Sea State measurements using TerraSAR-X/TanDEM-X data

Bruck, Miguel

The high-resolution synthetic aperture radar (SAR) satellite TerraSAR-X (TS-X), which was successfully launched in 2007 and its twin TanDEM-X (TD-X) launched in 2010, deliver radar images of up to 1m resolution over land and ocean, for scientific and commercial applications. This thesis focuses on the development of an algorithm to derive the significant wave height (H_s) from TS-X and TD-X data. The result is the empirical algorithm XWAVE that, in contrast to other existing methods, operates without the need of a priori information. It is based on correlations of different SAR derived parameters with in-situ sea state measurements taken by buoys. The data used consists of a set of 200 TS-X/TD-X VV polarized StripMap SAR images collocated with buoys in deep water (>100 m). From that data-set, 100 data pairs are used for tuning and the remaining 100 are taken for validation of the algorithm. The algorithm uses Fourier analyses of TS-X/TD-X scenes and extracts spectral parameters. For the deduction of H_s, these parameters are weighted with coefficients tuned to match the collocated in-situ buoy wave measurements. The algorithm takes into account the dependency of the spectral properties on incidence angle, sea surface wind speed and wave traveling propagation direction with respect to the satellite heading. The validation results of H_s derived by the XWAVE algorithm against in-situ wave measurements show a very good agreement with a correlation R of 91%, a scatter index Si of 0.21 and a bias of 0.01 m. This thesis includes case studies of TS-X/TD-X acquisitions taken at different wave conditions and incidence angles. The intermediate steps and final results of the XWAVE algorithm are compared in detail with corresponding buoy measurements. Additionally, case studies of TS-X imagery of coastal areas are presented. The capability of the developed algorithm XWAVE to capture and resolve high spatial variable sea state conditions is demonstrated.

Die hochauflösenden SAR Sensoren der Zwillingssatelliten TS-X und TD-X, die in den Jahren 2007 bzw. 2010 gestartet wurden, liefern Radarbilder von bis zu 1m Auflösung der Land oder Meeresoberfläche für wissenschaftliche und kommerzielle Anwendungen. Die vorliegende Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Algorithmus zur Ableitung der Signifikanten Wellenhöhe Hs, aus TS-X oder TD-X Daten. Das Resultat dieser Doktorarbeit ist der empirische Algorithmus XWAVE. Er arbeitet autark und benötigt im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen keine a-priori Information über den Seegang. Die entwickelte Methodik beruht auf der Analyse von Korrelationen verschiedener aus SAR Daten abgeleiteter Parameter und in-situ Messungen des Seegangs durch Bojen. Die verwendeten Daten bestehen aus 200 TS-X/TD-X VV polarisierten StripMap Szenen, die über Bojen im Tiefwasser (> 100m) aufgenommen wurden. Der Datensatz wurde unterteilt in 100 Szenen zur Feinjustierung der Algorithmusparameter und 100 Szenen zur Validierung der Ergebnisse. Der Algorithmus verwendet als Methode die Fourier Analyse der SAR Bilder um eine Zahl von spektralen Parametern zu extrahieren. Zur Ableitung von Hs werden diese Parameter in Termen mit angepassten Koeffizienten gewichtet um die Werte der Bojenmessungen zu reproduzieren. Der Algorithmus berücksichtigt dabei die Abhängigkeit der spektralen Eigenschaften vom Radar Einfallswinkel, von der lokalen Windgeschwindigkeit und vom Winkel zwischen Wellenausbreitungsrichtung und Satellitenflugrichtung. Der Vergleich der mit XWAVE errechneten Hs des Validierungsdatensatzes mit in-situ Bojenmessungen zeigt eine sehr gute Übereinstimmung mit einer Korrelation R von 91%, einem Scatter-Index Si von 0.21 und einem Bias von 0.01m. Die Arbeit enthält Fallstudien von TS-X/TD-X Aufnahmen bei verschiedenen Seegangsbedingungen und Einfallswinkeln. Die einzelnen Zwischenschritte und Terme des XWAVE Algorithmus werden im Detail mit den entsprechenden Bojenmessungen verglichen.

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Bruck, Miguel: Sea State measurements using TerraSAR-X/TanDEM-X data.

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