Satellitendaten leicht gemacht

Mit CODE-DE hat das DLR den webbasierten Zugang zu Copernicus-Daten auf Basis eines Cloud-Services wesentlich vereinfacht.

Die Nutzung von Satellitendaten brachte damals wie heute verschiedene Herausforderungen mit sich, vor allem in Bezug auf die hohen Datenvolumina. Zwar ist in den letzten Jahren die Computerinfrastruktur vielerorts verbessert worden, gleichzeitig ist jedoch auch die zu verarbeitende Datenmenge enorm gestiegen: Die Sentinel-Erdbeobachtungssatelliten des Copernicus-Programms der europäischen Weltraumagentur ESA beispielsweise produzieren täglich alleine 150 Terabyte Daten. Mit dem entsprechenden Effekt, dass viele der potentiellen Anwender in unterschiedlichen Branchen das enorme Potenzial der Copernicus-Daten für ihre individuellen Anforderungen nicht in Wert setzen können. Vor diesem Hintergrund hat das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) im Jahr 2017 das Projekt „Copernicus Data and Exploitation Plattform Deutschland“, kurz CODE-DE, gestartet. Damit wurde ein effizienter, schneller und umfassender Zugang zu den Daten der Sentinel-Satelliten des europäischen Copernicus-Programms sowie zu den Copernicus-Diensten und anderen Erdbeobachtungsdaten möglich.

Wie sehen die Agrarflächen rund um Köln aus? Aufschluß geben Daten des Sentinel-2-Erdbeobachtungssatelliten über die Plattform CODE-DE. Foto: CloudFerro Sp. z o.o

Seit April 2020 wird das Portal in einer zweiten Phase weiterentwickelt und stetig verbessert. Grundsätzliches Ziel von CODE-DE ist es, dass Anwender einfach zu den Daten gelangen und diese schnell sowie barrierefrei nutzen können. Anwender aus vielen verschiedenen gesellschaftlichen Bereichen wie Behörden oder Kommunen, der Land- und Forstwirtschaft, der Meteorologie, der Stadtentwicklung und dem Naturschutz sollen davon profitieren. Dies entspricht auch den reellen Nutzungsprofilen von CODE-DE. „Nicht nur die Zahl der registrierten Nutzer steigt beständig, sondern auch die Datennutzung“, sagt Dr. Michael Schmidt, Projektverantwortlicher im DLR Raumfahrtmanagement für CODE-DE. Um die Nutzer zu den Daten zu bringen, sind Virtuelle Maschinen (VM) und Docker auf CODE-DE verfügbar. Sie sorgen dafür, dass nutzerseitig weniger IT-Ressourcen benötigt werden, um Daten zu transferieren, zu migrieren oder zu laden. Die modernen IT-Technologien erlauben es nämlich, die anspruchsvollen Prozesse in einzelne Microservices und verteilte Software-Architekturen abzubilden und so eine wesentlich bessere Gesamtperformance zu erzielen.

Verwertung von Copernicus-Daten in Deutschland

Hintergrund des modernisierten Portals für Erdbeobachtungsdaten ist die Copernicus-Strategie der Bundesregierung. Das BMVI hat das DLR-Raumfahrtmanagement damit beauftragt, entsprechende nationale Maßnahmen zu realisieren, zu denen CODE-DE gehört. Betrieben wird die Plattform von der Firma CloudFerro, einem in Europa führenden Anbieter von Cloud-Infrastruktur als Service, sowie der Erteco Technologies GmbH, einem Technologie- und Softwareentwicklungsunternehmen aus München. Grundsätzlich ging es darum, mit CODE-DE den unbeschränkten Zugriff auf die Daten der Satelliten Sentinel-1, -2, -3 und -5p des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus über einen nationalen Zugang noch einfacher, schneller und unkomplizierter zu machen.

Vorraussetzung für die Nutzung eines Cloud-Dienstes sind aus Nutzersicht in erster Linie die Datensicherheit und Datenschutz. Daher unterliegen die IT-Infrastruktur wie auch alle Nutzerdaten von CODE-DE dem nationalen Datenschutz und den Standards des Bundesamtes für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) – insbesondere, was die Nutzung externer Cloud-Systeme betrifft. Sämtliche Nutzer- und Portaldaten werden ausschließlich auf Servern in Frankfurt am Main gespeichert und verarbeitet, auf denen auch alle seitens der ESA aufgenommenen Copernicus-Daten über Deutschland vorgehalten werden. Daher kann das Portal auch von Bundesbehörden uneingeschränkt verwendet werden. CODE-DE-Nutzer profitieren zusätzlich bereits von Synergien mit der europäischen Erdbeobachtungs-Plattform CREODIAS, da so auch der Zugang zu globalen Daten gegeben ist. „Hierdurch hat CODE-DE deutlich an Flexibilität und Kapazität gewonnen“, betont Dr. Schmidt. „Viele neue Daten und Dienste ergänzen jetzt das bisherige Portfolio“, so Dr. Schmidt. Das Portal bietet darüber hinaus über Prozessierung mit Grafikkarten (GPU) eine effektive Arbeitsumgebung für Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI).

Monatliches Bildmosaik flächendeckend für Deutschland

Auf der Plattform www.code-de.org befindet sich auch der EO Browser, mit dem Nutzer einfach EO-Daten recherchieren und downloaden können. Foto: DLR; pixabay (Nick H)

Zu den neuen Diensten gehören der MAJA-Prozessor (MACCS ATCOR Joint Algorithm) und FORCE, die eine verbesserte bzw. alternative Atmosphärenkorrektur der Bilder vom Sentinel-2-Satelliten ermöglichen. Das Satellitenpaar von Sentinel 2 liefert multispektrale Erdbeobachtungsdaten, die beispielsweise für Klimaschutz, zur Landüberwachung sowie zum Katastrophen- und Krisenmanagement genutzt werden können. Dabei werden Effekte, welche die Atmosphäre aufgrund von Einflüssen von unterschiedlichen Anteilen von Aerosolen auf die Aufnahmen des optischen Satelliten hat, herausgerechnet. Zu diesen Effekten zählen auch die Streuung und die Absorption elektromagnetischer Strahlung durch Variationen des Wasserdampfgehalts in den unteren Atmosphärenschichten. Das so erhältliche Level-2-Datenprodukt steht somit für Nutzer direkt für die weitere Auswertung bereit. Neu sind auch „Monatliche Bildmosaike“: Hierbei werden aus aktuellen Aufnahmen des Sentinel-1-Satelliten sowie einem zweiten Komposit aus MAJA-korrigierten Sentinel-2-Daten jeden Monat flächendeckende Deutschlandbilder zum ebenfalls kostenlosen Download angeboten. Zudem bietet CODE-DE nun auch einen interferometrischen Sentinel-1-Prozessor, bei dem durch das Prozessieren der hochgenauen Radardaten selbst kleinteilige Veränderungen wie etwa Bodenbewegungen, Änderungen der Bodenfeuchte oder durch Sturm verursachte Schäden auf der Erdoberfläche sichtbar gemacht werden können.

Wolkenmaske erleichtert die Datenauswertung

Zudem können Sentinel-2-Wolkenmasken (Sen2Cor, MAJA oder FORCE) abgerufen werden, mit der Wolken auf den Satellitenbildern erkannt werden können, was die Datenauswertung vereinfacht. Ebenfalls neu ist die Anwendung „Jupyter Hub“. Mit ihr können interaktive Programmcodes, Visualisierungen und Informationen zur jeweiligen Anwendung schnell und einfach getestet und anderen bereitgestellt werden. Den Nutzern von CODE-DE steht über das Helpdesk zudem eine Telefonhotline zur Verfügung, die eine schnelle und individuelle Hilfe bei allen Fragen zum Portal und den Anwendungen gewährleistet.

Einfache Datennutzung

Die Copernicus-Daten können von Nutzern einfach via Standardbrowser heruntergeladen werden. Auf der CODE-DE-Webseite gibt es dazu den EO BROWSER und FINDER. Im BROWSER können Sentinel Daten oder beispielsweise auch Daten des Copernicus Land Dienstes (CORINE Landcover) für eine optische Inspektion visualisiert werden. Hier stehen einige vorprozessierte Bandkominationen und Indices zur Verfügung. Im FINDER wählen Nutzer einen Datenkatalog (CODE-DE, Creodias oder die beitragen- den Copernicus-Missionen) aus. Über eine Punkt- oder Polygonsuche und weitere Sucheinstellungen (etwa Satellit oder Grad der Wolkenabdeckung), zeigt die Anwendung daraufhin alle verfügbaren Bilddaten sowie die Lage der Daten auf dem System. Hierzu wurde auch eine API-Schnittstelle bereitgestellt. Die Datenprodukte stehen dann ebenfalls als Download sofort zur Verfügung. Über Datensuche und -visualisierung hinaus kann hier mit einer Reihe von Prozessoren eine Datenverarbeitung – zum Beispiel zur Atmosphärenkorrektur mit FORCE oder dem Sentinel-1 Interferometrischen Prozessor – Cloudbasiert durchgeführt werden, wodurch Daten schnell zur Verfügung stehen. (sg)

www.d-copernicus.de

www.cloudferro.com

www.code-de.org