FERNERKUNDUNG

Quelle: WMO Space Programme / GOS

Grundlegendes

• Fernerkundung: Messungen an einem Objekt ohne direkten Kontakt

• Fernerkundung: Betrachten mit dem Auge• reflektierte Strahlung gibt Auskunft über die

reflektierende/emittierende Oberfläche des Objektes -> spektrale Signatur

• zentrale Bedeutung: Unterscheidung zwischen verschiedenen Spektralsignaturen

Grundlegendes

• Menschliches Auge nutzt nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums

• Fernerkundungsinstrumente: Erweiterung• Strahlung von Oberfläche ist entweder emittiert

oder reflektiert• Emittierte Strahlung ist beleuchtungsunabhängig• Emission thermischer Strahlung ist abhängig von

Oberflächentemperatur

Instrumente der Erdbeobachtung

• Luftaufnahmen• Multispektralscanner• Radarsensoren

Luftaufnahmen

• Einsatz im ersten Weltkrieg• Einsatz im 2. Weltkrieg -> Landung in der

Normandie- Vermessung der Meereswellen -> Meerestiefe- Infrarotfilme: Unterscheidung zwischen Tarnnetzen und Vegetation

• In den 60iger Jahren wurden weitere Infrarotfilme entwickelt

• Experimente zu luftgestützte Radarsystemen

Multispektral-Scanner

• Erste digitale Fernerkundung mit Landsat1• Landsat1 1972 in Umlaufbahn gebracht• Neuer Sensortyp: Multispektral-Scanner (MSS)• MSS werden am Boden in Flugzeugen und

Satelliten eingesetzt• MSS empfängt Signale in spezifischen

Spektralbändern• Spektralbänder: Zahl und Art hängt vom

Anwendungsbereich ab

MSS - Funktionsweise

• Ein Filter separiert nach Wellenlänge• Gefilterte Strahlung trifft auf Detektoren• Die Energie wird gemessen und als Zahlenwert an

der Speicher weitergegeben• Die Messwerte werden an die Empfangsstation

weitergeleitet• Flächen werden streifenweise abgetastet• Militär. Satelliten erkennen Details bis auf einige

Zentimeter (->Personen, Fahrzeugtypen)

Radarsensoren

• sind aktive Sensoren (Flugzeug, Satellit)• Laufzeit des Signals-> Entfernung• auch nachts einsetzbar• Strahlung mit längeren Wellenlängen

durchdringen Wolken und Dunst ungehindert

Strahlung und Temperatur

• Sonnenoberfläche (6000 K): Strahlungsmaximum im sichtbaren Bereich bei 0,483 μm

• Brand im Amazonasgebiet (1000 K): Maximum im mittleren Infrarot

• Erdoberfläche (290 K): Strahlungsmaximum liegt bei 14 μm (thermales Infrarot)

• Zusammenhang: Oberflächentemperatur – Strahlungs-intensität

Satelliten - allgemein• Für Satelliten auf Umlaufsbahnen gilt:

Erdanziehung = Zentrifugalkraft• Bahnen außerhalb der Atmosphäre:

- Beobachtungssatelliten: ≈800km - keine Reibung - viele Jahre stabile Bahn - eine Erdumrundung: 1.5 Stunden Quelle: http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/

fakultaeten/fakultaet_forst_geo_und_hydrowissenschaften/fachrichtung_geowissenschaften/ipf/fern/studium/tutorial/tutorial-332/document_view?set_language=en

Satelliten- geostationär

• Geostationäre Satelliten: - 36 000 km über Erdoberfläche (Äquator) - eine Erdumrundung: 24 Stunden sychron zur Erdrotation - Einsatz: Telekommunikation, TV, Wetter - Nachteil: große Entfernung von Erde -> Einschränkung der Bodenauflösung

Satelliten - sonnensynchrone

• Viele Erdbeobachtungssatelliten sind passiv, d.h. sind von der Beleuchtung durch die Sonne abhängig -> Umlauf wird dem Tag-Nacht-Rhythmus angepasst

• Bahnen laufen beinahe über die Pole: polnahe Bahnen

• Mit jedem Umlauf wird ein Segmentder Erdoberfläche gescannt

Wettersatelliten

• Polare Bahn: NOAA, MetOp• Geostationär:

- Meteosat (EUMETSAT, ESA)- GMS (Japan)- INSAT (Indien)- GOES E, GOES W (USA)

GMS

Strahlung und Temperatur

Oberflächen unterschiedlicher Temperatur haben Emissionsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen

Die Erde:emittiert im sichtbaren Bereich wenig Strahlung ->sichtbar nur durch reflektiertes Sonnenlicht

Albedo: Gibt den Anteil des reflektierten Sonnenlichts bezogen auf das gesamte an

Spektrale Signatur

Unterschiedliche Oberflächentypen (Wasser, reiner Felsen, Vegetation) reflektieren Licht in den einzelnen Wellenlängenbereichen unterschiedlich

Spektrale Signatur:Die reflektierte Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge

Spektrale Signatur - Atmosphäre• Sonnenstrahlung (einfallende, reflektierte)

muss die Atmosphäre passieren bevor sie vom Sensor aufgenommen wird

• Treibhausgase (CO2, Wasserdampf) absorbieren Teile der reflektierten Strahlung

• Ozon: absorbiert fast vollständig die Strahlung

zwischen 9.5 - 10μm

Spektrale Signatur - Atmosphäre• Atmosphärisches Fenster: Spektralbereich mit

Wellenlängen, die von Atmosphäre

durchgelassen werden

Quelle: https://www.univie.ac.at/physikwiki/index.php/LV013:LV-Uebersicht/WS09_10/Arbeitsbereiche/Energiehaushalt_der_Erde

Spektrale Signatur: Felsen, Wasser

• Reiner Felsen: Reflexion nimmt vom sichtbaren zum infraroten Bereich leicht zu

• Wasser: reflektiert vorwiegend im sichtbaren Wellenlängenbereich – keine Reflexion im nahen Infrarot -> Unterscheidung zu anderen Oberflächen -> Wasserflächen erscheinen im nahen IR sehr dunkel

Spektrale Signatur: grüne Pflanzen

• Chlorophyll absorbiert sichtbares rotes Lichtfür Photosynthese

• Nahes IR wird reflektiert, um unnötiges Aufheizen zu vermeiden-> erhöhte Verduns- tung vermeiden

• Vegetationskartierung:offener Boden: reflektiert in 0.6-0.7μm und 0.7-0.9μm einheitlich Vegetation: reflektiert in 0.6-0.7μm schwach und in 0.7-0.9μm stark

   

Einteilung der Strahlung:

GammastrahlungRöntgenstrahlung(0.30 - 0.38 µm) UV - Strahlung(0.45 - 0.52 µm) blau (0.52 - 0.60 µm) grün (0.60 - 0.69 µm) rot (0.72 - 1.30 µm) nahes Infrarot (1.30 - 3.00 µm) mittleres Infrarot (7.00 - 15.0 µm) thermischer Bereich(0.50 - 30 cm) Radar (15 cm - 25 km) Radiowellen

 

Spektralbereiche der Datenaufnahme

Landsat - Spektralkanäle

Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/Experiments/ICE/panama/panama_ex1.php

Echtfarben – BilderFalschfarben – Bilder

Quelle: ESA Schulatlas S: 13

Echtfarbenbild

R G B3 2 1Band

Falschfarbenbild

R G B4 2 1Band

Vegetationsindex

Zustand und Wachstum der Pflanzen lassen sich ermitteln:

Der normalisierte Differenz- Vegetationsindex (NDVI):

Nahes Infrarot - Rot NDVI = Nahes Infrarot + Rot

Anwendung: Wegen ständiger Dürrekatastrophen in der Sahel-Region werden wegen Biomasseproduktion regelmäßig Vegetationsanalysen gemacht.