Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie Institut für Meteorologie und Geophysik Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger Sommersemester

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Institut für Meteorologie und Geophysik

Einführung in die Fernerkundung

Leopold Haimberger

Sommersemester 2014

Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

Über den Vortragenden …

• Ao. Prof. Leopold Haimberger– [email protected]– http://homepage.univie.ac.at/

leopold.haimberger/– Zimmer 2F512, Tel. 4277-53712

• “Sprechstunde”: nach den UE

mailto:[email protected]


Vorlesung

• Fr, 9.00-11.00, Raum 2E206• Übungen Fr 12-13 und 13-14, Raum 2F513

• Prüfung: mündlich, nach Ende der VO– Termine: nach Vereinbarung

• Unterlagen:– ftp://srvx7.img.univie.ac.at/pub/Fernerkundung/

Aus dem Studienplan


ECTS Gesamt: 5 NPI: 3 PI: 2Beschreibung/Inhalt Das Modul führt in das Gebiet der Fernerkundung ein und hatfolgende Schwerpunkte:− Elektromagnetisches Spektrum− Radianz, Strahlungsgesetze− Wechselwirkung: elektromagnetische Strahlung und Materie− Das Vorwärts- und das Retrievalproblem− Elektrooptische Systeme− Temperatur- und Spurenstoffprofile− Limb-sounding− Passive und aktive Mikrowellensysteme− RADAR/LIDAR− Streuungsmesssysteme− Plattformen für remote sensing (Satellit, Flugzeug, …)− Grundzüge der Datenauswertung


Zeitplan-Vorlesung Termin Thema 7.3.2014 Überblick, Geschichte, Klassifizierungen

14.3.2014 Strahlungstransfer 21.3.2014

Strahlungstransfer

28.3.2014

Passive Mikrowellensysteme

4.4.2014

Assimilation von Satellitendaten

11.4.2014


2.5.2014

Infrarotsysteme

9.5.2014

16.5.2014


23.5.2014

Aktive Mikrowellensysteme

30.5.2014

RADAR und LIDAR

6.6.2014

Windprofiler

13.6.2014 GPS Radiookkultation 20.6.2014 Reserve 27.6.2014 Prüfungen


Kenntnisse, die vorausgesetzt oder nur kurz wiederholt

werden• Lineare Algebra – Matrizen und Matrixfaktorisierungen– Vektorräume– Normen, Projektionen– Orthogonalität– Eigenwerte und -funktionen

• Analysis– Reihen harmonischer Funktionen– Taylorreihen– Komplexe Zahlen und Funktionen– Lineare Differentialgleichungen und Wellengleichungen

• Theoretische Meteorologie• Elektronische Datenverarbeitung

– Elementare MATLAB-Kenntnisse


Literatur• Stephens, G. L., 1994: Remote

Sensing of the Lower Atmosphere• Reese, W. G. 2001: Physical

Principles of Remote Sensing• Bauer, P.,2002: Introduction to

Microwave radiative transfer• http://www.ecmwf.int/training/


1. Einleitung

1.1 Definition: Die Fernerkundung (englisch: Remote

Sensing) ist die Gesamtheit der

Verfahren zur Gewinnung von

Informationen über die Erdoberfläche

oder anderer nicht direkt zugänglicher

Objekte durch Messung und

Interpretation der von ihr

ausgehenden (Energie-)Felder. Als

Informationsträger dient dabei meist

die reflektierte oder emittierte

elektromagnetische Strahlung

http://de.wikipedia.org/wiki/Englische_Sprache

http://de.wikipedia.org/wiki/Erdoberfl%C3%A4che

http://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Strahlung


1.2 Geschichtliches: Fotos und

Luftaufnahmen

Die erste Luftbildaufnahme von Gaspard Felix Tournachon (Nadar) aufgenommen von einen Fesselballon 1,700-ft. über Paris (Frankreich, 1858).


Im 19.Jh Entdeckung der elektromagnetischen Wellen: IR durch HerschelUV durch RitterRadiowellen durch Hertz

1863 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwell)

1886 Radiowellen werden an metallischen Gegenständen reflektiert (Hertz)

Luftfotographie ab Mitte 19.Jh zunächst noch von Ballonen und Drachen, dann von Flugzeugen

1904 Ortung von Schiffen, Zügen mit Radiowellen

Ziviler Nutzen der neuen Technik in der Zwischenkriegszeit in der Kartografie, Geologie, Land- und Forstwirtschaft.

1.2 Geschichtliches:


Zweite Weltkrieg brachte Entwicklungsschub (IR-Geräte, Radar)

Falschfarbenfilme entwickelt in den 50er Jahren wurden zur Erstellung von Vegetationskarten verwendet

60er Jahre: Erste Sensoren im All (TIROS-1, April 1960)

Juli 1972: Start des ERST Satelliten durch die NASA (Landsat).

1979: Assimilation von TOVS Satellitendaten in die numerische Wettervorhersage

1985: Earth Radiation Budget Experiment – Beginn des Klimamonitoring mit Satellitendaten

Seither: Ein enormer Boom von Satelliten und bodengestützten Fernerkundungssystemen für ein breites Anwendungsspektrum

1.2 Geschichtliches – Satelliten und digitale Bildverarbeitung


Hurricane Mitch, 271098

Buschfeuer


Satellitengestütztes Wetter- und Klimabeobachtungssystem


1.3 Anwendungen:

Hohe Kosten der Entwicklung und des Betriebes

gerechtfertigt durch globale Bedeckung, hohe

Frequenz und digitale Echtzeitverfügbarkeit von

Daten.- Atmosphäre:

- Temperatur- Niederschlag- Verteilung und Art der Wolken- Windgeschwindigkeiten- Konzentrationen von Spurenstoffen


1.3 Anwendungen an Oberfläche: - Topographie- Temperatur- Albedo- Bodenfeuchtegehalt- Vegetationstypen- Energiespektra der Meereswellen- Farbe- Dynamisches Verhalten v.

Meereis,Eisbergen- etc

European Centre for Medium Weather Forecasts


13 co-operating states

Iceland

CzechRepublic

Slovenia

Romania

Serbia

Hungary

Croatia

Estonia

Lithuania

Morocco

Slovakia

Latvia


Am ECMWF assimilierte Daten

• SYNOP/SHIP/METAR– Ps, Wind-10m, RH-2m

• AIREP– Wind, Temp

• DRIBU– Ps, Wind-10m

• TEMP/DropSONDE– Wind, Temp, Spec

Humidity• PILOT

– Wind profiles

• ATOVS and AIRS– HIRS, AIRS and AMSU

radiances• SSM/I

– Microwave radiances (clear-sky)

– TCWV in rain and clouds• Meteosat/MSG/GOES

– Water Vapour IR-channel, AMVs

• QuikSCAT and ERS-2– Ambiguous winds-10m

• GOME/SBUV– Ozone retrievals

• GPS-RO/ COSMIC– Bending angle

• SSMIS• TMI• AMSR-E• ASCAT• IASI

Conventional Satellite


Fernerkundungsdatentypen am ECMWF

Radio occultation

Geo IR and Polar MW Imagers

Feature tracking in imagery (e.g. cloud track winds), scatterometers and doppler winds

Geo IR Sounder

Radar andGPS total path delay

PolarIR + MWsounders

FeuchteMasse

Wind

Spurenstoffe

Ultraviolet sensors

Sub-mm,and near IR plusVisible (e.g. Lidar)

IR = InfraRedMW = MicroWave


0

2

4

6

8

10

12

14

16

num

ber

of d

ata

used

per

day

(mill

ions

)

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009

Year

quantity of satellite data used per day at ECMWF

CONV+SATWINDS

TOTAL

Zunahme assimilierter Satellitendaten


Einfluss auf Vorhersagequalität


FC-Qualität steigt durch verbesserte Assimilation von Satellitendaten


Zwei dumme Fragen:

• Wie nutzt ein Vorhersagezentrum Satellitendaten?

• Wie kann man den atmosphärischen Zustand (real oder in einem Modell)– d.h. thermodynamische Zustandsgrößen in

einem atmosphärischen Volumen• mit Satellitendaten

– meist spektrale Radianzen• vergleichen?


Zwei Vergleichsmöglichkeiten

1. Man berechnet die beobachtete Radianz y aus dem atmosphärischen Zustand x

– Das Vorwärtsproblem: Y=H(x)

2. Man berechnet den atmosphärischen Zustand x aus der Radianz y

– Das Retrieval-Problem x=HT(y), auch als Inverses Problem bezeichnet

– Das Retrieval Problem ist fast immer unterbestimmt!

3. H ist der Beobachtungsoperator. In ihm steht die Meß- und Strahlungsphysik


Aus Vorhersage berechnetes Meteosat-Bild

Observedsatellite radiance

Model radianceModelT and q

H compare

Meteosat imagery


Near-IR satellite observations – CH4 and CO

Near-infrared (Sciamachy) and infrared (AIRS) instruments provide estimates of CH4, CO, and CO2.

These observations show, among other things, clearly the effect of wetlands, rice paddies, pollution, and biomass burning on atmospheric concentrations.

Retrievals


Retrieval aus visible channel - Aerosol

Aerosol is usually measured as the total impact on the radiation observed by the satellite. This does not account for the various types of aerosols (e.g., sea salt, desert dust).


Formaldehyde total columnGEMS HCHO: Mean 20030715-30

Unit: 1015 molec/cm2

GOME: July 2001

http://www.gse-promote.org/

GEMS HCHO is of the right order of magnitude


Systematik der Vorlesung• Einführung Strahlungstransfer• Einführung eines relevanten satelliten-

gestützten Messverfahrens• Erklären des Messprinzips,

Formulierung des Beobachtungsoperators

• Lösung des Retrievalproblems• Weitere Meßsysteme

Strahlungstransfer• Wiederholung der Grundlagen

– Radianz und Irradianz– Optischer Weg– Planck‘sches Gesetz

• Strahlungsübertragungsgleichung• Anwendung für passive remote

sensing• Anwendung für Energiehaushalt• Skriptum/Buch Theoretische

Meteorologie I (em. Prof. Hantel)Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

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