Untersuchungen zum Korrespondenzproblem bei der Bestimmung mesokaliger Strömungen der Meeresoberfläche anhand von Satellitenbildern

Abstract

Das Korrespondenzproblem ist so alt wie die rechnergestützte Verarbeitung von Bildfolgen. Es beschreibt das Problem, in aufeinanderfolgenden Bildern Korrespondenzen, z.B. in Form von korrespondierenden Punkten, zu finden. Das Ziel dieser Arbeit ist die Lösung des Korrespondenzproblems für die Signaturen unterschiedlicher Filme auf der Meeresoberfläche. Die Bilddaten, auf denen sich die Signaturen abzeichnen, stammen hierbei von unterschiedlichen Satellitensensoren. Da die Filme ausschließlich mit der Oberflächenströmung driften, lässt sich durch die Lösung des Korrespondenzproblems die Meeresoberflächenströmung synoptisch ermitteln. Obwohl die Untersuchungen zum Korrespondenzproblem in der Bildverarbeitung bereits eine lange Tradition besitzen, wurde die kombinierte Verwendung von Radar-basierten und multispektralen Satellitenbilddaten zur Strömungsbestimmung in der Vergangenheit nur ungenügend erforscht. Der Kernaspekt dieser Arbeit besteht daher in der Entwicklung einer generischen Prozesskette, die bereits erprobte Verfahren zur Lösung des Korrespondenzproblems für das Anwendungsgebiet verwendbar macht. Zudem werden Interpretationsmethoden entwickelt und in einem modularen Software-Rahmenwerk interaktiv erfahrbar gemacht. Die Evaluierung der Ergebnisse anhand von numerischen Strömungsmodellen ist sehr vielsprechend und zeigt, dass die entwickelten Verfahren in der Lage sind, das Korrespondenzproblem sensorübergreifend zu lösen und somit die Strömung an der Meeresoberfläche zu ermitteln. Dadurch, dass die ermittelten Strömungsfelder eine bisher nicht erreichte räumliche Auflösung besitzen, können mithilfe der entwickelten Interpretationsverfahren erstmals anhand von Satellitenbildern mesoskalige Eigenschaften der Oberflächenströmung (von 10 – 100 km Größe) entdeckt und interpretiert werden.

The correspondence problem is as old as the research area of computer vision by means of the analysis and processing of image sequences. It describes the problem of finding correspondences of imaged objects in successive images of a sequence, i.e. by means of corresponding points. The aim of this work is to find solutions of the correspondence problem for multimodal imaged signatures of different sea surface films. Since the drift of these surface films is only caused by the local sea surface current, a solution of the correspondence problem yields to a synoptical estimate of the sea surface current. Although the studies on the correspondence problem have a long tradition in the research field of computer vision, the use of radar-based and multispectral satellite imagery by means of current derivation has not been sufficiently demonstrated yet. The main aspect of this work is the development of a generic frame, which makes the well-known approaches applicable to solve the correspondence problem in this application domain. Furthermore, interpretation methods will be developed and integrated by means of a modularly developed software framework, in which the results can be explored interactively. The evaluation of the derived surface current fields based on the comparison with results of numeric current models yields promising results and shows that the developed approaches are able to solve the correspondence problem for images of different modalities and can be used to derive the sea surface currents. Moreover, the derived surface currents are of a high spatial resolution, which is yet unparalleled. Taking advantage of this new high spatial resolution and the developed interpretation methods, turbulent flow properties (with sizes of 10 – 100 km) can be discovered the first time using satellite imagery.