseite arbeitet das DLR hier mit der Bundespolizei See, der Marine und weiteren Nutzern eng zusammen. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in vier Teile, zuerst wird in Kapitel 2 die Abbildung durch Radar mit synthetischer Apertur (SAR) detalliert beschrieben. Hier wird besonders auf die Details der Abbildung von Schiffen und der Wasseroberfläche durch SAR eingegangen. Am Ende dieses Kapitels findet sich eine Beschreibung des SAR Sensors von TerraSAR-X. Kapitel 3 beschäftigt sich mit der Theorie hinter ausgewählten Algorithmen zur Detektion von Schiffen auf SAR Daten. Die Theorie der Abbildung durch SAR und der Algorithmen zur Schiffsdetektion endet anschließend in Kapitel 4 Anwendung. Hier beginnt der Praxisteil der vorliegenden Diplomarbeit mit der Analyse der Nutzeranforderungen, über das Systemdesign bis hin zur Entwicklung und Implementierung der eingesetzen Algorithmen. Es wird ein neues Verfahren zur Berechnung der Schiffparameter Länge, Breite und Heading aus SAR Daten vorgestellt. Was das System in der Praxis zu leisten vermag wird im darauf folgenden Kapitel eingehend untersucht, anhand der Daten des Automatischen Indentifikations Systems (AIS), optischer Daten und dem menschlichen Auge werden die Detektionsergebnisse evaluiert.