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Space hydrography – Wissenschaftsgespräch
»Perspektivisch sind Satellitendaten
auch in der Hydrographie gefragt«
Ein Wissenschaftsgespräch mit Egbert Schwarz*
Beim Stichwort »maritime Sicherheit« denkt man nicht unbedingt als erstes an das
DLR, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt. Doch am Standort Neustrelitz
gibt es seit 2014 die Forschungsstelle Maritime Sicherheit. Unser Gesprächspartner Eg
bert Schwarz ist Teamleiter dieser Forschungsstelle. Im Wissenschaftsgespräch woll
ten wir von ihm erfahren, wie er mit seiner Arbeit zur Sicherheit auf See beitragen
kann. Und als Hydrogra
phen interessierten wir DLR | Erdbeobachtung | Fernerkundung | maritime Sicherheit | Informationsprodukte | Schiffsdetektion
uns natürlich besonders signifikante Wellenhöhe | Öldetektion | Eisklassifizierung | Datenfusion | Datensicherheit
dafür, was uns die Erd
beobachtung in puncto Warum sollte man bei maritimer Sicherheit auch Wir entwickeln zum Beispiel Methoden, um Öl-
hydrographische Daten an das DLR denken? verschmutzungen bei Nacht und bei Nebel aus
bieten kann. Wir beschäftigen uns am Deutschen Zentrum dem All zu identifizieren und auf den Verursacher
für Luft- und Raumfahrt bereits seit Langem mit zurückzuführen. Services, wie sie beispielsweise
der satellitengestützten Erkundung von Mee- auch bei der European Maritime Safety Agency
ren und Gewässern. Seit 2012 stellen wir unsere (EMSA) im CleanSeaNet eingesetzt werden. Durch
Arbeiten gezielt auch in den Dienst der mariti- unsere Möglichkeit, auch durch Wolken hindurch
men Sicherheit. Damals wurde ein Forschungs- Schiffe detektieren zu können, die ohne Automati-
verbund etabliert, um über Instituts- und Fach- sches Identifikationssystem fahren, etwa weil die-
* Das Interview mit Egbert
Schwarz führten Lars grenzen hinweg das Thema interdisziplinär zu ses ausgefallen ist oder manipuliert wurde, kön-
Schiller und Holger Klindt adressieren: von der Satellitenentwicklung über nen unsere Techniken dazu beitragen, Schiffen
am 15. September in Kommunikationsverfahren, sichere Navigation, in Seenot zu helfen und kriminellen Aktivitäten,
Neustrelitz. bis hin zu Informationsprodukten aus der Erdbe- wie Piraterie, illegalem Fischfang oder Schmuggel
obachtung. In Braunschweig, Bremen, Neustrelitz nachzugehen.
und Oberpfaffenhofen wurden hierzu eigens Da wir vom Satelliten aus auch verschiedene
Forschungsstellen eingerichtet, wo mehrere In- Meereistypen identifizieren und Eisberge detek-
stitute in einem virtuellen Verbund thematisch tieren können, unterstützen wir regelmäßig For-
zusammenarbeiten. In Neustrelitz und in Bremen schungsschiffe in der Arktis oder der Antarktis bei
arbeiten das Institut für Kommunikation und der Navigation durch das Eis. Die Schiffe erhalten
Navigation und das Earth Observation Center so von uns in Nahe-Echtzeit einen Überblick über
des DLR gemeinsam daran, ihre Umgebung, der die Sichtweite ihres Eisradars
Schiffe zu detektieren, zu um ein Vielfaches übersteigt. Wir selbst können
»Die Satellitenflotte ist stark identifizieren und bei ihrer durch diese Kooperationen unsere Verfahren vali-
gewachsen. Dadurch ist es Fahrt mit hochaktuellen In- dieren und verbessern. Neben der Eisbedeckung
möglich geworden, die Meere formationen vom Satelliten leiten wir aus den Daten unserer Radarsatelliten
regelmäßig zu beobachten« zu unterstützen. Wir haben großflächig Parameter wie die Höhe und Rich-
den großen Vorteil, dass wir tung von Wellen, sowie Windgeschwindigkeiten
Egbert Schwarz
hier Wissen aus verschie- ab.
denen Bereichen bündeln In diesem Jahrzehnt ist die Satellitenflotte – ins-
können. Angefangen von besondere auch dank der europäischen Sentinel-
der hardwarenahen Entwicklung neuer Satelli- Satelliten aus dem Copernicus-Programm – stark
tenmodi, über die Ableitung von neuen Informa- gewachsen. Dadurch ist es möglich geworden, die
tionsprodukten aus Satellitendaten, bis hin zur Erde – aber eben auch die Meere – regelmäßiger
Entwicklung einer Echtzeitprozessierung der Da- zu beobachten und neue Produkte bereitzustel-
ten an der eigenen Empfangsstation haben wir len, für ganz konkrete Nahe-Echtzeit-Anforderun-
hier alles in einer Hand. gen ebenso, wie als Input für komplexe Modellie-
Wie ist die Forschungsstelle organisiert? rungen.
Wir haben eine Doppelspitze. Thoralf Noack vom Sie sprechen von Produkten. Wie sehen diese Pro-
Institut für Kommunikation und Navigation und dukte aus?
ich leiten die Forschungsstelle in Neustrelitz ge- Es sind zusätzliche Layer, basierend auf den Erdbe-
meinsam. So können wir die verschiedenen Berei- obachtungsdaten, Produkte zur Schiffsdetektion,
che inhaltlich gut abdecken. Wind oder signifikanter Wellenhöhe. In anderen
Erzählen Sie uns, wie Sie zur sicheren Schifffahrt Produkten soll beispielsweise Meereisbedeckung
aus dem Weltraum beitragen können. klassifiziert werden, um mit diesen Informationen
10 Hydrographische Nachrichten
Space hydrography – Wissenschaftsgespräch
die Navigation zu unterstützen. Auch für Eisberge
gibt es Produkte.
Kann jeder solch ein Produkt nutzen?
Einige Produkte im maritimen Umfeld sind bereits
kommerziell erhältlich. Die Firma EOMAP zum
Beispiel, eine Ausgründung aus dem DLR, nutzt
seit vielen Jahren Erdbeobachtungsdaten, um die
Bathymetrie in Küstenbereichen abzuleiten. Auch
Produkte für das Umweltmonitoring, wie Trübung
oder Chlorophyllkonzentration des Wassers, bietet
die Firma an.
Wenn nun jemand eine Messung plant, für die er
Seegangsdaten benötigt, wie viele Tage vorher
müsste er beim DLR anrufen, um aktuelle Daten
aus der Erdbeobachtung zu erhalten?
Wir bedienen als wissenschaftliche Einrichtung
keine regulären, kommerziellen Anfragen. Das ist
Aufgabe der Industrie. Unser Fokus ist die Entwick-
lung der Techniken. Im Rahmen einer Messkampa-
gne würden wir jedoch idealerweise vier Wochen
Vorlauf einplanen, um die Satellitenaufnahmen für
die Messkampagne zu kommandieren und die er-
forderlichen Daten zu verarbeiten. In Zukunft wer-
den solche Daten jedoch operationell, also ohne
Zeitverzug, bereitgestellt werden, etwa durch von
uns entwickelte Echtzeitdienste, die die Daten un-
mittelbar nach Empfang noch an der Antenne zu
einem leichten, schlanken Informationsprodukt
weiterverarbeiten.
Muss man das wirklich anmelden? Kann man die
Bilder nicht jederzeit bekommen?
Die Satellitendaten der europäischen Copernicus-
Missionen sind, ebenso wie viele amerikanische
Satellitendaten, offen und kostenlos zugänglich.
Die Daten der Sentinel-Satelliten kann jeder über
Portale der ESA oder über unser DLR-Portal (CODE-
DE) kostenfrei herunterladen. Für komplexe, dar-
aus abgeleitete Produkte, wie die Seegangshöhe,
die Öl- und Eisdetektion und Windfelder, braucht
es jedoch das Wissen von Spezialisten, sowie ent-
sprechende Hard- und Softwareausstattung. Sol-
che Produkte sind, sofern sie nicht in wissenschaft-
lichem oder öffentlichem Interesse erstellt werden,
dann nur kommerziell erhältlich.
Wenn wir jetzt nicht nur die frei verfügbaren Da-
ten wollten, sondern ausgewertete Produkte, was
müssten wir für ein Produkt zur Wellenhöhe be-
zahlen?
Das DLR ist eine Forschungseinrichtung. Unsere
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten tragen
auch dazu bei, marktreife Produkte zu entwickeln.
Sobald jedoch die Marktreife erreicht ist, ist es Auf-
gabe der Industrie, solche Produkte anzubieten.
Eine solche Arbeitsteilung existiert zum Beispiel
seit zehn Jahren im Rahmen der Radarmissionen
TerraSAR-X und TanDEM-X. Airbus ist als Industrie-
partner im Rahmen einer Public-private-Partner-
ship für die kommerzielle Vermarktung der Daten
verantwortlich, das DLR verantwortet die Durch-
Foto: Holger Klindt
führung der Mission und betreut die wissenschaft-
lichen Nutzer. Im Idealfall können wir über Lizen- Egbert Schwarz
zen an den Erlösen der Industrie teilhaben und so
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weitere Forschungsarbeiten finanzieren, doch mit Weder noch, Treiber hinter den Entwicklungen am
dem Verkauf der Daten haben wir nichts zu tun. EOC sind zumeist offene Forschungsfragen, zum
Daher kann ich Ihnen keine Preise nennen. Beispiel aufgrund der klimatischen Veränderun-
Bei welchen Firmen könnten wir noch gewässer- gen. Im Zuge der Climate Change Initiative be-
bezogene Produkte erhalten? schäftigen wir uns im EOC damit, wie bestimmte
Bei der Firma »Drift and Noise« zum Beispiel, einer Fragestellungen unter Nutzung verschiedenster
Ausgründung aus dem AWI, die beim Thema Eis Sensorik besser beantwortet werden können.
sehr aktiv ist und entsprechende Produkte wie Eis- Wir forschen auch innerhalb von ESA-Projekten
konzentrationen anbietet. und im Rahmen des EU-Forschungsrahmenpro-
Was ist das integrierte maritime Informationssys- gramms Horizon 2020.
tem? Schon kurz nachdem Sie die Satellitendaten emp-
Ich nehme an, Sie meinen das im Projekt »Echtzeit- fangen haben, stellen Sie die Produkte bereit. Das
dienste maritime Sicherheit« (EMSec) gemeinsam Ganze geht nahezu in Echtzeit, heißt es. Wie alt
mit Partnern entwickelte System. In diesem Sys- sind die Daten, wenn sie veröffentlicht werden?
tem wurden Informationen aus verschiedenen Da- Wenn wir von nahezu Echtzeit reden, beziehen
tenquellen zu einem maritimen Lagebild zusam- wir uns in der Erdbeobachtung immer auf die
mengeführt. In Neustrelitz entwickeln wir auf Basis Zeitspanne, die wir benötigen, um die empfange-
des Umwelt- und Kriseninformationssystems UKIS, nen Daten in ein Produkt für zeitkritische Anwen-
einer Systementwicklung des DFD in Oberpfaf- dungen umzuwandeln. Das kann, je nach Anwen-
fenhofen, eine webbasierte Lösung zur Bereitstel- dung und Datenmenge, bis zu 30 Minuten dauern
lung der satellitenbasierten Informationsprodukte. und berücksichtigt dabei auch die Nutzeranfor-
Noch handelt es sich um eine Pilotentwicklung, derungen. Beim Thema Ölverschmutzung muss
mit der wir Produkte zur Schiffsdetektion zur Ver- in dieser Zeit das Produkt beim Nutzer sein. Ein
fügung stellen, fusioniert mit AIS-Informationen, solches Produkt beinhaltet dann neben dem Sa-
Seegangshöhen und Windinformationen. Mo- tellitenbild abgeleitete Informationen wie Koordi-
mentan validieren wir die Algorithmen, um die naten, Größe und Ausdehnung der Verdachtsflä-
notwendige Verlässlichkeit der Ergebnisse sicher- chen sowie auch Angaben zur Wahrscheinlichkeit,
zustellen. dass es sich tatsächlich um eine Ölverschmutzung
Bisher erschienen: Für wen ist denn UKIS gedacht? handelt.
Horst Hecht (HN 82), UKIS ist ein institutsinternes Baukastensystem, Sie sagen, es gehe um die Zeitspanne zwischen
Holger Klindt (HN 83), um die Entwicklung von Systemen effizient und dem Empfang der Daten und der Auslieferung des
Joachim Behrens (HN 84), nachhaltig voranzutreiben. Durch den gewählten Produkts. Was meinen Sie mit dem Empfang – den
Bernd Jeuken (HN 85), Ansatz kann auf bestehende Module zurückge- Zeitpunkt, zu dem das Satellitenbild gemacht wird,
Hans Werner Schenke (HN 86),
Wilhelm Weinrebe (HN 87), griffen und wertvolle Entwicklungszeit eingespart oder den Moment, da die Daten von der Boden-
William Heaps (HN 88), werden. Die einzelnen Module können zur Imple- station empfangen werden?
Christian Maushake (HN 89), mentierung von webbasierten Warnsystemen für In dieser Zeitspanne von maximal 30 Minuten ist
Monika Breuch-Moritz (HN 90), unterschiedliche Naturgefahren, etwa Hochwas- alles enthalten, die Aufnahme des Bildes, der Emp-
Dietmar Grünreich (HN 91),
Peter Gimpel (HN 92), ser und Waldbrände, oder von Umweltinformati- fang der Daten, das Auswerten und schließlich das
Jörg Schimmler (HN 93), onssystemen, zum Beispiel Schiffsdetektion, Wind Ausliefern des Produkts. Und deswegen gilt: Um
Delf Egge (HN 94), und Eisklassifikation, verwendet werden. Das DFD diese Nahe-Echtzeit-Anforderung erfüllen zu kön-
Gunther Braun (HN 95), verwendet das System für unterschiedliche An- nen, muss die Antenne an der Bodenstation zum
Siegfried Fahrentholz (HN 96),
Gunther Braun, Delf Egge, Ingo wendungen, beispielsweise auch im Rahmen der Zeitpunkt der Aufnahme Sichtbarkeit zum Satelli-
Harre, Horst Hecht, Wolfram Flutkartierung am Zentrum für Satellitengestützte ten haben.
Kirchner und Hans-Friedrich Kriseninformation. In unterschiedlichen Anwen- Andernfalls gibt es ein Delay.
Neumann (HN 97), dungsprojekten wird das System ständig weiter- Ja, dann muss man warten, bis der Satellit in den
Werner und Andres Nicola
(HN 98), entwickelt. Sichtbarkeitsbereich der Antenne kommt. Bei der
Sören Themann (HN 99), In die Produkte fließen teilweise auch Daten aus TerraSAR-X Mission beispielsweise nutzen wir zu-
Peter Ehlers (HN 100), anderen Quellen ein, zum Beispiel Wettermodelle, sätzlich zur Bodenstation hier in Neustrelitz wei-
Rob van Ree (HN 101), Seekarten oder Offshore-Bauwerke. Dazu müssen tere Stationen. Alle Aufnahmen werden zunächst
DHyG-Beirat (HN 102),
Walter Offenborn (HN 103), die Daten fusioniert werden. im Bordspeicher zwischengespeichert, bevor die
Jens Schneider von Deimling Bei solchen Value-added-Produkten kooperieren Daten an den Boden übertragen werden. Auf-
(HN 104), wir dann mit Partnern, welche die benötigten Zu- nahmen, welche in nahe Echtzeit (NRT) benötigt
Mathias Jonas (HN 105), satzdaten bereitstellen. Beispielsweise sind wir in werden, werden dann bei der Übertragung zur
Jürgen Peregovits (HN 106),
Thomas Dehling (HN 107) einem gemeinsamen Projekt für die Firma Euro- Bodenstation vorgezogen. Andere Satelliten wie
pean Space Imaging (EUSI) im Unterauftrag tätig, beispielsweise Sentinel-1A und -B arbeiten sowohl
um Produkte an die EMSA auszuliefern. Die Daten mit einem Bordspeicher als auch im Pass-through-
kommen von EUSI, wie auch von der EMSA. Wir Modus. Dadurch können wir die über Europa auf-
führen diese Daten zusammen und erstellen die gezeichneten Daten in Echtzeit in Neustrelitz emp-
gewünschten Informationsprodukte, bevor diese fangen. Der Empfangsbereich der Neustrelitzer
an den Nutzer ausgeliefert werden. Antennen deckt Europa sehr gut ab: In Nord-Süd-
Wer treibt die Anwendungsentwicklung, die Tech- Richtung können wir die Satelliten vom Nordkap
nologie oder der Markt? bis hin zur Küste Nordafrikas verfolgen. Das hängt
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Space hydrography – Wissenschaftsgespräch
jedoch auch davon ab, wie hoch die Satelliten flie- So wäre es, wenn wir nur einen Erdbeobachtungs-
gen, ob in 500 Kilometer Höhe oder in 800. satelliten zur Verfügung hätten. Zum Glück gibt es
Werden nicht manche Satellitendaten zunächst an inzwischen eine Vielzahl von Satelliten. Doch nicht
geostationäre Satelliten übertragen und von dort jeder Satellit ist mit Sensorik ausgestattet, die für
aus dann an die Bodenstation? die Erkennung von Ölverschmutzungen geeignet
In der Tat nutzt man schon solche geostationären ist. Dennoch, wenn wir sowohl mehrere Radar-
Relais-Satelliten. Die polar-umlaufenden Satelli- satelliten als auch optische Satelliten einsetzen,
ten übertragen ihre Daten an den geostationären können wir den Zeitraum für
Relais-Satelliten. Das geschieht zum Teil mit Hilfe eine Wiederholung deutlich
eines Lasers. Von dem geostationären Satelliten reduzieren. Wir prüfen dann, »Nahezu Echtzeit bedeutet,
aus werden die Daten dann an die Bodenstation welche Satelliten dem- dass spätestens 30 Minuten
übertragen. So kann man den Horizont der Bo- nächst das Gebiet über- nachdem eine Aufnahme
denstation deutlich erweitern. Und wir können fliegen werden und auch gemacht wurde ein
in einem wesentlich größeren Aktionsradius Na- aufnehmen. Es ist nicht so, bestätigtes Produkt beim
he-Echtzeit-Anwendungen bedienen. Beispiels- dass die Satelliten ständig Nutzer ist«
weise ist es uns bei einem Test mit Sentinel-1A eingeschaltet sind und eine
Egbert Schwarz
gelungen, aus einer Aufnahme, die vor Brasilien globale Abdeckung aufneh-
gemacht wurde – also weit außerhalb des Sicht- men. Dazu würden die Sa-
barkeitsbereichs –, innerhalb von 18 Minuten ein tellitenressourcen gar nicht
Schiffsdetektionsprodukt zu erstellen. Hierbei ausreichen. Stattdessen nehmen viele Satelliten
wurden die Daten vom Sentinel-1A an den Satelli- nur auf Basis der Nutzerbestellungen auf.
ten Alphasat übertragen, mit der DFD-Antenne in Und sonst schlafen die Satelliten?
Oberpfaffenhofen empfangen und in Neustrelitz Viele Erdbeobachtungssatelliten haben einfach
prozessiert. nicht die Leistung, ständig aufnehmen zu können.
Vor der Küste Griechenlands gab es kürzlich eine Insbesondere Radarsatelliten haben einen erhöh-
Ölkatastrophe. Nun stellt sich die Frage, wie sich ten Energiebedarf. Von den etwa 100 Minuten, die
das Öl dort ausbreitet. In welchen Zeitabständen ein Sentinel-1-Satellit für einen Umlauf benötigt,
fliegen Satelliten über den Ölteppich? kann er lediglich 25 Minuten eingeschaltet sein.
Wir sind immer darauf angewiesen, dass ein Satel- Wobei das nicht am Stück sein muss. Beim Terra-
lit das Gebiet überfliegt. Wenn wir nur einen Satel- SAR-Satelliten sind es sogar nur drei Minuten. Wir
liten betrachten, so liegt die Wiederholrate bei 11 brauchen also deutlich mehr Satelliten, um alle
bis 16 Tagen. Nutzeranforderungen erfüllen zu können. Manche
Sie wollen sagen, dass zwar keine halbe Stunde Satellitenmissionen arbeiten nach einem High-Le-
verstreicht, bis aus einer Satellitenaufnahme ein vel-Operations-Plan, beispielsweise die Sentinel-
Ölprodukt erstellt ist, wir aber dann zwei Wochen Satelliten. Hierin ist neben dem Aufnahmegebiet
warten müssen, bis wir das nächste Ölprodukt er- auch der Aufnahmemodus festgelegt. Da kann
halten können? es sein, dass bestimmte Gebiete, wann immer sie
Spanien, Straße von Gibraltar. In der Bildmitte ist die Straße von
Gibraltar zu sehen – das Tor zwischen Atlantik und Mittelmeer.
Die zahlreichen hellen Punkte repräsentieren Schiffe und
dokumentieren, wie stark die Meerenge befahren ist. Die Daten
von TerraSAR-X tragen zur Überwachung des Schiffsverkehrs bei
© DLR
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überflogen werden, aufgenommen werden. An- lenfelder für Ausbreitungsanalysen nutzen. Bei
dere Missionen werden entsprechend der Nutzer dem Fall in Griechenland konnten wir übrigens
anforderungen kommandiert. Erst wenn ein Nut- durch die Zusammenarbeit mit European Space
zer eine Aufnahme bestellt, wird das Instrument Imaging mehrere kommerzielle optische Satelli-
eingeschaltet. ten nutzen und auf diese Weise täglich neue Auf-
Bei jedem Umlauf kann ein Satellit nur eine ver- nahmen machen.
hältnismäßig kurze Zeit lang aufnehmen. Nun Ein anderes Anwendungsszenario ist, dass Sie
wollen wir immer noch et- die Position von Schiffen feststellen. Bisher sind
was über den Ölteppich vor Schiffe, damit es nicht zu Kollisionen kommt, mit
»Perspektivisch sind Daten Griechenland in Erfahrung Radar und dem Automatischen Identifikations-
aus Satellitenmissionen bringen. Kann der Satellit system (AIS) ausgestattet. Nun fügen Sie noch
gefragt, vor allem wenn es mehrere Aufnahmen von die Sicht von oben hinzu. Diese Vogelperspekti-
um Fragestellungen geht, dem Ölteppich machen, aus ve vermittelt ein Gesamtbild des Schiffsverkehrs.
die man sonst nur mit verschiedenen Blickwinkeln? Aber um die Bewegung der Schiffe abdecken zu
erheblichem operationellen Die Erdbeobachtungssatelli- können, muss doch die Aufnahmefrequenz viel
Aufwand bearbeiten kann« ten bewegen sich in der Re- höher sein.
gel auf einer polnahen Um- Richtig, mit einer Satellitenaufnahme liefern wir
Egbert Schwarz
laufbahn, während sich die immer nur einen Snapshot. Wir fügen zu dem
Erde drunter hinweg dreht. AIS-Lagebild, das ja in kurzen Abständen aktuali-
Der Satellit fliegt mit 7 Kilo- siert wird, nur etwas hinzu, sozusagen ein Beweis-
metern pro Sekunde. Daher kann er nur in einem foto. Denn es ist ja so, dass nicht alle Schiffe aus-
bestimmten Zeitfenster einen Punkt auf der Erde rüstungspflichtig sind. Und bekanntlich melden
fixieren. Bei einer TerraSAR-X-Spotlight-Aufnahme, Schiffe zum Teil auch falsche Positionen. Darum
einer geometrisch hochaufgelösten Radaraufnah- geht es, wenn wir Satelliten einsetzen. Wir wollen
me mit einem Synthetic Aperture Radar (SAR), sind damit genau die fehlenden Informationen bei-
es etwa drei Sekunden. Im kommerziellen Bereich steuern, um den Gesamtüberblick zu bekommen.
kommen wir dadurch auf eine Auflösung von etwa Wir bieten also eine zusätzliche Informationsquel-
einem Meter. Im optischen Bereich verhält es sich le, die unabhängig vom AIS ist.
anders. Die optischen Satelliten arbeiten teilweise Sie kontrollieren und ergänzen also. Sie überprü-
mit mehreren Kameras oder führen die Kamera so fen, ob das Schiff, das behauptet, ein Fischerboot
schnell nach, dass sie im selben Überflug mehre- zu sein, tatsächlich ein Fischerboot ist.
re Aufnahmen aus verschiedenen Blickwinkeln Ob dies möglich ist, hängt sehr stark von der Größe
machen können. Hier spricht man dann auch von der Schiffe, wie auch von der Satellitenauflösung
Stereoaufnahmen. ab. Aber die Schiffsklassifizierung ist prinzipiell ein
Nun haben wir eine Aufnahme von dem Öltep- Teilaspekt der Schiffsdetektion. Im ersten Schritt
pich. Dank des Ölprodukts wissen wir, wie groß geht es um die sichere Detektion und Charakteri-
der Ölteppich zum Zeitpunkt der Aufnahme war. sierung hinsichtlich Position und Größe.
Doch wohin driftet der Ölteppich und dehnt er In diesem Bereich gibt es derzeit auch viele
sich aus? Um das zu erfahren, benötigen wir ein kommerzielle Entwicklungen. Beispielsweise hat
zweites Bild. In welchem Zeitabstand ist das mög- die Firma Planet Labs rund 190 Mini-Satelliten in
lich? den Orbit gebracht. Mit diesen gerade einmal 10
Das hängt stark von den Satelliten ab, die einge- mal 10 mal 30 Zentimeter großen Satelliten soll es
setzt werden. Die SAR-Satelliten haben ihre Über- gelingen, eine globale Abdeckung zu erzeugen,
flugzeiten in den frühen Morgen- bzw. Abend- und zwar täglich. Damit werden innovative Pro-
stunden, das Instrument arbeitet unabhängig vom dukte möglich. Zum Beispiel kann ein Gebiet per-
Tageslicht. Die optischen Satelliten wiederum ha- manent überwacht werden, und sobald ein Schiff
ben ihre Aufnahmezeit in der Regel beim höchs- in dem Gebiet auftaucht, wird ein Nutzer darüber
ten Sonnenstand. Dadurch ergibt sich ein Abstand informiert. Anders als unsere Radarsatelliten sind
zwischen den Aufnahmen von etwa sechs Stun- diese optischen Satelliten jedoch auf freie Sicht,
den. also einen wolkenfreien Himmel angewiesen.
Bei Aufnahmen in der Nordsee haben wir ge- 190 Satelliten kommen hinzu. Wie viele Satelliten
nau diese Fragestellung untersucht. Bei einem schwirren denn insgesamt durchs All?
Morgenpass haben wir die Ölverschmutzung mit Im Moment sind etwa 1500 aktive Satelliten un-
einer SAR-Aufnahme detektiert. Mittags konnten terwegs. Ungefähr 400 davon sind Erdbeobach-
wir den Verdacht der Ölverschmutzung mit ei- tungssatelliten. Die anderen werden im Wesentli-
ner optischen Aufnahme bestätigen. Gleichzeitig chen für die Kommunikation, Navigation oder als
zeigte die Überlagerung der Aufnahmen, wie sich Technologiedemonstrator bzw. für wissenschaftli-
der Ölteppich zwischenzeitlich verändert hatte. che Fragestellungen eingesetzt.
Sofern mindestens zwei Aufnahmen zur Verfü- Ab wann besteht denn die Gefahr, dass die Satelli-
gung stehen, lassen sich also auch Aussagen über ten sich gegenseitig behindern?
die Drift treffen. Darüber hinaus können wir die Heutzutage ist für jeden neu gestarteten Satelliten
aus den Radardaten abgeleiteten Wind- und Wel- nach Missionsende ein De-orbiting vorgeschrie-
14 Hydrographische NachrichtenSpace hydrography – Wissenschaftsgespräch
ben. Das heißt, er muss aus der Umlaufbahn ge- In unseren Forschungsarbeiten geht es konkret
nommen werden. Entweder verglüht der Satellit um die Meereisklassifizierung. Dabei wollen wir
dann beim Wiedereintritt in die Atmosphäre oder beispielsweise zwischen jungem oder mehrjäh-
er wird auf eine andere Umlaufbahn in der soge- rigem oder auch Presseis unterscheiden. In-situ-
nannten »Disposal Region« gebracht. Daten sind notwendig, um die Algorithmen zu
Kürzere Seewege durch die immer öfter eisfreie trainieren und die Produkte zu validieren.
Arktis sind für die Schifffahrt verlockend. Satelliten- In den Eiskarten werden verschiedene Eistypen
bilder könnten Schiffen verraten, ob die Passage dargestellt. Wie gelingt es den Algorithmen, zwi-
eisfrei ist. Und umgekehrt könnte bei starkem See- schen zum Beispiel jungem Eis und mehrjährigem
gang oder schlechtem Wetter von einer geplanten Eis zu unterscheiden?
Schiffsroute abgeraten werden. Das kommt stark auf die Sensorik an. Bei den SAR-
Genau das ist das Ziel. Wir arbeiten zum Beispiel Satelliten haben wir die Möglichkeit, verschiede-
daran, Eisinformationen zur Verfügung zu stellen, ne Polarisationen einzusetzen. Daraus kann man
um damit die Routenplanung zu unterstützen. letztlich diese Information ableiten. Für die Eis-
Auch Firmen sehen das Potenzial der Routenop- klassifizierung ist eine bestimmte Auflösung am
timierung im Markt und arbeiten an entsprechen- Boden notwendig, und am besten eignen sich
den Systemlösungen. hierfür vollpolarimetrische SAR-Aufnahmen.
Lassen sich denn auch Vorhersagen ableiten? Können Sie gar Extremereignisse wie Monsterwel-
Diese Informationen sollen nicht nur dazu genutzt len beobachten?
werden, um ein Produkt für ein bestimmtes Gebiet Solche Ereignisse aufzunehmen, ist Glückssache.
zur Verfügung zu stellen, sondern diese Informati- Wir sind auf Vorhersagen angewiesen, damit wir
onen sollen zukünftig auch in Modelle assimiliert den Satelliten auf das betroffene Gebiet schauen
werden, damit die Modelle selber besser werden. lassen können. Wir haben schon das Auge eines
Dann kann man Vorhersagen machen. Taifuns oder Hurrikans aufgenommen. Im Zuge
Gelingt es, allein anhand der Fernerkundungsda- des Firebird-Projekts haben wir gerade die Tempe-
ten die Eisdicke festzustellen? Oder müssen die ratur innerhalb eines Hurrikans gemessen.
Ergebnisse mit Messungen vor Ort abgeglichen Bisher haben wir über Randbereiche der Hydro-
werden? graphie gesprochen, nämlich über das, was sich
Ölschlieren im Golf von Mexiko.
Mit einem Blick nach links außer
der Reihe zeichnete TerraSAR-X
am 9. Juli 2010 das Gebiet im Golf
von Mexiko auf, in dem Öl austritt.
Die Umweltkatastrophe begann
am 20. April 2010, als nach einer
Explosion die Bohrplattform
»Deepwater Horizon« sank und die
Ventile nicht geschlossen werden
konnten. Gut zu erkennen ist auf der
TerraSAR-X-Aufnahme die »Artificial
Barrier Island«, eine künstlich
aufgeschüttete Insel östlich der
Chandeleur Islands, die allerdings
von den Ölschlieren schon wieder
umspült wird
© DLRSpace hydrography – Wissenschaftsgespräch
auf dem Wasser abspielt. Kommen wir zum Kern SAR-Satelliten können nicht ins Wasser schauen.
der Hydrographie: Grenzen und Tiefen der Gewäs- Stattdessen wird die Oberflächenstruktur ge-
ser. Auf Satellitenbildern gut zu erkennen sind im nutzt, um indirekt über die Wellenbildung auf die
Vergleich natürlich Änderungen der Küstenlinien Bathymetrie unter Wasser zu schließen. Das geht
und Flussmündungen. Auch die Verlagerung von aber auch nur bis zu einer bestimmten Tiefe. Da-
einzelnen Prielen oder Sand- rüber hinaus werden hochauflösende optische
bänken werden sichtbar. Satelliten eingesetzt, die sehr gut geeignet sind,
»Der Automatisierungsgrad Wird das systematisch un- um flachere Meeresgebiete wie zum Beispiel Riffe
ist hoch. Wir nutzen tersucht? zu kartieren. Doch auch da hängt die Machbarkeit
Algorithmen, mit denen In den letzten Jahren wur- von der Wassertiefe und weiteren Faktoren ab. Zu-
wir direkt das Endprodukt de insbesondere an der sätzlich werden Altimeterdaten eingesetzt.
ableiten können. Nur bei der Forschungsstelle Maritime Was ist Ihre Prognose, werden die auf neuem Wege
Öldetektion funktioniert das Sicherheit in Bremen unter- gewonnenen Tiefendaten vom Markt verlangt?
nicht. Da haben wir es oft mit sucht, wie man aus einem In der Hydrographie existiert ja schon eine gut eta-
Lookalikes zu tun« SAR-Bild den Küstenverlauf blierte Sensorik, ob Fächerecholot oder LiDAR, mit
bestimmen kann. Der Ver- der Fragestellungen schnell und gut beantwortet
Egbert Schwarz
lauf ist wegen des durch werden können. Aber perspektivisch sehen wir
Ebbe und Flut veränder- schon, dass Daten aus Satellitenmissionen gefragt
lichen Wasserstands ja gar sind, vor allem wenn es um die Kartierung großer
nicht so eindeutig. Bei der Kartierung von Watt- Gebiete geht, was sonst mit einem erheblichen
gebieten sind im Bereich der Radaraufnahmen operationellen Aufwand verbunden ist.
erhebliche Fortschritte erzielt worden. Inzwischen Was fasziniert Sie an Satellitentechnik?
kann man die Küstenverläufe direkt aus den SAR- Faszinierend finde ich die Technologieentwick-
Daten ableiten. Im Rahmen der Mission TanDEM-X lung. Nehmen wir mal die Menge der Satelliten-
ist das WorldDEM entstanden, ein globales Hö- daten einer Mission, die täglich verarbeitet werden
henmodell in bisher nicht erreichter Genauigkeit. wollen. Bei heutigen Missionen reden wir von ei-
Im Weiteren leitet Airbus daraus ein Küstenlinien- nem Tagesaufkommen von bis zu 8 Terabyte. Wir
produkt ab. müssen uns ständig Gedanken machen, wie wir
Kann ein Satellit denn auch unter die Wasserober- diese Daten möglichst schnell an die Bodenstati-
fläche gucken? on übertragen bekommen, damit der Bordspei-
Im BASE-Projekt untersuchen wir, wie man durch cher wieder frei wird für neue Aufnahmen. Und
die Kombination verschiedener Satellitensenso- wie wir die Daten mit einer Sicherheit von 99,x
ren bathymetrische Informationen ableiten kann. Prozent auch weiterverarbeitet bekommen. Es ist
Eine Aufnahme des Radarsatelliten TerraSAR-X macht Meereis
und Eisberge sichtbar – dank der aktiven Radarantenne bei
jedem Wetter, durch Wolken und Nebel, bei Tag und Nacht
© DLR
16 Hydrographische NachrichtenSpace hydrography – Wissenschaftsgespräch
sehr wichtig, auch am Boden an der Zuverlässig-
keit zu arbeiten. Jedes Bit, das im Datenstrom drin
ist, muss ausgewertet werden können.
Sämtliche Daten bleiben aber im Archiv erhalten?
Ja, wir sichern die Erdbeobachtungsdaten langfris-
tig. Die Langzeitarchivierung stellt sicher, dass wir
die Daten in Zukunft mit neuen, heute noch nicht
verfügbaren Methoden erneut prozessieren kön-
nen. Erst durch den Rückblick auf mehrere Jahr-
zehnte an Daten sind wir in der Lage, Trends von
Schwankungen zu unterscheiden und die Dynamik
der Erde zu verstehen. Eine wichtige Aufgabe, denn
die Daten sind das, was nach Ablauf einer Satelli-
tenmission bleibt. Es ist der eigentliche Schatz, den
es zu bewahren gilt. Aus diesem Grund muss die
Foto: Egbert Schwarz
Archivtechnologie immer auf dem aktuellen Stand
Bodenstation in Neustrelitz,
der Technik gehalten werden. Wir erneuern regel- im Hintergrund das DLR-Hauptgebäude
mäßig die Archivmedien. Im Hintergrund wird au-
tomatisch geprüft, ob die Daten noch lesbar sind.
Und wenn ein Datensatz nicht mehr lesbar ist? schauen, ob sich an der Topographie etwas ver-
Wir haben in Neustrelitz allein zwei identische Ar- schoben hat, dann flitzt der Roboter im Archiv los?
chive, verteilt in zwei Gebäuden. Für den größten Bei TerraSAR-X sehen wir deutlich den Anstieg
anzunehmenden Unfall existiert für viele Daten der Nutzeranfragen, insbesondere im Bereich der
ein weiteres, vollständiges Abbild in Oberpfaffen- Zeitserienprozessierung. Da werden dann 50 Da-
hofen. Sofern ein Datensatz nicht mehr lesbar ist, tensätze innerhalb kurzer Zeit prozessiert. Die Aus-
erstellen wir einfach eine neue Kopie. Datensicher- wertung von Zeitserien rückt immer mehr in den
heit ist bei uns ein ganz großes Thema. Fokus der Fragestellungen.
Wo liegen die Daten, nur hier in Neustrelitz oder Wussten Sie schon als kleiner Junge, dass Sie was
auch anderswo? mit Satelliten machen wollen?
Je nach Mission. Die Daten von manchen Missio- Nein. Ich habe Elektrotechnik studiert, bin also ein
nen liegen nur bei uns in Neustrelitz. Für andere Seiteneinsteiger. Dass ich zum DLR kam, war ein
Missionen werden die Daten sowohl hier in Neu- glücklicher Zufall. Ich wohnte schon in Neustrelitz,
strelitz als auch in Oberpfaffenhofen archiviert. Ins- als vor 15 Jahren eine Stelle frei wurde.
gesamt geht der Trend dahin, die Daten nicht nur Kann man Sie einen Forschungsmanager nennen?
an einem Ort zu speichern, sondern mit verteilten Manageraufgaben sind durchaus dabei. Es geht
Systemen zu arbeiten. immer auch darum, neue Forschungsprojekte zu
Liegen die Daten nicht auch irgendwo im Netz akquirieren. Und ich habe die Aufgabe, zu schau-
oder in der Cloud? en, wie die Kollegen mit ihren Arbeitspaketen vor-
Für die Speicherung in der Cloud müssen noch ankommen. Eine Kernaufgabe meines Teams ist es,
einige rechtliche Aspekte untersucht werden. Was Komplettlösungen für die Erstellung maritimer In-
ist zum Beispiel, wenn ein Cloud-Provider ausfällt? formationsprodukte zu entwickeln. Wir entwickeln
Oder wenn man den Provider wechseln will? Was Applikationen mit denen wir die Daten direkt nach
passiert, wenn die Daten eine Zeit lang nicht on- dem Empfang zu Informationen verarbeiten. Dies
line sind? Wie lässt sich sicherstellen, dass keine geschieht in enger Zusammenarbeit mit den an-
Daten verlorengehen? Das ist ein sensibles Thema, deren EOC-Standorten. Dabei geht es immer auch
das man mit der gebotenen Sorgfalt betrachten um die Entwicklung neuer Algorithmen oder die
muss. Schauen wir mal, was die Zukunft in puncto Frage, wie wir die benötigten zusätzlichen Daten
Cloud bringt. bereitgestellt bekommen, wie die Daten fusioniert
Wie dürfen wir uns die Archive vorstellen? Liegen und die Produkte entwickelt werden. Und das alles
die Speichermedien im Schrank? mit einer hohen Zuverlässigkeit und einem hohen
Die Medien stehen in einem Roboterarchiv. Über Grad an Automatisierung.
ein Webinterface kann man auf die Daten zugrei- Die Satelliten kommen, wann sie wollen. Richtet
fen. Sobald uns eine Anfrage erreicht, wird der Ro- sich Ihre Arbeitszeit nach den Satelliten?
boter aktiv, sucht aus den vielen Tausend Medien Das Operator-Team an der Bodenstation muss
das richtige raus und übergibt es an ein Lesegerät. die Empfangszeiten berücksichtigen. An 365 Ta-
Dann werden die Daten ausgelesen und dem Pro- gen im Jahr ist die Bodenstation rund um die Uhr
zessierungssystem zur Verfügung gestellt. verfügbar. Einige Kollegen übernehmen auch
Im Archiv sind wirklich alle jemals hier akquirierten Bereitschaftsdienst, um unerwartete Störungen
Daten enthalten? im operationellen Betrieb schnellstmöglich zu
Ja, ohne Verluste. beheben.
Wenn ein Notfalllagezentrum nach einem Erdbe- Empfinden Sie einen gewissen Stolz, an diesen
ben die Daten der letzten Jahre sehen will, um zu wichtigen Missionen mitzuarbeiten?
HN 108 — 10/2017 17Space hydrography – Wissenschaftsgespräch
Ja, durchaus. Bei der Mission TerraSAR-X war ich Bei Produkten zur Öldetektion funktioniert das
von Anfang an dabei. Da haben wir eine Zuver- noch nicht. Hier haben wir es oftmals auch mit
lässigkeit erreicht, die uns schon stolz macht. Na- Lookalikes zu tun. Da sind wir derzeit noch auf
türlich wächst der Anspruch mit der Zeit. Auch auf eine manuelle Interaktion angewiesen. Ein Ope-
hohem Niveau will man immer noch ein wenig rator muss sich das Zwischenprodukt anschauen
besser werden. Stolz sind wir auch, wenn unsere und entscheiden, ob es sich tatsächlich um Öl
Bodenstation Empfangsaufträge bekommt, weil handelt. Auch bei Produkten zur Schiffsdetektion
die KPIs, die Key-Performance-Indikatoren, stim- ist ein prüfender Blick erforderlich, weil ja nicht nur
men. Die Auftraggeber fordern in der Regel für Schiffe das Radarsignal zurückstreuen, sondern
Empfang und Prozessierung eine Zuverlässigkeit auch Seezeichen, Plattformen oder Bauwerke. Für
von mindestens 99 Prozent. bekannte Objekte setzen wir natürlich eine Filter-
Sie haben über Datenprozessierung gesprochen. funktion ein, bei Windparks in der Nordsee zum
Was versteht man unter Pre-Processing, Level-1- Beispiel. Darüber hinaus arbeiten die Kollegen in
und Level-2-Processing? Bremen an Verfahren, um auch hier künftig so
Von Level 0 sprechen wir, wenn die Daten als operationell wie möglich zu werden.
Bilddatensatz zur Verfügung stehen bzw. für die Was wäre ein Beispiel für ein Lookalike von Öl?
Archivierung bereitgestellt werden. Bei Level 1 ist In Nord- und Ostsee kommt es unter bestimmten
das Produkt dann schon geocodiert oder ortho- Witterungsbedingungen vor, dass Wirbel oder
rektifiziert. Level-2-Produkte zeichnen sich durch Strömungen aussehen wie Ölverschmutzun-
einen thematischen Mehrwert aus, das sind dann gen. Bei der automatischen Bildanalyse werden
die Produkte zum Beispiel zur signifikanten Wel- Schwellwerte betrachtet. Liegen diese unter-
lenhöhe, zum Wind in 10 Metern Höhe oder zur halb einer bestimmten Schwelle und weisen ein
Eisklassifizierung. entsprechendes Muster auf, dann detektiert der
Wie hoch ist der Automatisierungsgrad bei der Da- Prozessor dieses als mögliche Ölverschmutzung.
tenprozessierung? Wo muss noch von Hand ein- Solche Lookalikes kommen bei bestimmten Strö-
gegriffen werden? mungsverhältnissen oder auch im Windschatten
Der Automatisierungsgrad ist so hoch, dass in von Plattformen vor.
vielen Fällen kein Eingriff mehr notwendig ist. Wir Zusammengefasst, wofür sind SAR-Daten besser
nutzen die verschiedenen Algorithmen inner- geeignet, wofür optische Daten?
halb eines Frameworks und können so direkt das Mit SAR-Daten kann man schneller größere Ge-
Endprodukt ableiten. Zum Beispiel kann man aus biete aufnehmen, und zwar unabhängig vom Ta-
SAR-Daten anhand der Rauigkeit der Oberfläche geslicht und bei jeder Witterung. SAR-Aufnahmen
die signifikante Wellenhöhe ableiten. Ein solches sind prinzipiell immer auswertbar, wodurch sie ins-
Produkt lässt sich vom Empfang der Daten über besondere für Monitoringaufgaben verlässlich ein-
die Vorprozessierungsschritte bis hin zu den Value- gesetzt werden können. Radarsatelliten sind sehr
adding-Schritten vollautomatisch generieren. gut für marine Informationsprodukte wie Wind,
Strömungen im Pentland Firth. Zwischen schottischem
Festland und der Orkney-Insel South Ronaldsay strömt das
Wasser mit großer Geschwindigkeit. Die beiden Radarsatelliten
TerraSAR-X und TanDEM-X ermöglichen es, diese Strömung
aus dem Weltall zu erkennen und auszuwerten
© DLR
18 Hydrographische NachrichtenSpace hydrography – Wissenschaftsgespräch
Wellenhöhen oder die Detektion von Öl oder Wie viele Leute mit Fernerkundungshintergrund –
Schiffen geeignet. Auch für die Klassifizierung von Geographen oder Geodäten – sind hier tätig?
Meereis sind SAR-Satelliten meiner Ansicht nach Am Standort arbeiten etwa 70 Mitarbeiter, davon
derzeit das Mittel der Wahl. etwa die Hälfte im EOC. Neben den Kollegen mit
Optische Satellitendaten liefern im maritimen Fernerkundungshintergrund, den Anteil würde
Kontext komplementäre Informationen wie ich auf 20 Prozent schätzen, sind auch Informa-
Schwebstoffe und Chlorophyllgehalt – auch Öl tiker, Mathematiker und Physiker beschäftigt,
ist sichtbar. Da optische Kanäle die Wasserschich- bzw. Kollegen mit ingenieurwissenschaftlichem
ten unterschiedlich durchdringen, können diese Hintergrund, zum Beispiel aus der Nachrichten-
Daten für die Ableitung von bathymetrischen In- technik.
formationen eingesetzt werden. Hierfür sind be- Aber wenigstens in Bremen, wo die Anwendungs-
sonders auch die geometrisch hochaufgelösten forschung vorangetrieben wird, ist doch das Do-
Daten im Bereich besser als ein Meter geeignet. Je mänenwissen eines Ozeanographen, eines Hydro-
nach Bewölkung ist die Auswertung jedoch teil- graphen, eines Meteorologen gefragt?
weise eingeschränkt oder auch gar nicht möglich, Ja, bei der Entwicklung im maritimen Thema ist
auch Sunglint-Effekte können die Auswertung er- natürlich auch Domänenwissen gefragt. Dennoch
schweren. geht es sehr interdisziplinär zu. Um eine Applika-
Ist die Erdbeobachtung nur etwas für ein paar we- tion zu entwickeln, müssen die Kompetenzen zu-
nige Spezialisten? sammenkommen, die Systemkompetenz unserer
Nein, mit den frei verfügbaren Daten der Coper- Entwicklungsingenieure und die Domänenkom-
nicus-Missionen wird die Erdbeobachtung mehr petenz der Fachleute, wie beispielsweise auch der
und mehr in die Breite getragen und für verschie- Hydrographen.
dene Anwendungen, privatwirtschaftlich wie be- Was würden Sie gerne besser können?
hördlich, erschlossen. Auch die steigende Anzahl Das Netzwerken. Es ist einfach wichtig, mit Part-
von Anbietern und Start-ups im Markt ist ein Zei- nern vernetzt zu sein. In jedem Projekt kommt es
chen für die zunehmende Akzeptanz der Ferner- auf eine gute Zusammenarbeit im Team an. Nur so
kundung. kann man sich gemeinsam weiterentwickeln. “
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