DIBMETSAT-3D - 3D basierte Digitale Bildverarbeitung für Meteorologie-Services im Air Traffic Management

Die digitale Bildverarbeitung analysiert, ergänzt und extrahiert Informationen der Meteorologie und unterstützt dabei in weiterer Folge deren Aufgabe hinsichtlich Air Traffic Management (ATM). Dabei wird auf die Erkenntnisse aus der 2D Bildanalyse in der Meteorologie aufgesetzt und diese um 3D-Bildverarbeitungsalgorithmen erweitert. Dies bedingt zusätzlich, dass nicht nur auf die 2D-Maximum projizierten Wetterradarbildserien als Ausgangslage zurückgegriffen wird, sondern auch volumetrische Daten in Kombination mit digitalen Geländemodellen als Datenquelle herangezogen werden.

Kurzbeschreibung

Ausgangspunkt / Motivation

Im Air Traffic Management System werden Analysen und Wettervorhersagen für die Lenkung des Flugverkehrs bis hin zur taktischen Planung verwendet. Genauere Vorhersagen ermöglichen exaktere Planungen und tragen zu einer optimaleren Ausnutzung der vorhandenen Kapazitäten von Luftraum und Airports bei.

Verbesserte Wetterradar-Information erhöht den Safety-Level, signifikante Wettererscheinungen wie Gewitter im Sommer, aber auch gefrierender Regen im Winter werden besser erfasst, luftfahrtrelevanten Gefahren wie Vereisungszonen können genauer detektiert werden.

Die exakte dreidimensionale Erfassung der signifikanten Phänomene hilft ATM ihre Verfahren genauer zu planen und somit Verspätungen zu minimieren. Weniger Delays bedeuten auch weniger Holdings und somit verringerten Schadstoffausstoss.

Ziele

  • Automatisierte Aussagen der Wetterbeobachtung
  • 3D-Korrektur von Störsignalen und Erfassungslücken im Wetterradar
  • Kamerabasierte Messungen - 3D-Analyse 
  • 3D-basierte Strukturerkennung im Weterradar

Inhalt

Mittels Wetterradar lässt sich eine dreidimensionale Beurteilung und Vorhersage des Niederschlags, der Vereisungsgefahr, der Gewitterausdehnung, –intensität und -entwicklung durchführen; daraus werden dann die damit verbundenen Einflussfaktoren und Gefahren für den Flugverkehr wie zum Beispiel Hagel, Windscherung und Turbulenz durch Böenfronten, Fallwinde usw abgeleitet. Dabei wird bei jeder 360° Drehung der Antenne eine Elevation vollständig erfasst, insgesamt werden 16 Elevationen gescannt, damit stehen pro Radarstandort Daten in einem Radius von etwa 224km bis in eine Höhe von  16km zur Verfügung, zusammengesetzt ergibt sich dann eine 3D-Überdeckung von 824x648x16 km.

Methodik / Vorgehensweise

Erste recht erfolgversprechende Tests im laufenden Projekt DIBMETSAT verwenden die 2D-Wetterradardaten sowie die MSG-Satellitendaten zur Generierung eines korrigierten Wetterradarbildes (maxCAPPI-Projektion).

Für den gesamten zur Verfügung stehenden Luftraum - also auch den oberen Luftraum - sowie für Detailanalysen werden 3D-Produkte (z.B. volCAPPI) benötigt. Zusätzlich zu den Verfahren zur Verbesserung und Analyse der Wetterradar- und Meteosatbilder, werden auch lokale Wetterbeobachtungen (Sichtweiten, Wolkenbedeckung) mittels am Markt verfügbarer Kameras und entsprechender Algorithmik durchgeführt.

Aufbauend auf den Ergebnissen an den Flughäfen des laufenden Projekts DIBMETSAT sollen auch hier durch 3D-Betrachtungen weitere Verbesserungen erzielt werden.

Erwartete Ergebnisse

Die Störungsdetektion wird um die vertikale Dimension erweitert. Somit können diese Störungen bereits direkt in den zugrunde liegenden 3D Volumsdaten korrigiert werden. Die 3D-Daten ermöglichen außerdem eine Strukturerkennung, beispielsweise werden schräg stehende Gewitterzellen oder mesoskalig typische Gefahrenmuster detektiert und diese Informationen entsprechend berücksichtigt.

Kamerabasierten Verfahren werden anhand von Topographie-Daten (vor allem digitalen Höhenmodellen) Messwerte liefern. Die Ergebnisse der Messungen werden in den im Flugverkehr üblichen METAR-Code zur Verfügung gestellt.

Alternativ sollen im Bereich der kamerabasierten Messungen auch Thermalkameras eingesetzt werden. Dabei werden aus dem ermittelten Temperaturverlauf die entsprechenden Höhenwerte abgeleitet.

Ergebnisse zu Projektende

Unter zu Hilfenahme von digitalen Höhenmodellen (DEMs) und GIS-Daten konnten kamerabasierte Messungen von Sichtweiten und Bedeckungsinformation außerhalb der definierten Umgebung eines Flughafens durchgeführt werden. Als Alternative zur Messung mit Standard-Kameras wurden auch Thermalkameras eingesetzt. Dabei werden über die ermittelte Wolkentemperatur und zugeordneten Vertikalprofilen aus Modellen und Messungen die entsprechenden Höhenwerte abgeleitet.

Die im Vorläuferprojekt DIBMETSAT entstandenen 2D-Verfahren wurden mit den Methoden der 3D-Thematik kombiniert und an die MET-Systemarchitektur der Partner ACG und MSV angepasst. Somit steht nun ein semi-operationelles Analysesystem zur Verbesserung der Kurzfristvorhersagen in der Meteorologie zur Verfügung.

Aviation Forum Austria 2016: DIBMETSAT-3D

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Projektbeteiligte

Förderprogramm: TAKE OFF