3D synthetic aperture radar simulation for interpreting complex urban reflection scenarios [Elektronische Ressource] / Stefan Josef Auer

Informations

• Publié par: technische_universitat_munchen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 36
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 19 Mo

Extrait

Institut fur Photogrammetrie und Kartographie
der Technischen Universit at Munc hen
Lehrstuhl fur Methodik der Fernerkundung
3D Synthetic Aperture Radar Simulation for
Interpreting Complex Urban Re ection Scenarios
Vollst andiger Abdruck
der von der Fakult at fur Bauingenieur- und Vermessungswesen
der Technischen Universit at Munc hen
zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigten Dissertation.
Dipl.-Ing. (Univ.) Stefan Josef Auer
Vorsitzender:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Reiner Rummel
Prufer der Dissertation:
1. Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Richard Bamler
2. habil. Stefan Hinz
Universit at Karlsruhe
3. Prof. Antonio Iodice, Ph.D
Universit a degli Studi di Napoli Federico II / Italien
Die Dissertation wurde am 9. Dezember 2010 bei der Technischen Universiatt Munc hen eingereicht
und durch die Fakulatt fur Bauingenieur- und Vermessungswesen am 11. M arz 2011 angenommen.23
Abstract
Due to the high spatial resolution of up to 1 m, very high resolution spaceborne SAR sensors
such as TerraSAR-X/TanDEM-X or COSMO-SkyMed enable the monitoring of single objects
on the earth surface. However, the interpretation of the appearance of objects on SAR images
is di cult due to distortion e ects like foreshortening or layover. So far, the nature of scatterers
evoking prominent SAR image features is still not known in detail. Simulation methods based on
rendering algorithms enable to support the visual interpretation of SAR images, as the focus can
be set on the object geometry. Mainly developed for providing test data sets, simulators reported
in the literature are limited to the azimuth-range plane. Additional methods for exploiting the
geometry of simulated data still have to be developed. In order to overcome these limitations,
the work presented in this thesis adresses three new aspects. First, SAR simulation is conducted
in three dimensions, including the elevation domain. Second, methods for the directed analysis
of image signatures are introduced. Finally, the inversion of SAR imaging systems is simulated
for analyzing the physical origin of SAR image signatures.
In order to meet these objectives, a SAR simulator named RaySAR has been developed based
on ray tracing methods which provides simulation products in three steps: modeling, sampling,
and 3D analysis of scatterers. In the modeling step, the geometry and surface parameters of
objects are de ned within a virtual scene. Geometrical and radiometrical information about
signal contributions is captured by sampling the scene. To this end, POV-Ray, an open-source
ray tracer, is adapted in order to provide output data in SAR geometry. In this regard, an
ideal SAR system is simulated which is characterized by in nite resolution in azimuth, range,
and elevation. Specular re ections are detected based on a geometrical analysis of the signal
path. In the last step, scatterers are analyzed in three dimensions based on images simulated
in the azimuth-range plane. Layover situations can be resolved due to the availability of 3D
information. Moreover, SAR image signatures can be linked with the geometry of simulated
objects.
The results of di erent case studies show potentials and limitations of the simulation concept.
With regard to the sampling step, limitations occur due to simpli ed re ection models and a
partial loss of di use multiple re ections. However, RaySAR fully covers specular re ections and
enables to simulate object models characterized by a high level of detail. Concerning the required
level of detail of building models, at least basic facade details have to be geometrically described.
Triple re ections at corners are con rmed as prominent building hints on SAR images.
In addition, signal re ections of bounce levels larger than 3 are likely to appear for isolated
buildings. When using detailed building models, simulated signatures can be automatically
linked to real SAR data. Thereafter, the inversion of the SAR imaging process is enabled by
identifying the corresponding scatterers on the 3D model of the simulated scene. The case
studies reveal, that a high number of SAR image signatures do not directly represent the
geometry of objects. For instance, multiple re ections may be localized in 3D space next to
buildings, on ground or even beneath the ground level.4
Zusammenfassung
Aktuelle satellitengetragene SAR-Systeme wie TerraSAR-X/TanDEM-X oder COSMO-
SkyMed erm oglichen die Uberwachung von Einzelobjekten an der Erdober ache aufgrund
ihrer hohen aumlicr he Au osung. Die Interpretation des Erscheinungsbilds von Objekten in
SAR-Bildern ist dennoch schwierig aufgrund von Verzerrungse ekten wie der Verkurzung oder
Uberlagerung von Objektinformation. Die Natur von Streuern, die deutlich sichtbare SAR-
Bildsignaturen hervorrufen, ist bislang noch nicht im Detail bekannt. Auf Render-Algorithmen
basierende Simulationsmethoden erm oglichen die Unterstutzung der visuellen Interpretation
von SAR-Bildern, indem das Augenmerk auf die Geometrie von Objekten gelegt werden kann.
Bisher ver o entlichte Simulationsverfahren wurden haupts achlich fur die Erzeugung von Test-
datens atzen entwickelt und sind auf die Azimut-Entfernung-Ebene begrenzt. Weitergehende
Methoden fur die Auswertung der geometrischen Information simulierter Daten mussen noch
entwickelt werden. Der in dieser Doktorarbeit pr asentierte Ansatz spricht drei neue Aspekte
an, um diese Limitierungen zu ub erwinden. Zum einen wird die Simulation von SAR-Daten in
drei Dimensionen durchgefuhrt, einschlie lich der Elevationsrichtung. Zudem werden Methoden
aufgezeigt fur eine gesteuerte Analyse von Bildsignaturen. Schlie lich wird die Inversion eines
SAR-Abbildungssystems simuliert, um den physikalischen Ursprung von SAR-Bildsignaturen
feststellen zu k onnen.
Fur die Realisierung dieser Ziele wurde ein SAR-Simulator namens RaySAR entwickelt, der
auf Raytracing-Methoden basiert und Simulationsprodukte anhand von drei Arbeitsschritten
bereitstellt: Modellierung, Abtastung und 3D Analyse von Streuern. Der Modellierungsschritt
beinhaltet die De nition der Geometrie und Ober ache von Objekten innerhalb einer virtuellen
Szene. Geometrische und radiometrische Informationen ub er Signalbeitrage werden durch die
Abtastung der Szene erfasst. In diesem Zusammenhang wird ein ideales SAR-System simuliert,
welches eine unendliche Au osung in Azimut-, Entfernungs- und Elevationsrichtung besitzt.
Spiegelnde Re exionen werden erkannt anhand einer geometrischen Analyse des Signalpfads.
Im letzten Arbeitsschritt werden auf der Grundlage von simulierten Bilddaten in der Azimut-
Entfernung-Ebene Streuer im dreidimensionalen Raum analysiert. Uberlagerungse ekte in
SAR-Bildern lassen sich dabei durch die Verfugbark eit von 3D Information au osen. Darub er
hinaus k onnen SAR-Bildsignaturen mit der Geometrie von simulierten Objekten in Verbindung
gebracht werden.
Die Ergebnisse von verschiedenen Fallstudien zeigen das Leistungsverm ogen und Grenzen
des Simulationskonzepts. Limitierende Faktoren bei der Abtastung sind vereinfachte Re ex-
ionsmodelle und ein Teilverlust von di usen Mehrfachre exionen. Jedoch erlaubt RaySAR
die vollst andige Erfassung von spiegelnden Re exionen und erm oglicht die Simulation von
hochdetailierten Objektmodellen. In Bezug auf den notwendigen Detailierungsgrad von
Geb audemodellen mussen zumindest grundlegende Fassadendetails geometrisch beschrieben
sein. Dreifachre exionen an Geb audeecken werden als hervortretendes Bildmerkmal fur
Geb aude best atigt. Zudem ist das Auftreten von Re exionsgraden gr o er als 3 wahrscheinlich
fur freistehende Geb aude. Die Verwendung detailierter Geb audemodelle erm oglicht eine au-
tomatische Verknupfung von simulierten Bildsignaturen und realen SAR-Daten. Daraus ergibt
sich die M oglichkeit, den SAR-Abbildungsprozess umzukehren und die zugeh origen Streuer im
3D Modell der simulierten Szene zu identi zieren. Die Fallstudien zeigen, dass eine gro e Anzahl
von SAR-Bildsignaturen die Geometrie von Objekten nicht direkt repr asentieren. Mehrfachre-
exionen k onnen im dreidimensionalen Raum beispielsweise neben Geb auden, auf Bodenh ohe
oder sogar unterhalb der Erdober ache lokalisiert werden.5
Contents
1 Introduction 7
1.1 Scienti c relevance of the topic 7
1.2 Objectives and focus 8
1.3 Reader’s guide 9
2 Basics and state of the art 10
2.1 Basics on Synthetic Aperture Radar 10
2.1.1 SAR imaging and radar signal 10
2.1.2 VHR SAR for urban areas 12
2.1.3 Geometrical distortions in SAR images 13
2.1.4 SAR image signatures representing buildings 15
2.1.5 Methods for the localization of scatterers using SAR data 19
2.2 Introduction to render techniques 24
2.2.1 The render equation 25
2.2.2 Rendering algorithms 26
2.2.3 Relevance of render techniques for SAR simulation 28
2.3 SAR simulation - state of the art 29
2.3.1 Concepts for SAR simulation 29
2.3.2 VHR SAR simulation for urban areas 31
2.3.3 Discussion of most related work 31
3 Introduction to RaySAR 34
3.1 3D SAR simulation approach - new aspects 34
3.2 Motivation for using POV-Ray 35
3.3 SAR simulation concept - modeling, sampling, 3D analysis 35
4 Modeling - de nition of 3D scenes 37
4.1 Data sources for 3D building models 37
4.2 Design of the virtual SAR system 39
4.3 SAR simulation radiometry 39
4.3.1 Re ection models