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Lv Fe II Ws1415 1 Einführung
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Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen
Wintersemester 2014/2015
Fernerkundung II
Einfhrung & Wiederholung
Dr.-Ing. Diana Walter
Prof. Dr.-Ing. W. Busch
Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation
Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen
Wintersemester 2014/2015 - Fernerkundung II d.walter igmc tu-clausthal 2014 2
Dozentin: AkadR Dr.-Ing. Diana Walter IGMC, 2. Etage, Raum208 Tel.: 05323 / 72-2236, Email: [email protected]
Voraussetzung: Grundlagen Fernerkundung I (ggf. Selbststudium Skripte FE-I)
Vorlesung: Montags, 10:15 11:45 Uhr
GIS-Pool des IGMC
Umdruck: Verfgbar ber Stud.IP und per Ausdruck
Prfung: Modulprfung Rumliche Modellierung (12-14 Uhr) und Fernerkundung II (14-16 Uhr) am 17.02.2014 fr Master Rohstoff-/Geowissenschaften
Klausur Fernerkundung II am 17.02.14 um 14 Uhr fr Master GEE und Informatik
Anwesenheit: Teilnehmerliste wird gefhrt Wenn Sie an einem Termin nicht knnen, dann schreiben Sie bitte
eine Email an [email protected]
Organisatorisches
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RZ-Login
Daten lokal speichern unter D:\FernerkundungII Eigenen Ordner anlegen mit Nachnamen
Installierte Software: ENVI 5.1 + IDL 8.3 (plus ltere Versionen ENVI 4.8 + IDL 8.0)
Benutzung der PCs
GIS-Pool im IGMC (Dachgeschoss)
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Erlangung von Kenntnissen ber Analysemethoden in der Fernerkundung
Entwicklung von Fhigkeiten zur Verarbeitung von Satellitendaten mittels der Software ENVI
Erlernen einer einfachen Programmiersprache (IDL) fr Eigenentwicklungen und Lsen einfacher (oder auch schwieriger) Datenverarbeitungsprobleme (z.B. automatisierte Verarbeitung groer Datenstapel)
Lernziele der Veranstaltung
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Zeitp
lan
Mo., 27.10.2014 Einfhrung und Wiederholung Mo., 03.11.2013 ENVI Einfhrung (1) Mo., 10.11.2013 ENVI Einfhrung (2) Mo., 17.11.2013 ENVI Einfhrung (3) Mo., 24.11.2013 PCA & Bildklassifizierung Mo., 01.12.2013 Digitale Hhenmodelle (1) Mo., 08.12.2013 Digitale Hhenmodelle (2) Mo., 15.12.2013 Erstellung eines DHM aus ASTER-Daten Mo., 05.01.2014 Einfhrung IDL Programmierung (1) Mo., 12.01.2014 Einfhrung IDL Programmierung (2) Mo., 19.01.2014 Einfhrung IDL Programmierung (3) Mo., 26.01.2014 Hausarbeit IDL Programmierung Mo., 02.02.2014
jeweils 10:15 11:45 Uhr im GIS-Pool des IGMC
Zeitplan
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Gewinnung von Informationen ber entfernte Objekte
- Ohne direkten Kontakt (berhrungslos)
Das Sensorsystem (FE-System)
- ist auf einer Plattform installiert
- Dessen Standort ist nicht auf der Erdoberflche
Informationstrger ist die reflektierte und emittierte elektromagnetische Strahlung
Ermittlung quantitativer und/oder qualitativer Informationen
- ber Vorkommen und Zustand (bzw. Art und Eigenschaften) von Objekten
Einfhrung in die Fernerkundung (Wiederholung)
IKONOS Echtfarben-Darstellung (1 m/Pixel)
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Passive Fernerkundungssysteme erfassen
- vor allem die Reflektion von Sonnenstrahlung an der Erdoberflche
- oder die Emission von Thermalstrahlung (aufgrund von Wrme)
Aktive Fernerkundungssysteme - senden eigene Strahlung
aus und empfangen deren Reflektion an der Erdoberflche
Fernerkundungssysteme
TerraSAR-X DLR
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Elektromagnetisches Spektrum
Radar-FE: Mikrowellenstrahlung Optische FE: UV-, VIS- und IR-Strahlung
Bezeichnung Wellenlnge
Ultraviolett (UV) 0.1 0.38 m
Sichtbares Licht (VIS) 0.38 0.78 m
Nahes Infrarot (NIR) 0.78 1.4 m
Kurzwelliges Infrarot (SWIR) 1.4 3.0 m
Mittleres Infrarot (MIR) 3.0 ca. 50 m
Thermales Infrarot (TIR) 8.0 15 m
Fernes Infrarot (FIR) oder auch Terrahertzstrahlung
50 m 1 mm
Band Frequenz Wellenlnge
P 0.3 1 GHz 100 30 cm
L 1 2 GHz 30 15 cm
S 2 4 GHz 15 7.5 cm
C 4 8 GHz 7.5 3.75 cm
X 8 12 GHz 3.75 2.4 cm
Ku 12 18 GHz 2.4 1.7 cm
K 18 27 GHz 1.7 1.1 cm
Ka 27 40 GHz 1.1 0.8 cm
fc
=
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Die Materialeigenschaften eines Krpers bestimmen, was mit der auf ihn auf- treffenden Strahlung passiert. Es gibt:
- Reflektion R () - Emission E () = Absorption A () - Transmission T ()
Dabei spielt auch die Wellenlnge eine Rolle (z.B. unterschiedliche Farbe!)
Dabei gilt: E = A (Kirchhoffsches Gesetz) R + A + T = 1 ( = 100% ) In der Regel gilt im Bereich der Fernerkundung:
T = 0 (d.h. die Oberflchen sind undurchlssig) Zum Beispiel: Spiegel: E = A = 0 %, R = 100 % (zumindest im VIS...) Idealer Schwarzer Krper: E = A = 100 % (fr alle Wellenlngen!)
Physikalische Grundlagen
R E
T
A
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Die Strahlungsgesetze beschreiben die physikalischen Zusammenhnge zwischen der Oberflchentemperatur (T in Kelvin) eines Krpers und der Strahlungsstromdichte (Energie pro Flche und Zeit).
Krper geben aufgrund ihrer Oberflchentemperaturen Strahlung ab.
Ein idealer Temperaturstrahler ist der sog. Schwarze Krper, der die auf ihn eintreffende elektromagnetische Strahlung vollstndig absorbiert.
Wichtig sind die folgenden vier Strahlungsgesetze:
Plancksche Strahlungsgesetz (Max Planck, 1900) Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien, 1893) Kirchhoffsche Gesetz (Gustav Kirchhoff, 1859) Gesetz von Stefan-Boltzmann (Josef Stefan, 1879; Ludwig Boltzmann, 1884)
Physikalische Strahlungsgesetze
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Strahlungsgesetz nach Planck - beschreibt die Verteilung der Strahlungsintensitt
einer Oberflche (Strahldichte) in Abhngigkeit von der
- Wellenlnge und der - absoluten Temperatur
Strahlungsgesetz nach Wien
(Wiensches Verschiebungsgesetz) - Maximum der Strahlungsdichte verschiebt sich bei
steigender Temperatur in kleinere Wellenlngen, d.h. Abhngigkeit von der
- absoluten Temperatur
Strahlungsgesetz nach Stefan & Boltzmann
- Die ausgestrahlte Gesamtenergie eines Krpers fr alle Wellenlngen ist abhngig von der
- absoluten Temperatur
Physikalische Strahlungsgesetze
Temperatur [K]
Frequenz [GHz]
Stra
hldi
chte
[J/m
]
Freq
uenz
[THz
] Lo
g Le
istu
ng [W
/m]
Log Temperatur [K]
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Physikalische Strahlungsgesetze
x
x
x
x x
+ +
+ x
Normale Skalierung der Achsen Doppelt-logarithmische Skalierung
Stefan- Boltzmann
Wien
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Spektrale Strahlungsdichten eines Schwarzkpers in Abhngigkeit der absoluten Temperatur (Kelvin) und der Wellenlnge
Fr die Fernerkundung
nutzbar ist die reflektierte und emittierte Strahlung der Erdoberflche
- Die reflektierte Strahldichte ist wesentlich geringer und entspricht der grnen Linie
- Der emittierte Anteil liegt ca. bei 275 K (~ 1C) und die maximalen Strahlungsdichte liegt bei etwa 10 m (TIR)
Schwarzkrper-Emission
Sonne
Erde (Emission)
Erde (Reflektion)
Schwarzkrper = idealer Temperaturstrahler, der die auf ihn eintreffende elektromagnetische Strahlung vollstndig absorbiert
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Fernerkundung beschrnkt auf atmosphrische Fenster (300nm 1m) nahes UV - Mikrowellen
Erdatmosphre ist nur fr diese Wellenlngen durchlssig (Transmissionsgrad 0-100%) Aber es gilt auch: Nur ein Teil der Wrmestrahlung der Erde (thermales IR) kann nach auen
dringen (Treibhauseffekt) (Erde mit 300K strahlt im TIR besonders stark).
Atmosphrische Fenster
Fr die Fernerkundung relevante Fenster: VIS (380-780nm) NIR (1-2,5 m) MIR (3-5 m) TIR (8-15 m) FIR (17-24 m) 0,35mm 0,45mm 0,8mm Mikrowellen (1mm -20m)
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Zeitliche Auflsung
- Wiederholzyklus
Geometrische Auflsung - Flchengre eines Bildelements in m
Spektrale Auflsung
- Anzahl der Bnder/Kanle
- Spektrale Bandbreite in m
Radiometrische Auflsung
- Differenzierung der Grauwerte
Auflsungsarten von Fernerkundungsdaten
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temporal resolution Zeitlicher Abstand zwischen 2 Aufnahmen desselben Gebietes Wiederholzyklus
durch Umlaufbahn vorgegeben
kleiner Wiederholzyklus = hohe Wiederholrate hohe zeitliche Auflsung
berwachung dynamische Vorgnge
Zeitliche Auflsung
t t
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Rumliche Auflsung (spatial resolution) Trennbarkeit von Objekten bzw. der Signale, die von benachbarten Objekten kommen Bei Scanner-Systemen beschrieben durch die Pixelgre [m] Verkleinerung der Bildelemente = Verbesserung der Auflsung ( mehr Speicherbedarf)
Geometrische Auflsung
Beispiel: Sieges- sule Berlin
Landsat TM (30 m)
SPOT panchromatisch (10 m)
IKONOS panchromatisch (1 m)
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Anzahl der mglichen Datenwerte (Grauwertstufen) fr jeden Kanal Anzahl der Digital Numbers (DN)
d.h. wie gut knnen kleine Helligkeitsunterschiede noch wahrgenommen werden
Niedrige radiometrische Auflsung hoher Informationsverlust
Nachteil hoher radiometrischer Auflsung: - Hoher Speicherplatzbedarf
Radiometrische Auflsung
Uni Bonn
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Radiometrische Auflsung
(Steinrocher et al. 2009)
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Anzahl, Breite und Anordnung der Aufnahmebnder eines Aufnahmesystems Unterscheidung im englischen:
- spectral resolution = Breite der Bnder - spectral range = Anzahl der Bnder
Je mehr Bnder und je geringer die Bandbreite, um so grer ist die spektrale Auflsung! ( mehr Speicherbedarf)
Multispektrale Systeme: meist 3-8 Bnder
Hyperspektrale Systeme: > 15 (30) Bnder, knnen aber auch >300 sein!!!
Spektrale Auflsung
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= Reflexionsgrad eines Objektes in verschiedenen Wellenlngen
Jedes Objekt (Wasser, Schnee, Vegetation, Minerale etc.) hat eine charakteristische Signatur
Fernerkundungssysteme messen nur in bestimmten Wellenlngen(-bereichen) (=Kanle bzw. Bnder)
Spektrale Signatur
Wellenlnge (m) Spektralsignatur verschiedener Oberflchen
Wellenlnge
Kurzwelliges Infrarot (SWIR)
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Spektrometer
A2 Technologies Mobile FTIR-Spektrometer fr geowissenschaftliche Untersuchungen
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Jeder Kanal gibt Rckstreuintensitten wieder (Messwerte: Grauwerte)
Darstellung von einem Kanal schwarz-weiss-Bild
Kombination mehrerer Kanle (unterschiedlicher Wellenlngenbereiche) und knstliche Einfrbung Farbbild
Multispektrale Fernerkundung
0,63-0,69m (rot) 0,51-0,59m (grn) 0,45-0,52m (blau)
RGB-Bild
R Rot
(0..255)
G Grn
(0..255)
B Blau
(0..255)
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Beispiele fr multispektrale Sensoren:
ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) LANDSAT-7 ETM (Enhanced Thematic Mapper)
Multispektrale Fernerkundung
Abkrzungen:
UV Ultraviolet (bis 0.38 m) VIS Visible Light (bis 0.78 m) NIR Near Infrared (bis ca. 1.5 m) SWIR Short Wave Infrared (bis ca. 3 m) MIR Midwave Infrared (bis ca. 7 m) TIR Thermal Infrared (bis ca. 15 m)
UV MIR TIR Far TIR VIS NIR / VNIR SWIR
8 (15m)
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Vergleich von optischen Fernerkundungssensoren
Satellit Spektrale Auflsung Rumliche Auflsung Wiederhol-zyklus
Radiometrische Auflsung
GeoEye-1
Multispektral 5 Kanle (VIS NIR, Pan)
1.65m (MS) 0.41m (Pan) 11 km Swath
1-3 Tage 11 Bit
IKONOS Multispektral 5 Kanle (VIS NIR, Pan)
4m (MS) 1m (Pan) 11 km Swath
1-3 Tage 11 Bit
Landsat -7 ETM+
Multispektral 7 Kanle (3 VIS, NIR, 2 MIR, TIR, Pan)
30m (VIS-MIR), 60m (TIR), 15m (Pan) 185 km Swath
16 Tage 8 Bit
ASTER Multispektral 14 Kanle (3 VIS, NIR, 6 SWIR, 5 TIR)
15m (VNIR), 30m (SWIR), 90m (TIR) 60 km Swath
16 Tage 8 Bit (VNIR, SWIR) 12 Bit (TIR)
MODIS Multi(hyper)spektral 36 Kanle (VIS-NIR-SWIR-TIR)
250m (B1-2), 500m (B3-7), 1000m (B8-36) 1200 km Swath
1 Tag 12 Bit
EO-1 mit Sensor Hyperion
Hyperspektral 224 Kanle (70 VIS + 172 SWIR)
30m 7.6 km Swath
16 Tage 12 Bit
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Byte (1 Byte = 8 Bit): 0 .. 255 (= 28 verschiedene Werte) Unsigned Integer (2 Bytes = 16 Bit): 0 .. 65535 (= 216, auch: Word, Short) Signed Integer (2 Bytes = 16 Bit): -32768 .. 32767 (= 216 versch. Werte),
ein Bit fr das Vorzeichen (+/-) Single Float (4 Bytes = 32 Bit): Gleitkommazahl einfacher Genauigkeit Float Complex (z.B. 8 Bytes): Real- und Imaginrteil (in Float)
Verwendetes Datenformat hngt von den Daten ab:
- Bilddaten in der Regel 8 Bit, aber auch 7, 11 oder 12 Bit blich - 7 Bit: 128 Werte, 11 Bit: 2048 Werte, 12 Bit: 4096 Werte
- Digitales Gelndemodell entweder Signed Integer oder Float - Radardaten: Complex (entsprechend Betrag und Winkel)
Erforderliche Datenmenge und bertragungsrate sind wichtige Faktoren bei der Satellitenkonzeption!
Datenformate
27 26 25 24 23 22 21 20 Dezimal-
wert 128 64 32 16 8 4 2 1
1 1 1 1 1 1 1 1 255
1 0 0 1 0 0 1 0 Bsp.: 146
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Helligkeiten / Grauwerte (Graustufen) bei Bildern Hhenwerte (Float fr Kommazahlen oder Integer fr ganzzahlige
Werte zwischen -32768 und +32767 m) Radianzen Temperaturen
Digital Numbers
15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
4 Bit pro Pixel:
< 8 Bit
0 schwarz ... grau 255 wei
Surface Radiance (TIR 9 Meters) Einheit Datentyp
Gltiger DN-Bereich
Skalierungs-faktor
Band 10 (8.125 - 8.475 m)
W m-2 sr-1m-1
16-bit unsigned integer 0 1500 0.006882
Band 11 (8.475 - 8.825 m)
W m-2 sr-1m-1
16-bit unsigned integer 0 1500 0.006780
usw. ... ... ... ...
Beispiel fr eine Funktion (ASTER Surface Radiance TIR AST_09T): Radiance = 0.006882 * DN
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Darstellung im RGB-Farbraum
O
8 Bit Rot + 8 Bit Grn + 8 Bit Blau = 24 Bit RGB 24 Bit = 16.777.216 verschiedene Farben
000
127
255
Wei Helles Blau
Helles Magenta
LCD-Display
R 255 G 255 B 255
R 180 G 230 B 255
R 255 G 215 B 255
Schwarz Gold
R 000 G 000 B 000
R 228 G 189 B 079
Helles Grau Rot
Magenta
R 200 G 200 B 200
R 255 G 000 B 000
R 255 G 000 B 255
Dunkles Grau
R 102 G 102 B 102
Dunkles Magenta
R 120 G 000 B 120
Grn
R 000 G 255 B 000
Blau
R 000 G 000 B 255
G r u n d f a r b e n
M i s c h f a r b e n
Cyan=Trkis
R 000 G 255 B 255
Gelb
R 255 G 255 B 000
Ein RGB-Pixel
Additive Farb-Mischung
Komplementr-Farbe
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Darstellung im RGB-Farbraum
R Rot
(0..255)
G Grn
(0..255)
B Blau
(0..255)
RGB Echtfarben- darstellung
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Einzelnes Band (Graustufen) Drei beliebige Bnder in R, G, B (farbige
Darstellung): - Echtfarben-Darstellung - Falschfarben-Darstellung
Beispiele fr Echtfarben: - R G B = 3 2 1 (LANDSAT-7 ETM+) - R G B = 3 2 1 (IKONOS) - Nicht mglich fr z.B.
ASTER und LANDSAT-5 Beispiele fr Falschfarben:
- R G B = 3 2 1 (LANDSAT-5 TM) - R G B = 4 3 2 - R G B = 7 4 3
Voraussetzung: Gleiche Ausmae und geometrische Auflsung der Bilder!
Darstellungsmglichkeiten
LANDSAT-7 8 (15m)
ASTER, RGB = 321 (NIR/Rot/Grn), 15 m
Foliennummer 1OrganisatorischesBenutzung der PCsLernziele der VeranstaltungFoliennummer 5Einfhrung in die Fernerkundung (Wiederholung)FernerkundungssystemeElektromagnetisches SpektrumPhysikalische GrundlagenPhysikalische StrahlungsgesetzePhysikalische StrahlungsgesetzePhysikalische StrahlungsgesetzeSchwarzkrper-EmissionAtmosphrische FensterAuflsungsarten von FernerkundungsdatenZeitliche AuflsungGeometrische AuflsungRadiometrische AuflsungRadiometrische AuflsungSpektrale AuflsungSpektrale SignaturSpektrometerMultispektrale FernerkundungMultispektrale FernerkundungVergleich von optischen FernerkundungssensorenDatenformateDigital NumbersDarstellung im RGB-FarbraumDarstellung im RGB-FarbraumDarstellungsmglichkeiten