Ozeanforschung: Wie werden Satellitendaten verarbeitet?

27/10/2021

Durch die Erforschung und Beobachtung der Ozeane, zum Beispiel der Meereshöhe, können wir den Klimawandel auf unserem Planeten nachvollziehen und die marinen Ökosysteme schützen. Beobachtungssatelliten sind für die Gewinnung dieser Informationen unverzichtbar geworden. Die Kamera- und Radarbilder und die Rohdaten, die von den Sensoren in mehreren hundert Kilometern Entfernung von der untersuchten Oberfläche geliefert werden, müssen aufbereitet werden, bevor sie verwendet werden können. Die Erfassung und Verwaltung dieser Daten in großen Mengen und mit vielen Informationen ermöglicht Analysen mit Hilfe von künstlicher Intelligenz und die Implementierung von Schutzvorrichtungen.

Mit Erfahrung im Bereich Big Data für die Raumfahrt entwickelt ALTEN für seine Kunden immer raffiniertere und leistungsfähigere Datenverarbeitungstechniken, um zur Entwicklung wichtiger neuer Technologien zum Schutz der Umwelt beizutragen. Doch wie werden die von den Beobachtungssatelliten gesammelten Rohdaten nutzbar gemacht?

Beobachtung der Ozeane: Auswahl und Verwertung von Daten

Um das Verhalten der Ozeane zu untersuchen, nutzen Wissenschaftler Satelliten auf zwei Arten:

  1. Die erste Methode besteht darin, Daten aus dem Weltraum abzulesen. In diesem Fall befinden sich die Satelliten in einer sonnensynchronen Umlaufbahn (Höhe zwischen 35 und 786 km) und sind mit fotografischen Sensoren oder Radaren ausgestattet. Auf diese Weise können Sie in regelmäßigen Abständen „Rohbilder“ sammeln, indem Sie die Ozeane überfliegen. Sobald die Bilder aufgenommen sind, werden sie von den Satelliten an die Bodenstationen übertragen.
  2. Die zweite Methode wird als „In-situ-Messung“ bezeichnet: Der Satellit ist dann nur ein Relais zwischen einem Offshore-Messgerät und dem Datenerfassungszentrum. Zu diesem Zweck verfügen Meeresforschungsorganisationen über Netzwerke von Bojen und Baken in den zu untersuchenden Gebieten. Diese sind in der Lage, Parameter wie die Wassertemperatur oder den Salzgehalt zu messen. Die Ergebnisse werden dann über eine Satellitenverbindung übertragen.

Die von den Bodenstationen gewonnenen Daten können nicht verwendet werden. Während der Erfassung durch die Satelliten werden Daten durch zahlreiche Faktoren beeinträchtigt, wie die Atmosphäre, die Entwicklung der Satellitenposition und Wolken. Die Daten müssen daher aufbereitet werden, um die Auswirkungen von Störungen zu korrigieren, die während der zweiten Erfassung durch den Satelliten auftreten.


Datenerfassung durch Satelliten mit Radaren, Scatterometern und Höhenmessern


Beispiele für Faktoren, die die während der zweiten Erfassung durch den Satelliten gesammelten Daten verfälschen können.

Wie werden Satellitenbilder verarbeitet? 

Die Umwandlung der von den Satelliten gewonnenen Rohdaten in Daten, die die Kunden nutzen können, erfordert ein Verfahren der Datenverarbeitungskette. In diesem Sinne werden die Verarbeitungssysteme von den verschiedenen Raumfahrtagenturen nach dem CEOS-Standard standardisiert und in mehreren Stufen beschrieben:

  • Stufe 0: Die Daten werden rekonstruiert, aber nicht verarbeitet. Sie werden vom Satellitennetz in voller Auflösung und mit allen für die übergeordnete Verarbeitung notwendigen Informationen geliefert.
  • Stufe 1: Alle Pixel wurden zum selben Zeitpunkt während eines Überflugs des Satelliten erfasst. Die Verarbeitung stellt keine Hypothesen über die beobachtete Umwelt auf. Jedes Pixel des Bildes wird auf die gleiche Weise verarbeitet. Das Ergebnis drückt die Daten im physikalischen Maßstab aus.
  • Stufe 2: Die Daten müssen ebenfalls in wenigen Augenblicken erfasst werden. Diesmal sind jedoch nach Pixeltyp differenzierte Verarbeitungsarten zulässig. Es ist möglich, Annahmen über die Atmosphäre, den Zustand des Meeres, die Reflexionen der Sonne oder die relative Drehung der Erde zu treffen, um die Bilder zu korrigieren.
  • Stufe 3:  In diesem Fall besteht das Ergebnis aus Daten, die zu verschiedenen Zeitpunkten erfasst wurden. Die Bilder können auf die gleiche Weise retuschiert werden, wie in Stufe 2 beschrieben, und sie können zusammengefügt werden, um Klimastörungen zu korrigieren. In der Regel handelt es sich um periodische Zusammenfassungen (wöchentlich, 10 Tage, monatlich) der auf Stufe 2 gewonnenen Daten.
  • Stufe 4: Dies sind die Modelloutputs oder die Ergebnisse der Datenanalysen der unteren Stufen. Mit anderen Worten, es handelt sich um Variablen, die nicht direkt von den Instrumenten gemessen werden, sondern von ihnen abgeleitet sind. Aus den Daten über die Meereshöhe lässt sich zum Beispiel die Position von Meeresströmungen ableiten.

Mehrere Ingenieurteams müssen dann daran arbeiten all diese Informationen zu verarbeiten:

  1. Ein erstes Team ist für die Implementierung von Algorithmen (Glättung, lineare Interpolation) zuständig, die ausgehend von einem ungenauen Bild dieses so korrigieren, dass es brauchbar wird.
  2. Ein zweites Team ist für die Überprüfung der Position und des Winkels der Informationserfassung der Satelliten zuständig. Da sich die Satelliten mit hoher Geschwindigkeit um die Erde bewegen, kann es zu Ungenauigkeiten bei ihrer Position kommen.
  3. Ein letztes Team analysiert die gewonnenen Messungen wie Salzgehalt, Meeresspiegel oder Strudel und stellt die Studien den Kunden zur Verfügung.

Die Bedeutung der Satellitenposition für die Übereinstimmung mit dem beobachteten sichtbaren Korridor.

Welche Tragweite haben diese Messungen? 

Meeresbeobachtungsdaten sind weltweit von größter Bedeutung für die ökonomische, ökologische und soziale Entwicklung.

  • Ökonomisch: da sie z.B. zur Abgrenzung und Untersuchung von Fischereigebieten verwendet werden. Insbesondere die Karte von  globalfishingwatch.org wurde anhand von Satellitendaten erstellt. Dieses Tool verfolgt alle Fischereifahrzeuge in den Weltmeeren in Echtzeit. Bei 90% der Fischereigebiete ist es außerdem möglich, die Meeresgebiete und ihren Grad der Ausbeutung oder Überfischung zu überwachen.
  • Ökologisch: da die Untersuchung des Meeresspiegels einer der wichtigsten Faktoren ist, um den Zustand der globalen Erwärmung zu beschreiben. Eine der Errungenschaften der Satelliten ist ihre Fähigkeit, die Auswirkungen des Menschen auf die marinen Ökosysteme zu beobachten und die Entgasung von Kohlenwasserstoffen festzustellen. Diese Maßnahmen sind umso wichtiger, wenn man weiß, dass beispielsweise 2019 die Entwicklung der Ölpest, die durch den Untergang des Frachters Grande America verursacht wurde, mit Hilfe von Satelliten überwacht werden konnte oder dass auf dem französischen Festland mehr als eine Million Menschen in einem Umkreis von 500 Meter von der Küste leben – ein Anteil, der sich weltweit betrachtet sogar auf 16% beläuft.
  • Sozial: denn Satelliten sind wichtige Instrumente für die Beobachtung der Ozeane und die Untersuchung von marinen Wetterphänomenen. Sie liefern nicht nur regelmäßig nützliche Informationen für die Wettervorhersage, sondern werden auch zur Untersuchung von Extremereignissen wie Tsunamis eingesetzt. In diesem Fall können sie die ersten Warnsignale weiterleiten, die von den „DART“-Bojen auf See ausgesendet werden, oder sie ermöglichen es, die Ausbreitung und Intensität von seismischen oder anderen Wellen genau zu untersuchen.

Eine weitere Rolle der Satellitenüberwachung wurde durch den Vorfall von Kevin Escoffier im Jahr 2020 deutlich. Der Segler nahm an der Vendée Globe teil, als er ein Notsignal absetzte. Dank der Bake auf seinem Boot konnte der Skipper schnell gefunden und gerettet werden. Diese Baken sind für die Sportschifffahrt obligatorisch geworden und werden über das Satellitennetz betrieben.

Aus all diesen Gründen sind die Ozeanbeobachtung und die Zuverlässigkeit der Satellitendaten äußerst wichtige Themen. Der Schlüssel zur Weiterentwicklung dieser Aktivitäten liegt in der Notwendigkeit einer schnelleren und zuverlässigeren Datenverarbeitung, auch wenn der eingehende Datenstrom wächst. Die Experten konzentrieren sich insbesondere auf die Entwicklung neuer Algorithmen der künstlichen Intelligenz, um diesen Anforderungen gerecht zu werden.

 



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