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Methoden der Fernerkundung Prof. N. Oppelt WS 2009/10 10. Aktive Aufnahmesysteme Methoden der Fernerkundung Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Aktive Aufnahmesysteme Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel [email protected]

Methoden der Fernerkundung Methoden der Fernerkundung Prof ... · Radarecho (Intensität) wiedergegeben in GrautönenAndere steuernde Faktoren als in der Optik Methoden der Fernerkundung

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meMethoden der Fernerkundung

Vorlesung für geographischen StudiengängeModul MNF-Geogr. 14Aktive Aufnahmesysteme

Prof. Dr. Natascha Oppelt

Arbeitsgruppe Fernerkundung & UmweltmodellierungGeographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu [email protected]

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Aktive Aufnahmesysteme

Aktive Systeme erzeugen elektromagnetische Strahlung, die

1. Von einem Sensor zur Erdoberfläche (von der Atmosphäreweitgehend unbeeinflusst) transmittiert wird,

2. dort mit der Erdoberfläche interagiert und einen Teil der EMS streut;

3. der gestreute Anteil der EMS wird vom Sensor empfangen.

Keine Abhängigkeit von natürlichenStrahlungsquellen (Sonne, Erde)

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1. RADAR

- Funktionsweise

- Bildgeometrie

- Bildradiometrie

2. Weitere aktive Systeme

- Lidar

- Sonar

(Quelle: Elachi & Zyl 2006)

Aktive Aufnahmesysteme

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1. RADAR (RAdio Detection And Ranging)

Funktionsweise

− Basiert auf der Transmission von Mikrowellen (1 – 100cm)

RADAR

Bildgebende Verfahren(aus empfangener EMS kann

Bild berechnet werden)

z.B. - Wetterradar- SAR, SLAR

Nicht-bildgebende Verfahren(Messergebnis als reiner Zahlenwert)

z.B. - Radar-Altimeter- Geschwindigkeitsmesser

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Verwendete Kanäle = Bänder

Wellenlängen in cm bzw. Frequenzen in GHz

Benennung ursprünglich aus WW2

Band P L S C X Ka

λ [cm] 60-100 15 - 30 10-15 3.7 – 7.5 2 – 4.5 0.7 – 2

ν [GHz] 0.2 – 0.5 1 - 2 2-4 4 - 8 7 – 12 30 - 40

Erklärung Previous Long Short Compromise

X marks theSpot Kurz

Nutzung

Vegetation, Gletscher-

und Meereis(Flugzeug)

Eis und Schnee, Bodenfeuchte, Ozeanographie,

Geologie, Landnutzung

(Satellit, Flugzeug)

NS,Flughafen-

überwa-chung

Eis- und Schnee, Geländemodelle,

Wald, Bewegungen der

Erdoberfläche (Satellit,

Flugzeug)

Interferometrie,Biomassenab-

schätzung Wald (Flugzeug)

Wolken (Flugzeug)

Radar - Funktionsweise

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Ursprüngliche System = (real aperture) Side Looking Airborne Radar (SLAR)

(Quelle: Jensen 2008)

Radar - Funktionsweise

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Azimuth = Flugrichtung

Range = Blickrichtung (near und far)

Depression angle [γ] = Depressionswinkel

Incidence angle [θ] = Einfallswinkel

Radar Nomenklatur

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Zuerst Auftreffen der EMS im near range, zeitlich später im far range

Aus räumlichen Nebeneinander wird zeitliches Nacheinander

Radar Funktionsweise

(Quelle: Albertz 2001)

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(Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)

Auswertung von:

Laufzeiten

Amplitude des Echos

Radar Funktionsweise

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Radarecho (Intensität) wiedergegeben in Grautönen

Andere steuernde Faktoren als in der Optik

(Links: Landsat TM Echtfarbendarstellung Raum Weilheim 8. Juli 1995;

Rechts: ERS-1 Szene )

Was sieht man?

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Fundament der RADAR-Fernerkundung

43

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)4( rGPP t

r ⋅⋅⋅⋅

λσPr Rückgestreute EMSPt Ausgesandter RADAR-ImpulsG Antennen-Gainr Distanz Sender– Targetσ Effektive Rückstreuung

Gesuchter Parameter = Effektive Ruckstreuung pro Fläche an der Erdoberfläche a

Rückstreukoeffizient σ (radar backscatter coefficient)

Zur Antenne zurückgestreute EMS in Prozent

aσσ =0

Was sieht man? Radargleichung

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Parameter, die die Rückstreuung σ steuern:

Eigenschaften des Aufnahmesystems: − Wellenlänge− Polarisation

Objekteigenschaften: − Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form− Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)

© Jet Propulsion Laboratory

Was sieht man?

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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge

C-Band

L-Band(Quelle: rsc nasa 2007)

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

SIR C/X-SAR Bildausschnitt aus Brasilien, 10.04.1994

(Quelle: Jensen 2008)

X-Band

C-Band

L-Band

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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation

Vergleichbar mit der Verwendung von Polarisationsfiltern in der Fotographie:

(Quelle: Jensen 2008)

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation

Folgende Polarisationen sind möglich:

Vertikal polarisierte EMS wird gesendet und empfangen (VV)

Horizontal polarisierte EMS wird gesendet und empfangen (HH)

Vertikal polarisierte EMS wird gesendet, horizontal polarisierte EMS wird empfangen (VH) = Kreuzpolarisation

Horizontal polarisierte EMS wird gesendet, vertikal polarisierte empfangen (HV) = Kreuzpolarisation

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Parameter, die die Rückstreuung steuern:

Eigenschaften des Aufnahmesystems: − Wellenlänge− Polarisation

Objekteigenschaften:

− Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form

− Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Oberflächenrauigkeit

Die Wellenlänge des gesendeten Impulses bestimmt die relative Oberflächenrauigkeit der Zielfläche!

Rauigkeit << Wellenlänge Spiegelnde Reflexion

Rauigkeit ≥ Wellenlänge Diffuse Reflexion

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

(Quelle: Albertz 2001)

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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit

Spiegelnde Reflexion an einer glatten Oberfläche Diffuse Reflexion an einer rauen Oberfläche

(Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)

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Modifizierte Rayleigh Kriterien

Eine Oberfläche ist glatt, wenn

Eine Oberfläche ist rau, wenn

z.B. bei einem Depressionswinkel von 23° (= 0.401 rad)

X-Band (λ = 2.5 cm) hglatt < 0.26 cm; hrau = 1.45 cm

L-Band (λ = 25 cm) hglatt < 2.56 cm; hrau = 14.55 cm

Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit

γλsin25

<h

h Höhenunterschied [cm]λ Wellenlänge [cm]γ Depression Angle [°]

γλsin4.4

>h

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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit

z.B. Wellenlänge 3 cm, Depressionswinkel = 45°

(Quelle: Jensen 2008)

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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RADAR Streuung ist eine Kombination aus Oberflächen–und Volumenstreuung

EMS dringt in die Erd- bzw. Vegetationsoberfläche ein

Eindringtiefen unterschiedlich (wellenlängenabhängig)

Süßwasser: 10tel mm – einige cmReines Eis: 1m - 100mMeereis: einige cm - etwa 1mTrockener Boden: wenige cm - wenige mFeuchter Boden: wenige mm - einige cmVegetation: bis mehrere m

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenstruktur

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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenstruktur vs Eindringtiefe

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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenform

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

(Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)

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RADAR-Impulse „beleuchten“ die Erdoberfläche rechtwinklig zur Flugrichtung

Orthogonal zur Flugrichtung verlau-fende Objekte werden deutlicher abgebildet als parallel zur Flug-richtung verlaufende

Linear verlaufende Objekte können in einem RADAR-Bild dunkel erschei-nen, in einem anderen (andere Flugrichtung) aber hell abgebildet werden

a.

b.look direction

X - band, HH polarization look direction

sX - band, HH polarization(Quelle: Jensen 2008)

Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenform

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Parameter, die die Rückstreuung steuern:

Eigenschaften des Aufnahmesystems: − Wellenlänge− Polarisation

Objekteigenschaften:

− Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form

− Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

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Eigenschaften der Erdoberfläche: Dielektrische Eigenschaften

Wichtigster Parameter = Dielektrizitätskonstante ε

Grundsatz: Je größer die ε,desto mehr Rückstreuung

Trockene, natürliche Materialien (z.B. Boden) ε = 3-8

Im Bild dunkel

Feuchter Boden ε = 20-30

Wasser ε = 80

aber, Effekt konkurriert mit glatter Oberfläche

Steuernde Faktoren der Rückstreuung

© FAOC-Band SAR Experimental station (Phoenix, AZ)

SEASAT Los Angeles © USGS

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1. RADAR

- Funktionsweise

- Bildgeometrie

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2. Weitere aktive Systeme

- Lidar

- Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)

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Geometrische Auflösung im Rohdatenbild (Slant Range Image)Unterschied zwischen Slant Range und Ground Range Distance

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Bei Schrägsicht: Geometrische Auflösung in Senderichtung (Slant Range Resolution SRR)

Je länger die Impulsdauer, umso schlechter ist die SlantRange Auflösung

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Geometrische Auflösung im Slant Range Bild

Trennung der Objekte A und B nur möglich, wenn die RADAR-Keule vollständig an A vorbei ist, bevor sie Objekt B erreicht

SRR möglichst klein

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Umrechnung der Slant Range Geometrie in eine Kartenprojektion

Ground Range Geometrie (Ground Range Resolution GRR)

GRR wird mit wachsender Entfernung vom Sensor besser (aber keine lineare Beziehung)!

Kein Nadirbild möglich

Radar Bildgeometrie

²²

²²²

HSRRGRR

GRRHSRR

−==>

+=

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Berechnung der GRR

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Die Azimuth Auflösung AR abhängig vom Öffnungswinkel des RADAR-Strahls (β) und der Ground Range Distance (GRD)

Berechnung der geometrischen Auflösung in Azimut-Richtung

Azimuth-Auflösung ist im Nahbereich besser!

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Wie kann eine möglichst hohe Gesamt-Auflösung erreicht werden?

Azimut-Auflösung ist meist limitierend!

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