Aktuelle Entwicklungen und Perspektiven der luft- und satellitenbasierten Datenerfassung und -auswertung - Carolin Lange, Marc Wieland Deutsches ...

Aktuelle Entwicklungen und Perspektiven der
luft- und satellitenbasierten Datenerfassung und -auswertung
Carolin Lange, Marc Wieland

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum (DFD)

Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation

    Datenbereitstellung
    Analyse von Fernerkundungsdaten
          bei Natur- und Umweltkatastrophen
          für humanitäre Hilfsaktivitäten und
          für die zivile Sicherheit
    24 Stunden / 7 Tage Bereitschaft (12/5 Kartierung)
    Training und Fachschulungen
    Unterstützung von Zivilschutz-Übungen
    Forschung und Methodenentwicklung
    Operationelle Services

Seit 1999 wurden durch den ZKI-Service
    über 400 Aktivierungen & Trainings durchgeführt
    mehr als 1000 Produkte generiert
    über 200 Aktivierungen für die Internationale Charta
     „Space and Major Disasters“ mit Daten beliefert
    über 100 Anfragen zu Maritime Sicherheit bearbeitet
                                                  www.DLR.de • Folie 2

Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation

Einbindung im nationalen und internationalen Kontext

Deutschland                Europa                     Global
 Bereitstellung der      Beteiligung am          DLR-Mitgliedschaft in
ZKI-Dienstleistungen      Copernicus               der „International
    für nationale          Emergency              Charter Space and
   Bedarfsträger       Management Service          Major Disasters“

                                                             www.DLR.de • Folie 3

Hochwasser im Fokus

   ZKI-Aktivierungen (seit 2002): Regionen und Katastrophenarten (www.zki.dlr.de)

                                                                           www.DLR.de • Folie 4

Satelliten-basierte Krisenkartierung
                                   Aktivierung
                                   Situationsbriefing

Krise/Katastrophe          Mobilisierung                         Satellitentasking
                                                                  Archivsuche

                                                     Datenerfassung
                                                                                      Geometrische Korrektur
                                                                                      Bildverbesserung, etc.
  Planung und
  Entscheidungs-
  unterstützung                                            Vor-Prozessierung

 Weitergabe                                         Auswertung                          Informationsgewinn
                                                                                          Datenfusion
  Kooperation mit
   nationalen/lokalen
   Behörden
  Hilfsorganisationen     Kartenproduktion
  NGOs                                                             Verkürzung der Kartierungszeit;
                             Qualitätskontrolle                    Verbesserung der Produktqualität;
  Öffentlichkeit, etc.
                             Karten (gedruckt; online)             Erweiterung der Produktpalette.
                             GIS-fertige Geodaten
                             Informationsdossiers

                                                                                             www.DLR.de • Folie 5

Entwicklung satelliten-basierter Datenerfassung

           Anstieg aktiver                            Wachsende Sensorvielfalt                                   Zunehmende Globalisierung
      Erdbeobachtungsmissionen

     Auswirkungen für den Endnutzer:
      Wachsendes Datenportfolio;
      Potenziell höhere zeitliche Wiederkehrrate;
      Höhere räumliche Auflösung;
      Zunehmende politische und wirtschaftliche Unabhängigkeit;
      Zunehmend schneller, einfacher und günstiger Zugang zu Satellitendaten.

Belward, A.S.; Skøien, J.O. Who launched what, when and why; trends in global land-cover observation capacity from civilian earth
observation satellites. ISPRS J. Photogramm. Remote Sens. 2015, 103, 115–128, doi:10.1016/j.isprsjprs.2014.03.009.                  www.DLR.de • Folie 6

Ausbau der öffentlichen Satellitenflotte
                                                                    S-1: Radar für Land- und Wasserbeobachtung

                                                                    S-2: Optisch für Landbeobachtung

                                                                    S-3: Optisch/Thermisch für Meeresbeobachtung

                                                                    S-4: Spektral geostationär für Atmosphärenbeobachtung

                                                                    S-5: für Atmosphärenbeobachtung

                                                                    S-6: Multi-sensor für Meeresbeobachtung

https://www.esa.int/Our_Activities/Observing_the_Earth/Copernicus

Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
 Modernste Sensoren mit optimierten Auflösung(en);
 Anwendungs- und Nutzerbezogene Spezifikationen;
 Konstellationen für höhere zeitliche Wiederkehrrate;

    Systematische Datenerfassung und -archivierung;
    Dauerhafter Downlink für schnellen Datenzugriff
     (European Data Relay System, DLR Neustrelitz);
    Globale Abdeckung und lückenlose Zeitreihen;
    International, kostenfrei und perspektivisch.                                                 https://artes.esa.int/edrs/overview

                                                                                                              www.DLR.de • Folie 7

Ausbau der kommerziellen Satellitenflotte
                                                                 Planet Labs (USA) – aktuell
                                                                 >150 Mikro-Satelliten (CubeSat), 1-5m r. Aufl.

                                                                 SkySat (USA) – aktuell
                                                                 13 Satelliten, 0.90-2m r. Aufl., Video (90 Sek.)

                                                                 BlackSky (USA) – geplant
                                                                 60 Mikro-Satelliten bis 2020, 1m r. Aufl.

                                                                 Airbus D&S Pléiades-Neo (Europa) – geplant
                                                                 4 Satelliten bis 2020, 0.3-1.2m r. Aufl., hohe Tasking Agilität

                                                                 DigitalGlobe Legion (USA) – geplant
                                                                 >6 Satelliten bis 2020, 40 fache Abdeckung einiger Gebiete

                                                                 UrtheCast OptiSAR (Kanada) – geplant
                                                                 16 Satelliten bis 2020: 8 Paare, jeweils ein Radar- und ein
                   https://www.youtube.com/watch?v=fCrB1t8MncY
                                                                 optischer Satellit auf 2 Orbits (4 Paare pro Orbit)

Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
 Fokus auf höchste räumliche Auflösung;
 Konstellationen und schwenkbare Sensoren für
   höchste zeitliche Wiederkehrrate (Mikro-Sat., Video);

   Individuelle Datenerfassung und -archivierung;                                           Planet Scope Dove Konstellation

   Agiles Tasking und Download;
   Neue Kostenpläne und Distributionswege (Daten-Abo,
    Web-Services);
   Markt, Preise, Verfügbarkeit ändern sich.                                                                 https://earthnow.com

                                                                                                             www.DLR.de • Folie 8

Luft-basierte Datenerfassung
Echtzeitfähige Erfassung und Prozessierung                                           Katastrophen
                                                                                    Management Tool

                                                                                                                     BOS Kräfte / Lagezentren
                                                       Mobile Boden- und
                                                      Prozessierungsstation
       Echtzeitfähiges luftgestütztes
            Erfassungssystem
                                                                                          Mobiles
                                                                                         ZKI Portal

Erfassungsplattformen

 4k Kamerasystem Helikopter             UAV Schwarm                  Vision Stratosphärenplattform (DLR/Airbus Projektvorschlag)

                                                                                                             www.DLR.de • Folie 9

Luftbildauswertung
                                                         Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
                                                          Prozessierung und Auswertung in Nahe Echtzeit
                                                            (experimentell);
                                                          Objekt-Detektion (z.B. Menschenmenge, Fahrzeuge);
                                                          Objekt-Verfolgung.
                                                          Veränderungsanalyse.

                                                         Produkte
                                                          Dichteabschätzungen (z.B. Menschenmengen);
                                                          Ableitung von Objektparametern
                                                            (z.B. Bewegungsrichtung, Geschwindigkeit)
                                                          Ableitung von Verkehrsinformationen
                                                            (z.B. Verkehrsaufkommen, Parksituation);
                                                          Extraktion von Wasserflächen aus 4k Luftbildern
                                                            (in Arbeit).

   https://verkehrsforschung.dlr.de/de/projekte/vabene

                                                                                                 www.DLR.de • Folie 10

Satellitendatenprozessierung

                        Sentinel-2 Prozesskette (https://earth.esa.int)   https://sentinel.esa.in
                                                                             https://code-de.org

Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
 Vollautomatische Prozessketten von Rohdaten zu analyse-fertigen Datenprodukten für alle
   gängigen Satellitensensoren;
 Verbesserung der Prozessierungsalgorithmen (zeitlich und qualitativ);
 Veredelung von Daten in anwendungs- oder regional-spezifische Datenprodukte;
      Beispiel: Wolkenfreies monatliches Sentinel-2 Mosaik für Deutschland;
 Analyse- und Verteilungsplattformen für individuelle Prozessierung;
      Beispiel: CODE-DE (https://code-de.org).

                                                                                   www.DLR.de • Folie 11

Semi-automatische Datenauswertung
                                 Elbe/Havel:
                                 Elbe/Havel: 03-08-2013
                                             26-06-2008
                                             06-06-2013
                                             09-06-2013
                                             10-06-2013
                                             12-06-2013
                                             15-06-2013
                                             18-06-2013
                                             23-06-2013
                                  Referenzwassermaske
                                  Offene Flutflächen
                                  Teilweise unterflutete Vegetation

Fischbeck/dam failure

                                                        www.DLR.de • Folie 12

Entwicklung Datenauswertung
Notwendigkeit der Prozessautomatisierung
 Drastischer Anstieg des Datenvolumens;
 Verbesserte Hardwareleistungen.

F&E Fokus auf vollautomatische Prozessketten
 In Richtung komplexem Szenenverständnis;
 Pixel-basiert -> objekt-basiert -> deep learning;
 Generische sensor-übergreifende Analyseansätze;
 Datenfusion.                                                                                https://www.dlr.de/eoc
                                                           Data volume at the German Satellite Data Archive (2010-2030)
Aktuelle Forschungsfragen
 Wie können wir Expertenwissen in
  Auswerteverfahren integrieren?
 Wie quantifizieren und kommunizieren wir
  Unsicherheiten automatisch erstellter thematischer
  Informationsprodukte?

Forschung -> operationeller Betrieb                                                    https://www.completegate.com
 F&E soll relevant, nutzer- und lösungsorientiert sein;               Schematic view of a convolutional neural network
 Enger Austausch / Kooperation zwischen Forschung
   und Nutzern auf allen Ausführungsebenen.

                                                                                               www.DLR.de • Folie 13

TerraSAR-X Hochwasserservice
                    Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
                     Automatischer Service;
                     Lokale bis regionale Analysen (5-270km);
                     Räumlich sehr hochauflösend (0.2-40m);
                     Systematische Wiederkehrrate von 11 Tagen;
                     Mögliche Wiederkehrrate von bis zu 1 Tag;
                     On-demand Aktivierung im Katastrophenfall;
                     Expertenwissen durch fuzzy rule-sets integriert.

                    Produkte
                     Sehr hochauflösende Kartierung von
                       Überschwemmungsflächen.

                                                            www.DLR.de • Folie 14

Sentinel-1 Hochwasserservice
                                                Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
                                                 Automatischer Service;
                                                 Großflächige Analysen (20-400km);
                                                 Räumlich hochauflösend (5-40m);
                                                 Systematische Wiederkehrrate von 5 Tagen;
                                                 Konsistente Zeitreihenanalysen möglich;
                                                 Expertenwissen durch fuzzy rule-sets integriert.

                                                Produkte
                                                 Hochauflösende Kartierung von
                                                   Überschwemmungsflächen;
                                                 Flutfrequenz und Flutdauer.

365

      Flood duration
      (in days)
                       0   4   8   12   16 km
 1

                                                                                        www.DLR.de • Folie 15

Optischer Hochwasserservice
                                                                Eigenschaften und aktuelle Entwicklungen
                                                                 Automatischer Service (Protoyp);
                                                                 Großflächige Analysen (290km);
                                                                 Räumlich hochauflösend (10m);
                                                                 Systematische Wiederkehrrate von 5 Tagen;
                                                                 Generischer Service für verschiedene optische
                                                                   Sensoren (Landsat, Sentinel, RapidEye, etc.);
                                                                 Basiert auf maschinellem Lernen.

                                                                Produkte
                                         0   1   2   3   4 km    Hochauflösende Kartierung von
                                                                   Überschwemmungsflächen;
                                                                 Flutfrequenz und Flutdauer;
                                                                 Adaptive Referenzwassermaske;
                                                                 Qualitäts- / Unsicherheitenlayer.

Flood   Permanent water   Cloud/shadow   0   1   2   3   4 km

                                                                                                        www.DLR.de • Folie 16

Datenfusion
                    Hochwasser
                                                                         Zeit
 …
Optisches Archiv
 (Landsat, S-2)             TerraSAR-X            Sentinel-1      Optisch

                                                                                                      Web-Services

                                                    Eigenschaften und Perspektive
                                                     Fusion der Ergebnisse verschiedener Services;
                                Flood
                                                     Synergieffekte verschiedener Sensoren nutzen:
  Permanent water
  No water
                                Permanent water
                                No water
                                                     Integration von Fernerkundungsprodukten mit in-situ
 Referenzwasser           Aktuelle Flutmasken          Messungen und Modellierungen;
                                                     Transparenz, Standardisierung und Verteilung;

                                                       Automatisierung der Datenfusion bedarf noch weiterer
                                                        Forschung und Entwicklung;
                                                        Enge Zusammenarbeit mit Nutzern essentiell.
                           30

                                Flood duration      
                                (in days)
                            1

                                Flutfrequenz,
                                  Flutdauer

                                                                                                  www.DLR.de • Folie 17

Zusammenfassung

Verbesserung der Datenverfügbarkeit und Auflösung
 Wachsende Anzahl und Vielfalt an Erdbeobachtungsmissionen und -systemen;
 Systematische Datenerfassung komplementiert durch zunehmend flexibles Tasking;
 Analyse- und Verteilungsplattformen für individuelle und automatische Prozessierung.

Erweiterung der Produktpalette
 Objekt-Detektion und -Verfolgung (z.B. Verkehrslage);
 Nahe Echtzeit Monitoring (z.B. Entwicklung von Flutflächen);
 Langzeitstudien (z.B. Referenzwassermaske);
 Zeitreihenanalysen (z.B. Flutdauer).

Verbesserung existierender Produkte
 (Neue) automatische Auswerteverfahren für robustere und genauere Ergebnisse;
 Systematische und intuitive Integration von Expertenwissen in Analyseprozesse;
 Synergieeffekte durch Datenfusion;
 Austausch/Kooperation zwischen Forschung und Nutzern wichtiger denn je.

                                                                               www.DLR.de • Folie 18

Erreichbarkeit:
    08:00-20:00 täglich
Tel: +49 173 53 434 53
              zki@dlr.de
         www.zki.dlr.de

        Carolin Lange
  Carolin.Lange@dlr.de

       Marc Wieland
  Marc.Wieland@dlr.de