Dissertation Andrea Holz

268 Pages·2005·23.06 MB·English

by  Andrea Holz

Verkehrsmonitoring mit Hilfe von Radarfernerkundung

Dissertation
zur Erlangung des Grades
„Doktor der Naturwissenschaften“

am Fachbereich Geowissenschaften
der Johannes Gutenberg-Universität Mainz

Andrea Holz
geboren in Frankfurt/M.

Mainz, den 28.01.2005
Tag der mündlichen Prüfung: 27.06.2005
Versicherung
für das Gesuch um Zulassung zur Promotion
im Fachbereich 22 (Geowissenschaften)

Hiermit versichere ich, Andrea Holz, geb. 05.06.1966 in Frankfurt am Main, gemäß § 11 (3) d
der Promotionsordnung vom 30. April 1990, daß ich die hier als Dissertation vorgelegte
Arbeit selbst angefertigt und alle benutzten Hilfsmittel in der Arbeit angegeben habe.

Die vorliegende Arbeit habe ich zu keiner Zeit als Prüfungsarbeit für eine staatliche oder
andere wissenschaftliche Prüfung eingereicht, auch keine Teile der Arbeit. Sie wurde auch
nicht bei einer anderen Fakultät oder einem anderen Fachbereich als Dissertation eingereicht.

Mainz, den 28.01.2005

Zusammenfassung

Für die Zukunft wird eine Zunahme an Verkehr prognostiziert, gleichzeitig herrscht ein
Mangel an Raum und finanziellen Mitteln, um weitere Straßen zu bauen. Daher müssen die
vorhandenen Kapazitäten durch eine bessere Verkehrssteuerung sinnvoller genutzt werden,
z.B. durch Verkehrsleitsysteme. Dafür werden räumlich aufgelöste, d.h. den Verkehr in seiner
flächenhaften Verteilung wiedergebende Daten benötigt, die jedoch fehlen. Bisher konnten
Verkehrsdaten nur dort erhoben werden, wo sich örtlich feste Meßeinrichtungen befinden,
jedoch können damit die fehlenden Daten nicht erhoben werden. Mit
Fernerkundungssystemen ergibt sich die Möglichkeit, diese Daten flächendeckend mit einem
Blick von oben zu erfassen.

Nach jahrzehntelangen Erfahrungen mit Fernerkundungsmethoden zur Erfassung und
Untersuchung der verschiedensten Phänomene auf der Erdoberfläche wird nun diese
Methodik im Rahmen eines Pilotprojektes auf den Themenbereich Verkehr angewendet. Seit
Ende der 1990er Jahre wurde mit flugzeuggetragenen optischen und Infrarot-
Aufnahmesystemen Verkehr beobachtet. Doch bei schlechten Wetterbedingungen und
insbesondere bei Bewölkung, sind keine brauchbaren Aufnahmen möglich. Mit einem
abbildenden Radarverfahren werden Daten unabhängig von Wetter- und Tageslicht-
bedingungen oder Bewölkung erhoben.

Im Rahmen dieser Arbeit wird untersucht, inwieweit mit Hilfe von flugzeuggetragenem
synthetischem Apertur Radar (SAR) Verkehrsdaten aufgenommen, verarbeitet und sinnvoll
angewendet werden können. Nicht nur wird die neue Technik der Along-Track
Interferometrie (ATI) und die Prozessierung und Verarbeitung der aufgenommenen
Verkehrsdaten ausführlich dargelegt, es wird darüberhinaus ein mit dieser Methodik erstellter
Datensatz mit einer Verkehrssimulation verglichen und bewertet. Abschließend wird ein
Ausblick auf zukünftige Entwicklungen der Radarfernerkundung zur Verkehrsdatenerfassung
gegeben.

Abstract

All predictions show an increase in traffic during the next years but, at the same time, space
and budget do not allow for the construction of additional roads. It is therefore necessary to
make better use of the existing capacities and increase efficiency by improvement of traffic
planning and traffic control. This could be achieved through use of data which describes the
spacial distribution of traffic at a certain point in time. However, this type of data is currently
not available, because so far data acquisition is only possible for selected areas by local
detectors. Remote sensing systems are more independent and able to record area-wide data
from a bird’s eye view.

Remote sensing systems have been in use for decades now, in order to investigate a wide
range of phenomena occuring on earth’s surface. This experience has been adopted for traffic
monitoring. Since the late 1990’s airborne optical and thermal infrared sensor systems have
been used for traffic monitoring, but these systems are highly dependent on weather and
daylight conditions. Especially clouds prevent the recording of usable data. With radar remote
sensing, data can be taken nearly independently from these weather conditions.

This survey investigates the possibility of recording traffic data by an airborne Synthetic
Aperture Radar (SAR). Furthermore, it also covers the procedure of data processing, analysis
and presents practical applications. The new technique of Along Track Interferometry (ATI)
and its data processing shall be described in detail. A data set, which has been produced with
this method, is evaluated through comparison with a traffic simulation. Finally, an outlook on
future developments in the field of traffic monitoring with radar remote sensing methods shall
be given.
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis
Seite
Abbildungsverzeichnis................................................................................................. V
Tabellenverzeichnis..................................................................................................... XIII
Verzeichnis verwendeter Symbole............................................................................... XV
Verzeichnis verwendeter Akronyme............................................................................ XIX
Kapitel 1 Einleitung................................................................................................. 1
1.1 Einführung in die Thematik.................................................................................... 1
1.2 Methode und Zielsetzung....................................................................................... 4
Kapitel 2 SAR-Grundlagen...................................................................................... 7
2.1 Überblick über die Radarsysteme............................................................................ 7
2.2 Physikalische Grundlagen....................................................................................... 8
2.2.1 Sensor- und aufnahmespezifische Parameter................................................... 9
2.2.1.1 Frequenz und Wellenlänge......................................................................... 9
2.2.1.2 Polarisation................................................................................................. 11
2.2.1.3 Aufnahmegeometrie................................................................................... 13
2.2.1.4 Systemauflösung........................................................................................ 17
2.2.2 Objektspezifische Parameter............................................................................ 19
2.2.2.1 Oberflächenrauhigkeit und Rückstreuung.................................................. 20
2.2.2.2 Dielektrische Eigenschaft.......................................................................... 21
2.2.2.3 Radargleichung und Rückstreuquerschnitt................................................ 21
2.2.3 Interferenz........................................................................................................ 21
2.3 Radardatenverarbeitung.......................................................................................... 22
2.3.1 Phase und Amplitude........................................................................................ 24
2.3.2 SAR-Bildprozessierung.................................................................................... 24
2.3.3 Multilook-Verfahren........................................................................................ 25
Kapitel 3 SAR-Interferometrie................................................................................ 27
3.1 Prinzip der Along-Track-Interferometrie................................................................ 29
3.2 Interferometrische Prozessierung........................................................................... 30
3.2.1 Kohärenz.......................................................................................................... 30
3.2.2 Interferogrammerstellung................................................................................. 32
3.2.3 Auflösung der Phasenmehrdeutigkeiten (phase unwrapping).......................... 33
I
Inhaltsverzeichnis
3.3 ATI-Phase............................................................................................................... 33
3.3.1 ATI-Antennen und Basislinien......................................................................... 33
3.3.2 ATI-Kanäle....................................................................................................... 35
3.3.3 Prozessierung der ATI-Phase........................................................................... 36
3.3.4 Postprozessierung der ATI-Phase..................................................................... 40
Kapitel 4 Radarsystem und Datenaufnahme.......................................................... 43
4.1 Das AeS-1 Radarsystem......................................................................................... 43
4.1.1 Boden- und Flugsegment.................................................................................. 44
4.1.2 Systemeigenschaften........................................................................................ 46
4.2 Datenaufnahme....................................................................................................... 47
Kapitel 5 Extraktion von Fahrzeuginformation.................................................... 51
5.1 Detektion von Fahrzeugen in ATI-Phasenbildern.................................................. 51
5.1.1 Unterscheidung zwischen Objekt und Hintergrund.......................................... 52
5.1.2 Untersuchung der detektierten bewegten Objekte............................................ 56
5.2 Geschwindigkeitsermittlung................................................................................... 61
5.2.1 Geschwindigkeitsermittlung mit Hilfe des Dopplerversatzes.......................... 63
5.2.2 Geschwindigkeitsermittlung mit Hilfe des Phasenwertes................................ 64
5.2.3 Korrelation der Verfahren zur Geschwindigkeitsermittlung............................ 65
5.3 Fahrtrichtungsbestimmung..................................................................................... 65
5.4 Geokodierung......................................................................................................... 67
Kapitel 6 Beschreibung des Untersuchungsgebiets................................................ 71
6.1 Wirtschaftliche und verkehrsräumliche Struktur der Region München................. 71
6.1.1 Wirtschaftliche und administrative Struktur.................................................... 71
6.1.2 Verkehrsräumliche Struktur............................................................................. 72
6.2 Verkehrsbelastung der Rosenheimer Straße........................................................... 76
6.3 Voraussichtliche Verkehrsentwicklung................................................................. 77
Kapitel 7 Referenzdaten (Ground Truth).................................................................... 79
7.1 Videoaufzeichnungen............................................................................................. 79
7.2 Floating Car Daten.................................................................................................. 84
7.3 Sonstige Daten........................................................................................................ 88
Kapitel 8 Verkehrssimulation.................................................................................. 89
8.1 Referenzdaten (Ground Truth)................................................................................ 89
8.2 Verkehrsraum......................................................................................................... 90
II
Inhaltsverzeichnis
8.3 Verkehrssimulation................................................................................................. 94
8.3.1 Verkehrssimulationsmodelle............................................................................ 94
8.3.2 Durchgeführte Simulation................................................................................ 95
8.4 Ergebnisse............................................................................................................... 97
8.4.1 Vergleich aufgenommener und simulierter Floating Cars................................ 97
8.4.2 Vergleich aufgenommener und simulierter Fahrzeuge.................................... 101
8.4.3 Räumlich-zeitliche Verteilung des Verkehrs.................................................... 107
Kapitel 9 Analyse der extrahierten Fahrzeuginformation.................................... 111
9.1 Räumlich-zeitliche Verteilung der Anzahl der Fahrzeuge...................................... 111
9.2 Geschwindigkeitsverteilung................................................................................... 114
Kapitel 10 Zusammenfassung und Ausblick.......................................................... 125
Literaturverzeichnis................................................................................................... 131
Anhang
Datenlisten der Floating Cars in der Rosenheimer Straße
Datenlisten aller detektierten Fahrzeuge
Karten der räumlich-zeitlichen Verteilung des Verkehrs
III
Inhaltsverzeichnis
IV