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Validation of Coastal Wind and Wave Fields by High Resolution Satellite Data
Susanne Lehner, Miguel Bruck, Andrey Pleskachevsky
German Aerospace Center
Institut für Methodik der Fernerkundung bzw. Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum
Folie 2Earth Observation Center
2
SWH by CWAVE from Global ENVISAT ASAR Data
J. Schulz-Stellenfleth et al., JGR, X. Li et al., IEEE
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Folie 3Earth Observation Center
3
Spatial variability of sea state (~300m) by TerraSAR-X images
TerraSAR-X Stripmap VV pol. February 9, 2011 19:41Pico island, Azores
5km
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Folie 4Earth Observation Center
4
Hs=3.4Lp=326mT=14.7s
Hs=3.6mLp=310mT=14.1s
Hs=2.4mLp=320mT=14.3s
Hs=3.5Lp=300mT=13.9s
TerraSAR-X Stripmap VV pol. February 9, 2011 19:41Pico island, Azores
XWAVE algorithm Spatial variability of sea state (~300m) by TerraSAR-X images
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Folie 5Earth Observation Center
5
Horizon mask Neustrelitz for TerraSAR-X and ENVISAT
Near Real Time Services for TS-X in < 20 min in European MarSur Projects MARISS with EMSA, JRC, ESA, several European satellite providers
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Folie 6Earth Observation Center
6
Wind Field: XMOD AlgorithmGeophysical
Model Function GMF (Wind Roughness
of Sea
Surface)Connection between Radar NRCS, Wind Speed, Wind Direction and Incidence Angle
Wind Direction
SAR ImageCalibration
NRCS
Einfallswinkel
InversionXMOD
Streaks (2D-FFT, …),Interpolation
WindSAR Image
Flight Direction
waves
Wind Incidence
Angle Wind-Flight
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Folie 7Earth Observation Center
7
Development of the X-band GMF for sea surface wind field retrieval
directionlook SAR anddirection ndbetween wi angle angle; incidence
speed; wind10
—
—
—
U
)2cos()2cos()sin(),,( 104321010100 UxxxUxxU
2
010100 )cos),,((,,
nn nUAU
XMOD1, linear inversion
XMOD2, non-linear inversion, comparable to CMOD GMF
XMOD1, Y. Ren et al, IJRS, tuning dataset from X-SAR (shuttle mission)XMOD2, X. Li et al, Spie 2011 (tuning onTS-X data)
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Folie 8Earth Observation Center
8
Comaprison of Wind Speed Algorithms
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Folie 9Earth Observation Center
9
Case study over Alpha Ventus
Alpha Ventus is the first offshore wind farm of Germany, located at the North Sea
90 m
58 m
5MW Wind turbine
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Folie 10Earth Observation Center
10
TS-X StripmapAug.7, 2011 at 17:18 UTC
VV polarization,spatial res. 3 m
Case study over Alpha Ventus, Wind Farm North Sea
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Folie 11Earth Observation Center
11
Sea surface wind field derieved from the TS-X data over Alpha Ventus
XMOD2 XMOD1
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Folie 12Earth Observation Center
12
DWD @ 18:00UTC
Comparison of TS-X wind measurements to DWD (global) model
Higher variability in TS-X data
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Folie 13Earth Observation Center
13
wind
Wind Input K-Model
wind+3m/s
wind - 3m/s
GKSS- wave rider buoy measurement
Lehner, IJRS, 2011
Hs modelled by K-model
GKSS (HZG) buoyJONSWAP Area
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Folie 14Earth Observation Center
14
)(mFFTS
meanmeanjiIm
),(
min
max
),(k
k
dkdkSE
XWAVE: Sea State Parameters from TerraSAR-X Imagessub-scene
100 m
50 m
buoy spectrum integrated image spectrum
2D image spectrum
2-D Imagespektrum im Wellenzahlraum
1D Spektrumim Frequenzraum
signal intensity I
signal modulation m
image spectra S
filtering, Lmin
, Lmax
Parameters: Hs
, Lp
,Tp
…
XWAVE function
I
TerraSAR-X SM
Elbe estuary
sub scene
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Folie 15Earth Observation Center
15
Statitistics Wave Length XWAVE Empirical Algorithm
321 )cos0.1(0.4* aaEaHs
Collecting data set over NOAA buoys, Image data have to be ordered for acquisition about 2 days in advance
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Folie 16Earth Observation Center
16
flight
α
θ
waves
XWAVE Algorithm: estimation of Significant wave height from TS-X data
321 ))cos(0.1(sin4 aaEaHs E -
total energy calculted
from the image spectrum in domain λmin andλmax .
θ
-
the incidence angle α
-
peak wave direction relative to azimuth(satellite flight) direction
a1 ..a3
-
coefficients determined by TS-X,TD-X data fitting with wave height given by buoys and DWD (German weather center) wave model data.
based on analysis of image spectra and uses fitted parameters
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Folie 17Earth Observation Center
17
Modelling of Sea State over Helgoland with K Model and boundary conditions from TS-X
Lehner et al. IJRS, 2011
Topography BSHNorth Sea, Helgoland
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Folie 18Earth Observation Center
18
SWH from K-Model with boundary conditions from TS-X
The wind field: XMOD
boundary spectra include two parts:- swell (obtained using XWAVE) - wind sea (JONSWAP spectra)
Boundaty spectra from TSXXWIND , XWAVE
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Folie 19Earth Observation Center
19
Application: Sea-State spatial Variability and Wind Field estimationusing TerraSAR-X Synthetic Aperture Radar Data
- Spatial variability is observed by TS-X imagery
- Wind field estimated
collocated measurement
s
Independent measurements
Comparison of spectral shape parameters for image and wave
spectra
buoy
buoysea state at wave power plant differs
from the one at the buoy location
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Folie 20Earth Observation Center
20
0
10
20
30
40
50
60
0 0.05 0.1 0.15 0.2frequency(Hz)
S(m
2/H
z)
2011-02-14Hs
(m)
Tp
(s)
T02
(s)
T-10
(s)m (°)
Buoy 19:30 4.7 16.7 11.6 14.2 347
TS-X 19:41 4.3 18.1 11.8 14.6 351
Example: Pico island, Sea State near Pico Wave Farm
1d frequency spectrum 2d spectrum
Buoy spectrumSAR spectrum
M.Bruck et al, EWTEC, 2011
SM, VV polarization, February 14, 2011
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Folie 21Earth Observation Center
21
Pico island: TD-X Stripmap VV polarization. February 14, 2011 19:49
Wind vectors derived by the ASCAT Wind speed derived from TS-X data
,
ASCAT time: 22:00
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Folie 22Earth Observation Center
22
Determination of Underwater Bathymetry
Rottenest Island
using Dispersion Relation
A. Pleskachevsky et al., Ocean Dynamics
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Folie 23Earth Observation Center
23
Grid size 150m
Underwatertopograpy from TerraSAR SAR and Optical
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Folie 24Earth Observation Center
24
Determination of Underwater BathymetryValidation
A.Plekachevky et alOceandynamics, 2011
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Folie 25Earth Observation Center
25
Estimation by XMOD and XWAVE algorithm
Comparison/Validation of wind field sea state parameters derived from TS-X SAR data with in-situ buoy measurements.
Characterization of sea sate using integrated sea state and spectral shape parameters
SummaryObtained information on the highly variable wind field and sea state in coastal areas using high resolution TerraSAR data
Use information from refraction to obtain underwater bathymetry
Methods
GoalReal Time Satellite Services for North Sea, Baltic Sea, Mediterranean in cooperation with DWD
NRT Maritime Monitoring Services in European Framework, EMSA, JRC, FRONTEX
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Folie 26Earth Observation Center
26
Thank you for your attention !
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Folie 27Earth Observation Center
27
ENVISAT Wind Sea State Oil
Land-Water Line Bathymetry Sea Ice
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Folie 28Earth Observation Center
28
TerraSAR-X Nominal Imaging Modes
SpotLight ModeResolution: 1 m ´ 1,5... 3,5 mScene Size: 10 km ´ 5...10 km
[Range ´ Azimuth]Harbour, breakwaters, platforms
StripMap ModeResolution: 3 m ´ 3 mScene Size: 30 km ´ 50 km
[Range ´ Azimuth]Coastal NRT < 20 min
ScanSAR ModeResolution: 16 m ´ 16 mScene Size: 100 km ´ 150 km
[Range ´ Azimuth]Ships , sea ice
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Folie 29Earth Observation Center
29
Boxsize: 770 m
Pico island: Spotlight VV polarization, 27 March 2010 19:41
m 256λ p 322p
m 244λ p 330p
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Folie 30Earth Observation Center
30
Wind Field Algorithm XMOD 1.0
Wind direction [ ] Incident angle [ ]
NRCS by XMOD dependent onIncidence angle and wind direction (at angle of 35°).
Y. Ren et al IJRS, PORSEC 2010
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Folie 31Earth Observation Center
31
Randspektrum aus zwei Teilen:- Dünung (XWAVE) - Windsee (JONSWAP)
Windfeld: XMOD AlgorithmusSeegang: XWAVE Algorithmus
TerraSAR-X Szene Wind und Randwerte Topographie und Seegangsmodell
Seegangsmodel Ergebnisse
Implementierung aus SAR abgeleiteter Parameter in numerische Seegangsmodelle
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Folie 32Earth Observation Center
32
0
10
20
30
40
50
0 0.05 0.1 0.15 0.2frequency(Hz)
S(m
2/hz
)
Graciosa island: Stripmap VV polarization February 13, 2011
1 D spectrum
2011-02-13 Hs (m)
Tp
(s)
T02
(s)
T-10
(s)
m
(°)
Buoy 8:39 4.8 15.4 9.7 12.9 341
TSX 7:55 5.2 15.4 7.4 13.5 310
Buoy spectrumSAR spectrum
2 D spectrum
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