Wavelet-Methoden in der SAR-Bildverarbeitung - Ein Wavelet-basiertesWasserstandslinienverfahren zur Topographiebestimmung im Wattenmeer (Dissertation)

Kurzfassung

Synthetisches Apertur Radar (SAR) ist ein Fernerkundungsverfahren, bei dem die Erdoberfläche mittels aktiver Radarsensoren abgebildet wird. Aufgrund des enthaltenen Speckle-Rauschens stellen SAR-Bilder hohe Ansprüche an verwendete Bildverarbeitungsverfahren. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein waveletbasierter Algorithmus entwickelt, Wasserstandslinien aus SAR-Bildern zu extrahieren. Dieser wurde anhand einer Reihe von SAR-Bildern getestet sowie mit bekannten Verfahren verglichen. Stochastische Überlegungen liefern eine theoretische Begründung des vorgestellten Algorithmus. Als mögliche Anwendung wird die Topographiebestimmung aus Wasserstandslinien erklärt. Gegeben sei ein SAR-Bild der Erdoberfläche, das eine große Wasserfläche, ein (oder mehrere) Gebiet(e) A in R2, sowie Land (R2A) abbildet. Das Bild wird im einfachsten Fall als I=µA·1A·N+ µB(1-1A)N modelliert, wobei N das (multiplikative) Speckle-Rauschen darstellt; µA und µB sind die Intensitätserwartungen von Wasser und Land. Gesucht wird der Rand dA von A (in möglichst guter Näherung). Durch Verwendung des Dichtebildes ln I=ln µA·1A+ ln µB(1-1A)+ln N wird das Rauschen additiv. ln N wird als iid-Prozess modelliert. Um dA in der Gegenwart von Speckle zu bestimmen, werden Wavelets verwendet, wobei die Speckle-Modellierung berücksichtigt wird. Dies geschieht in der vorliegenden Arbeit in folgenden Schritten: Zunächst werden die benötigten mathematischen Begriffe aus der Wahrscheinlichkeitstheorie und der Wavelet-Theorie eingeführt. Es wird eine detaillierte Einführung in die Theorie des Synthetischen Apertur Radars und die stochastischen Eigenschaften des Speckle-Rauschens gegeben, wobei auch Beispiele für den Einsatz von SAR-Sensoren aufgezeigt werden. Im Anschluss wird der entwickelte Wasserstandslinienextraktionsalgorithmus vorgestellt und die Ergebnisse seiner einzelnen Schritte für ein Beispielbild untersucht und bewertet. Generelle Untersuchungen bzgl. stochastischer Eigenschaften der Wavelet-Transformierten von Speckle-Rauschen dienen zur theoretischen Beurteilung der Verwendbarkeit von Wavelet-basierter Kantenextraktion auf SAR-Bildern. Die Validierung der Küstenlinie am Boden, aber auch Probleme und mögliche Auswege im Algorithmus, werden aufgezeigt. Abschließend werden noch weitere Algorithmen zur Wasserstandslinienextraktion und Topographiegewinnung vorgestellt und mit dem hier beschriebenen verglichen. Im Anhang werden einige mathematische Herleitungen und Beispiele gegeben, eine weitere Anwendung der Kantenextraktion aufgezeigt und einige Quellcodes abgedruckt.