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Precise 3-D localization and simulation of topographic objects in synthetic aperture radar images
Saeed, Adnan
The geometric localization accuracy for Terrasar-X resulting due to very precise orbit determination is a prominent feature in the current generation of SAR satellites. If the most prominent error sources are accounted for, the 2-D position of targets can be estimated with high accuracy. Such a method is referred to as SAR geodesy. Having two such acquisitions from different orbits, a 3-D position can be retrieved by a method called stereo SAR. In a SAR image, visibility of a unique scatterer from different orbits, especially ascending and descending is not very common. To overcome this obstacle a unique designed corner reflector pair, visible in cross heading orbits is deployed and its positioning accuracy is estimated. It was demonstrated that high accuracy of satellite orbit localization can be transferred to image-based positioning not only in 2-d but also in 3-d space.
Electromagnetic surface characteristics were estimated by use of CST software of computer simulation technology, Darmstadt. A novel SAR simulation technique, using this general-purpose electromagnetic simulation software, CST, was implemented which allowed us to vary radiometric sensor characteristics as well as material properties for the modeled objects. A complete SAR processing algorithm was also implemented which processed the data that resulted from such a simulation. The developed simulator was not able to handle larger real-world objects and computational resources were depleted with manifold increase in memory requirement with a little increase in the object size. Hence only small sized objects and basic geometric shapes were simulated and tested with this simulator.
For large building and bigger man-made objects, a previously developed, direct SAR image simulation technique, was used to simulate a model from cross-directional orbits. The main goal of having different orbital directions was detection and identification of common scattering points in the SAR image obtained from different geometries. Ultimately, a better understanding of the appearance of the regular patterns in the SAR images, by the urban buildings was resulted.
Several case studies were performed for buildings in Berlin and Potsdam. Precise digital 3d models were developed using a combination optical, laser and geodetic measurements and then they were simulated. Different materials such as glass, metal, concrete and ceramic were grouped into different layers with different electromagnetic and reflection properties. The simulated phase centers were mapped onto the building facades and hence localizing the origin of the signal from the modeled structure. As predicted, corner reflections that occurred at the window corners were of strongest amplitude whereas direct and diffuse reflections were minimal. When multiple bounce reflections were considered, it revealed a regular pattern where the scatterer appeared to occur below the ground level in the SAR image, thus explaining the unknown SAR image characteristics.
Die geometrische Lokalisationsgenauigkeit für Terrasar-X, die auf einer sehr präzisen Bahnbestimmung beruht, ist ein herausragendes Merkmal der aktuellen Generation von SAR-Satelliten. Wenn die prominentesten Fehlerquellen berücksichtigt werden, kann die 2-D-Position von Zielen mit hoher Genauigkeit geschätzt werden. Eine solche Methode wird als SAR-Geodäsie bezeichnet. Wenn zwei solcher Erfassungen von verschiedenen Umlaufbahnen stammen, kann eine 3-D-Position durch eine Methode, die als Stereo-SAR bezeichnet wird, abgerufen werden. In einem SAR-Bild tritt die Sichtbarkeit eines einzigen Streuers aus verschiedenen Umlaufbahnen, insbesondere aufsteigend und absteigend, nicht sehr häufig auf. Um dieses Problem zu überwinden, wird ein neu entworfenes Eckreflektorpaar verwendet, das in Kreuzkursbahnen sichtbar ist und dessen Positionierungsgenauigkeit geschätzt wird. Es konnte gezeigt werden, dass die hohe Genauigkeit der Satellitenorbitbestimmung nicht nur im 2-d, sondern auch im 3-d-Raum auf die bildbasierte Positionierung übertragen werden kann.
Elektromagnetische Oberflächeneigenschaften wurden durch Verwendung der CST-Software der Computer-Simulationstechnik, Darmstadt, geschätzt. Eine neuartige SAR-Simulationstechnik unter Verwendung dieser allgemeinen elektromagnetischen Simulationssoftware, CST, wurde implementiert. Diese ermöglichte es uns, radiometrische Sensoreigenschaften sowie Materialeigenschaften für die modellierten Objekte zu variieren. Die resultierenden Simualtionsdaten wurden mit einem speziell dafür implementierten SAR-Verarbeitungsalgorithmus ausgewertet. Der entwickelte Simulator war nicht in der Lage, größere Objekte aus der realen Welt zu handhaben, und die Rechenressourcen wurden bereits bei einer Zunahme des Speicherbedarfs bei einer kleinen Vergrößerung der Objektgröße erschöpft. Daher wurden mit diesem Simulator nur kleine Objekte und geometrische Grundformen simuliert und getestet.
Für große Gebäude und größere künstliche Objekte wurde eine zuvor entwickelte, direkte SAR-Bild-Simulationstechnik verwendet, um ein Modell aus querverlaufenden Umlaufbahnen zu simulieren. Das Hauptziel unterschiedlicher Orbitalrichtungen war die Erkennung und Identifizierung von gemeinsamen Streupunkten im SAR-Bild, die sich aus verschiedenen Geometrien ergeben. Letztendlich wurde ein besseres Verständnis für das Erscheinungsbild der durch städtischen Gebäude verursachten regelmäßigen Muster in den SAR-Bildern möglich.
In Berlin und Potsdam wurden mehrere Fallstudien anhand von Gebäuden und Kuppeln, von denen präzise digitale 3D-Modelle durch eine Kombination von optischen, Laser- und geodätischen Messungen erstellt wurden, durchgeführt. Verschiedene Materialien wie Glas, Metall, Beton und Keramik wurden in verschiedene Schichten mit unterschiedlichen elektromagnetischen und Reflexionseigenschaften gruppiert. Die simulierten Phasenzentren wurden auf die Gebäudefassaden abgebildet und lokalisieren so den Ursprung des Signals in der modellierten Struktur. Wie vorhergesagt, hatten Eckenreflexionen, die an Fensterecken auftakten, die stärkste Amplitude, während direkte und diffuse Reflexionen minimal waren. Wenn Triple Bounce betrachtet wurde, zeigte sich ein regelmäßiges Muster, bei dem der Streuer unterhalb des Bodens im SAR-Bild auftrat, wodurch die unbekannten SAR-Bildeigenschaften erklärbar werden.
