Change detection in SAR-images from the TerraSAR-X satellite with main focus towards harbors and container terminals

Abstract

The detection of changes or no change in a set of images of the same scene recorded at different times is of importance in many applications. The time scale could be from seconds to days or months. Man-made constructions often contain regions with high scattering from radar waves that are readily detected. The use of Non-Coherent Change Detection (NCCD) from intensity images or additionally using the phase information in the complex SAR images in a Coherent Change Detection (CCD) are powerful techniques that can detect changes and even repositioning of objects in almost the same position. This report presents results using both techniques based on satellite SAR images. This exemplifies what can also be obtained by an airborne platform with proper control of radar and navigation. Based on two high resolution satellite images recorded of the Oslo harbor region analysis has been performed to extract information of changes. The two images were recorded with 11 days interval and were co-registered to a fraction of a pixel. The high quality of these images represent an example of what would be the best performance obtainable given that precise control are available in an airborne SAR platform. Analyses have been performed for NCCD and CCD in the two images. Different objects have been studied with a detailed analysis of container terminals and what information could be extracted from such objects. Simulations of SAR images using modeled containers in different stacking configurations are also used to help understand the backscattered response from containers. Based on this knowledge, changes to container stacking configurations were extracted from the images. A coloring scheme was applied to easier extract changes in the CCD analysis. The two magnitude images and the coherence measure from the CCD calculations were used in the R, G and B channel of an image, respectively. Objects only present on day 1 or 2 respectively appear as red or green colored objects. An object with high backscattering that are unchanged from day 1 to day 2 and that result in high coherence will appear as white. A series of objects are presented that show how these techniques can provide powerful tools for change detection.

Deteksjon av om det er endring eller ikke i et sett av bilder tatt ved ulike tider er viktig i mange anvendelser. Tidsskalaen kan være fra sekunder til dager eller måneder. Menneskelagde konstruksjoner har ofte områder som gir kraftig tilbakespredning fra radarbølger som lett lar seg detektere. Bruken av ikke-koherent endringsdeteksjon på intensitetsbilder eller i tillegg å benytte fasen i det komplekse SAR-bildet i en koherent endringsdeteksjon utgjør kraftige teknikker som kan detektere endringer og til og med reposisjonering i nesten samme posisjon. Denne rapporten presenterer resultater hvor begge teknikker er brukt på SAR-bilder fra satellitt. Dette som et eksempel på hva en også kan oppnå fra en flybåren plattform med god kontroll på radar og navigasjon. To høyoppløselige SAR-bilder ble tatt opp over Oslo havn og områdene rundt fra TerraSAR- Xsatellitten. Bildene ble tatt med 11 dagers mellomrom og er benyttet i forbindelse med analyse av endring i scenen. Bildene er av høy kvalitet og metoder for samregistrering med en nøyaktighet på en brøkdel av pikselstørrelsen ble benyttet. Den høye kvaliteten representerer et eksempel på hva en maksimalt kan oppnå også fra en flygende plattform gitt at en har tilstrekkelig nøyaktig kontroll. Analyser ble utført for koherent og ikke-koherent endringsdeteksjon i bildene. Forskjellige objekter har blitt adressert med hovedfokus på containerterminaler og hvilken informasjon en kan trekke ut fra disse. I denne forbindelse ble det simulert SAR-bilder basert på input fra CAD modeller av containere for å bedre kunne tolke tilbakespredningen fra disse i de virkelige SAR-bildene. Endringer i stablingen av containere var ofte mulig å kvantisere gjennom analysene. I forbindelse med visualiseringen av beregningene for koherent endringsdeteksjon ble det benyttet en fargekoding av bildene. De to opprinnelige amplitudebildene samt den beregnede koherensen i hvert pikselelement ble lagt inn i henholdsvis R, G og B-kanalen i et bilde. Objekter som er tilstedeværende kun dag 1 eller dag 2 har lav koherens og fremkommer som henholdsvis røde eller grønne objekter. Faste objekter med høy tilbakespredning og som har høy koherens fremkommer som hvite i bildet. En rekke objekter av ulik type blir presentert for å vise at disse teknikkene kan bidra med kraftige verktøy for deteksjon av endringer.