Wissenschaftliche Anforderungen
Genaue Informationen über die Erdoberfläche sind in allen geowissenschaftlichen Bereichen von grundlegender Bedeutung. Zum Beispiel werden in der Ökologie die Abhänigkeiten zwischen allen Lebensformen und ihrer Umgebung wie Boden, Wasser, Klima und Landschaft untersucht - alle diese Bereiche werden von der Topographie beeinflusst.
DEMs können von einer Vielzahl von Missionen abgeleitet werden. Das daraus resultierende Mosaik von Daten aus verschiedenen Quellen mit einer Vielzahl von horizontalen und vertikalen Daten, Genauigkeiten, Formaten, Kartenprojektionen, Zeitunterschieden und Auflösungen ist jedoch kaum ein einheitlicher und zuverlässiger Datensatz. Die SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) war der erste Schritt, um die Anforderungen der wissenschaftlichen Gemeinschaft an ein homogenes, äußerst zuverlässiges DEM zu erfüllen, das den DTED 2-Spezifikationen entspricht. Viele wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen erfordern jedoch eine höhere Genauigkeit, die dem DTED 3-Standard entspricht (12 m Lage- und < 2 m Höhengenauigkeit), vergleichbar mit DEMs, die von hochauflösenden luftgestützten SAR-Systemen erzeugt werden.
TanDEM-X wird einen konsistenten und zuverlässigen DEM-Datensatz mit globaler Abdeckung erzeugen, der eine wesentlich verbesserte räumliche und Höhenauflösung aufweist. Die Forschung zu neuen Anwendungen deckt zahlreiche Bereiche ab, wie z.B. Hydrologie (Eis und Schnee, Feuchtgebiete, Morphologie und Überschwemmungen), Geologie (geologische Kartierung, Tektonik, Vulkane und Erdrutsche), Landumgebung (Kartographie, städtische Gebiete, Katastrophen- und Krisenmanagement, Navigation, Archäologie und Erkennung von Veränderungen) sowie erneuerbare Ressourcen (Landnutzungskartierung, Land-, Forst- und Grünlandwirtschaft).
TanDEM-X wird in der Lage sein, die Geschwindigkeit von sich bewegenden Objekten mit hoher Genauigkeit zu messen, z.B. für die Überwachung von Meeresströmungen und Meereisverschiebungen in großem Maßstab. TanDEM-X wird die Potenziale und Herausforderungen nutzen, die mit neuen SAR-Techniken verbunden sind, z.B. bi-statische Mehrwinkel-Bildgebung, digitale Strahlformung, polarimetrische SAR-Interferometrie und Superauflösung.Der wissenschaftliche Nutzen wurde durch einen Fragebogen bestätigt, der an eine große Anzahl von Wissenschaftlern verteilt wurde. Viele der Wissenschaftler sind Endnutzer und haben eine lange Erfahrung mit der Auswertung von SRTM- und SIR-C/X-SAR-Daten. Im Folgenden finden Sie eine Zusammenfassung der ausgewählten wissenschaftlichen Anwendungen hinsichtlich ihrer Bedürfnisse und ihres Mehrwerts.
Hydrologie: Genaue Karten der Oberflächentopographie sind eine Voraussetzung für die Überwachung und Modellierung der Gletschermassenbilanz, der Wechselwirkungen zwischen Gletscher und Klima und des Abflusses aus Gletscherbecken. Darüber hinaus würden zeitliche Veränderungen der Gletschertopographie über mehrere Jahre hinweg detaillierte und einzigartige Informationen über die mehrjährige Gletschermassenbilanz mit nahezu globaler Abdeckung liefern, die bisher unbekannt sind. Das Absenken der Oberfläche von sich zurückziehenden Gletschern kann bis zu einigen Metern pro Jahr betragen und ist daher durch Zeitreihen der Oberflächentopographie gut zu erkennen. Aufgrund der geringen X-Band-Durchdringung wird TanDEM-X einen einzigartigen Datensatz über die Veränderungen der Gletschermasse und den Beitrag des Meeresspiegels aufgrund des Gletscherrückgangs liefern.
Forstwirtschaft: Die hochauflösende Radarinterferometrie ermöglicht die Bewertung von dreidimensionalen Deskriptoren der Baumkronenarchitektur. Diese Deskriptoren, wie z.B. Kronengrößenstatistiken, vertikale Verteilung der Kronenschicht, Intensität des Auftretens von Lücken usw., ermöglichen die Kartierung des Stadiums der Walddegradation/-verjüngung oder die Kartierung des Mosaiks der natürlichen Regeneration. Informationen über den Waldzustand werden für die Landnutzungsplanung, die Planung der Waldsanierung, den Waldschutz, die Brandverhütung und den Naturschutz benötigt. Bessere Kenntnisse über den Waldzustand und die Möglichkeit, diesen Zustand zu überwachen oder die Stadien der natürlichen Sukzession zu beobachten, sind für Klimastudien im Zusammenhang mit der Wissenschaft des globalen Kohlenstoffkreislaufs und der Ökologie (Biodiversität) von Bedeutung. Die TanDEM-X-Mission würde eine einzigartige Technologie in Bezug auf Auflösung und zeitliche Konsistenz bieten, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Navigation: Es besteht ein Bedarf an der Entwicklung weltweiter Geländedatenbanken und damit zusammenhängender Systemprozesse für den Einsatz in sicherheitskritischen Luftfahrtanwendungen wie Enhanced Ground Proximity Warning Systems oder Synthetic Vision Systems. Die Datenbank wird auf mehreren Quellen beruhen, die zu einer konsistenten Geländedatenbank zur Unterstützung von Luftfahrtanwendungen beitragen. Die vom System unterstützte Verarbeitung wird auch zuverlässige, überprüfte und standardisierte Qualitätsparameter umfassen, die die Genauigkeit und die statistischen Anforderungen für eine konsistente, sicherheitskritische Geländedatenbank unterstützen. Das vorgeschlagene Projekt und seine technischen Ergebnisse sind ein höchst wünschenswerter Beitrag zur Verbesserung des Gesamtsystems und der Qualität zukünftiger Produkte im Rahmen der laufenden Entwicklungsarbeiten für sicherheitskritische Luftfahrt-Geländedatenbanken.
Was die sekundären wissenschaftlichen Anwendungen anbelangt, wird die along-track Interferometrie innovative Anwendungen ermöglichen. Die Interferometrie entlang der Bahn kann im so genannten Dual-Receive-Antennenmodus und/oder durch Anpassung des Abstands entlang der Bahn auf den gewünschten Wert durchgeführt werden. Mit Hilfe neu entwickelter Orbit-Konzepte kann die Along-Track-Komponente von 0 bis zu mehreren Kilometern eingestellt werden.
Ozeanographie: Bislang ist weltraumgestütztes SAR das einzige Instrument, das Informationen über Wellenhöhe, Wellenausbreitungsrichtung und Wellenlänge auf globaler und kontinuierlicher Basis liefern kann. SAR ist in der Lage, Informationen über hochauflösende Windfelder zu liefern, die für küstennahe Anwendungen wie Offshore-Windparks von besonderem Wert sind. Interferometrische SAR-Daten entlang der Spur enthalten Informationen über Meeresströmungen. Strömungen sind z.B. ein wichtiger Faktor bei der Erzeugung von extremen Wellen, die für Schiffe gefährlich sein können. Die zusätzlichen Informationen über die Strömung eröffnen eine Vielzahl neuer Anwendungen, wie z.B. die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Strömung und Welle, die eine Schlüsselrolle bei der Entstehung gefährlicher Seezustände spielt.
Idenifizierung von beweglichen Zielen: In verschiedenen Anwendungen besteht Bedarf an der Erkennung von sich am Boden bewegenden Zielen und der Schätzung ihrer Geschwindigkeit. Diese herausragende Fähigkeit eines SAR-Systems mit Interferometrie entlang der Spur kann z. B. für eine großflächige Verkehrsüberwachung genutzt werden. Die Signalverarbeitung für die Anzeige von sich bewegenden Zielen in einer Tandemkonfiguration bietet ein großes Potenzial für eine genauere Schätzung der Geschwindigkeit von sich bewegenden Zielen, insbesondere durch die Kombination mit dem Dual-Empfangsantennenmodus der beiden Satelliten TSX-1 und TanDEM-X. Mit einer solchen Konfiguration können neue und mehr Algorithmen für die Schätzung der Geschwindigkeitskomponente des sich bewegenden Ziels in alle Richtungen entwickelt werden.
Im Rahmen der Nebenziele werden neue SAR-Techniken erforscht, die neue Perspektiven für zukünftige SAR-Systeme eröffnen:
Multistatischer SAR-Modus: Das Hauptziel der geplanten Untersuchungen ist es, weitere Einblicke in die Potenziale und Herausforderungen zu gewinnen, die mit multistatischen SAR-Systemen verbunden sind. In Zukunft werden kooperierende und verteilte Radarsysteme eine Fülle innovativer Abbildungsmodi bieten. Die verteilte Funktionalität im multistatischen Radar wird erschwingliche und kosteneffiziente SAR-Sensoren ermöglichen, die die heutigen monostatischen SAR-Systeme bei weitem übertreffen. Die Entwicklung eines voll funktionsfähigen multistatischen SAR-Systems erfordert weitere Untersuchungen in den Bereichen enger Formationsflug, autonome Bahnsteuerung, Instrumentensynchronisation, relative Bahnbestimmung und neue Strategien zur Missionsplanung. Darüber hinaus sind innovative Verarbeitungsalgorithmen erforderlich, um das volle Potenzial einer multistatischen Systemkonfiguration auszuschöpfen:
Superauflösung: Die von zwei Satelliten empfangenen Signale weisen für jeden Streupunkt am Boden unterschiedliche Aspektwinkel auf. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um eine feinere Auflösung als die nominale zu erreichen, indem die empfangenen Signale kohärent kombiniert werden. Das Produkt eines solchen Verfahrens wären SAR-Bilder mit erhöhter Auflösung - Superauflösung. Es besteht die Notwendigkeit, angepasste Signalverarbeitungswerkzeuge zu entwickeln, um einzelne Reflektoren oder Cluster zu trennen oder zu extrahieren, die (im Vergleich zur Bildauflösungszelle) nahe beieinander liegen, wobei ihre Phase so weit wie möglich erhalten bleibt. Diese Algorithmen könnten dann auf Strukturen wie Gebäude, Strommasten, Brücken usw. (auch "Mikroreliefs" genannt) angewandt werden, um ein besseres Verständnis ihres Beitrags (insbesondere 3D und Mehrwege) und ihrer Interaktion mit dem Hintergrund (z.B. für die Messung der Höhe von Hindernissen) zu erhalten.
Polarimetrische SAR-Interferometrie: Die DEM-Optimierung unter Verwendung von Polarisationsdiversität hilft, die interferometrische Phasenvarianz zu minimieren und somit qualitativ hochwertige Interferogramme sowie hochauflösende DEMs über Landflächen zu erhalten. Die Schätzung der Vegetationsverzerrung in der X-Band-SAR-Interferometrie und deren Integration mit Daten anderer Sensoren (L-Band-SAR aus der Luft und aus dem Weltraum) ist nützlich, um Karten von Vegetationsstrukturparametern wie Höhe, Schichtung der Baumkronen usw. zu erstellen. Diese Anwendungsprodukte erfordern einen Sensor, der quasi eine polarimetrische SAR-Interferometrie in einem Durchgang durchführen kann. Die verbesserte Leistung der DEM-Qualität durch Polarimetrie wird für die Erzielung des hochauflösenden DEMs von zentraler Bedeutung sein, und die kurze Zeitspanne zwischen den Erfassungen wird den Kohärenzverlust durch zeitliche Effekte minimieren.
TanDEM-X ermöglicht es, das Verständnis und die Algorithmen für verschiedene wissenschaftliche Bereiche zu verbessern und wird dazu beitragen, zukünftige, voll funktionsfähige Produkte zu erzeugen.