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lungMethoden der Fernerkundung
Vorlesung für geographischen StudiengängeModul MNF-Geogr. 14
Grundlagen und Elektromagnetische Strahlung I
Prof. Dr. Natascha Oppelt
Arbeitsgruppe Fernerkundung & UmweltmodellierungGeographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu [email protected]
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Remote sensing is the aquisition of physical data of an objectwithout touch or contact.
(Lintz & Simmonett 1976)
Salt Lake City (Utah, USA) 1965 Salt Lake City (Utah, USA) 2001 ©gsfcSlat Lake City (Landsat TM) 2001
Definitionen
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Fernerkundung ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-) Felder. Als Informationsträger dient dabei von der Erde reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung.
(DIN 18716, Teil 3 – „Begriffe der Fernerkundung“, 1997)
Definitionen
The science of obtaining useful information about an object, area or phenomenon through the analysis of data, aquired bya device that is not in contact with the object, area orphenomenon under investigation.
(Lillesand & Kiefer, 1994)
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Remote Sensing is the instrumentation, techniques andmethods to observe the Earth‘s surface at a distance and tointerpret the images or numerical values obtained in order toacquire meaningful information of particular objects on Earth.
(Jansen, 2000)
Definitionen
Remote Sensing is the most expensive way to make a picture!
(Andrew Bashfield, Intergraph Corporation)
Seeing what can‘t be seen, then convincing someone thatyou‘re right!
(David Pairman, Landcare Research)
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Fernerkundung = Datenerfassung + Datenanalyse (Interpretation)
Definitionen
- Messung der Veränderung von Energiefeldern:Druckfelder (z.B. Meteorologie),Schwerefelder (z.B. Geophysik),elektrostatische Felder (z.B. Geophysik, Planetologie),elektromagnetische Felder (Geologie, Geophysik, Geographie)
- Die Variationen können vom Sensor physikalisch gemessen werden, wobei folgende Dimensionen eine wichtige Rolle für die Interpretation spielen: radiometrisch (Datentiefen),
zeitlich (Variationen), räumlich (Variationen), spektral (Wellenlängen)
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Wie funktioniert Fernerkundung?
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Fernerkundung liefert Antworten zu folgenden Fragen:
Wie verteilt sich etwas im Raum?
Wie kann man diese Verteilung erfassen?
Wie funktionieren natürliche Prozesse im Raum?
Wie stehen Objekte im Raum miteinander in Beziehung?
Wie verändern sich Objekte oder deren Beziehung zueinander?
Wie werden natürliche Prozesse, Objekte und deren Beziehungen durch den Menschen beeinflusst?
Warum Fernerkundung in der Geographie?
Schlüsselrolle der Geographie
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Monitoring von Umweltprozessen (räumlich, komplex, interagierend) und Stoffkreisläufen
Monitoring von Umweltbelastungen
Monitoring von Umweltveränderungen
Aufbau und Erweiterung von Geographischen Informationssystemen (GIS)
Krisen- und Katastrophenmanagement
Raumplanung (Stadt, Land etc.)
Landwirtschaft (Ernteabschätzung, Precision Farming)
Meteorologie (Wetter)
Lagerstättenexploration (Geologie)
Arbeitsgebiete in der Geographie
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z.B. Gebäude, Vegetation, Boden, Wasser …
Ablaufschema in der „Fernerkundung“
Physikalische Objekte
Sensordaten
InformationSensor nimmt physikalische Eigen-schaften (emittierte oder reflektierte Strahlung) der Objekte auf
AnwendungenAnalyse und Verarbeitung der Daten ermöglicht die Ableitung von Infor-mationen (z.B. Reflexion, Temperatur)
Informationen aus FE-Daten werden mit anderen Daten kombiniert zur Lösung spez. Problemstellungen
Landnutzung, Geologie, Hydrologie, Vegetation,
Boden
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Punktmessung:
- Ausdehnung ungenau- räumliche Differenzierung nicht möglich- genaue Aussage über zeitliche Entwicklung- keine Aussage über räumliche Entwicklung- Messnetz verkleinert Problem (repräsentativ!)
Punkt vs. Fläche
Flächenmessung = Fernerkundung
- Ausdehnung ungenau- räumliche Differenzierung genau- zeitliche und räumliche Entwicklung genau
Preis der Flächenmessung
- kein direkter Kontakt zum Objekt
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Welche Objekte kann man in verschiedenen Datensätzen erkennen? Welche räumlichen Skalen werden mit welchen Systemen abgedeckt?
Fragestellungen und Möglichkeiten
Räumliche Auflösung
Spektrale Auflösung
Zeitliche Auflösung
Wie sehen unterschiedliche Objekte (spektrale Signaturen) im Satellitenbild aus?
Wie sehen Objekte in unterschiedlichen Satellitenbildern aus (spektrale Auflösung)?
Kann man zeitliche Veränderungen erfassen?
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Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
Geometrische oder räumliche Auflösung
… ist die kleinstmögliche Fläche (Pixel), die vom Sensor erfasst werden kann (z.B. Landsat TM: 30 x 30m), bei photographischen Aufnahmen (Linienpaare/mm)
IFOV (Instantaneous Field Of View, 'ω) bedingt die räumliche Auflösung auf der Erdoberfläche (Seitenlänge eines Pixels B)
IFOV wird oft als Winkel angegeben, z.B. Landsat TM 42.5 µrad
Berechnung der Pixelgröße B = IFOV * Flughöhez.B. B
mBTM 96291070510542 36 .. =⋅×⋅= −
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Sichtbarkeit von kleinen Objekten im Bild
Kleiner IFOV, d.h. feine oder hohe räumliche Auflösung
Räumliche Auflösung
Nur große Objekte sind im Bild sichtbar
Großer IFOV, d.h. grobe oder niedrige räumliche Auflösung
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Räumliche Auflösung
Geometrische Auflösung normalerweise bezogen auf Nadir
FOV = Sensor-Blickwinkel = IFOV * NS
BNadirBOff-Nadir
BOff-Nadir > BNadir
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Orbit… ist die Bahn des Satelliten um die Erde
geostationär: Satellit ist in einer Höhe von ca. 36 000 km genauso schnell wie Erde. Wenn über dem Äquator angebracht ist, bleibt er stationär und dreht sich mit der Erde er nimmt immer den gleichen Ausschnitt der Erde auf (Tag und Nacht), z.B. Meteosat.
sonnensynchron: Satellit kreist in etwa von Pol zu Pol, mit einem best. Winkel zum Äquator (Inklination), um jeden Ort bei jedem Überflug unter den gleichen Beleuchtungs-bedingungen aufzunehmen, z.B. Landsat, SPOT. Dabei wandert er mit dem Sonnen-stand von Ost nach West.
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Spektrale Auflösung
… ist die Anzahl der Kanäle und welchen Wellenlängenbereich jeder Kanal wahrnehmen kann (Kanalbreite)
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
d.h. Landsat TM 5 hat 7 Kanäle mit den KanalbreitenTM 1 = 0.45 – 0.52 µmTM 2 = 0.52 – 0.60 µm…
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Spektrale Auflösung
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
Spektrale Auflösung
450nm = blau 680nm =rot 868nm =NIR
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Tschernobyl, 1986vor und nach der KatastropheLandsat Aufnahmen, thermal
(Bildmaterial: NASA)
Zeitliche Auflösung oder Repetitionsrate
… klärt auf, nach welchem Zeitintervall ein Punkt auf der Erd-oberfläche vom Sensor wieder erfasst wird (z.B. Landsat 16 Tage)
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Veränderung des Landschafts-bildes am Beispiel „Mischwald“
Herbst
Sommer
Frühjahr
(Quelle: Haberäcker, Dig. Bildverarbeitung, 2002)
Zeitliche Auflösung - Jahreszeiten
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Radiometrische Auflösung = Datentiefe
… beschreibt die Anzahl der Abstufungen an Intensitäten, die von einem Sensor für jedes Pixel unterschieden werden kann
Die einfachste Datentiefe 21 = 2 Grauwerte (schwarz und weiß) 28 = 8 bit = 256 Grauwerte 216=16 bit = 65 536 Grauwerte (oder – 32 767 bis +32 767)
usw.
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
(z.B. Landsat 256 = 8 Bit)
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Radiometrische Auflösung = Datentiefe
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
(Quelle: www.ScanDig.de)
2 1 = 1 Bit = 2 Grauwerte
Grauwert [DN]
Anza
hl [
N]
0 1
2 2 = 2 Bit = 4 Grauwerte
0 4
2 8 = 8 Bit = 256 Grauwerte
0 255
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Sender - Objekt – Empfänger als Grundkomponenten
Elektromagnetische Strahlung ist der Informationsträger
(Quelle: Albertz, 2001)
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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Elektromagnetische Strahlung
Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Null-punkt strahlt el. magn. Energie aus
Viele Körper können diese Strahlung z.T. reflektieren
Hauptquelle der el. magn. Strahlung, die in der FE genutzt wird, wird von der Sonne emittiert und von Objekten an der Erdoberfläche reflektiert
Durch Messung der emittierten oder reflektierten Strahlung entwickelt man Kenntnisse über Charaktereigenschaften an der Erdoberfläche
Alle Anwendungen der FE basieren auf dem Verständnis der el. magn. Strahlung und deren Interaktion mit Oberflächen, der Atmosphäre und Sensoren
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(Quelle: Albertz, 2001)
Wichtigste Parameter und Zusammenhänge
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E Elektrische FeldkomponenteM Magnetische FeldkomponenteC Lichtgeschwindigkeit [3·108 m s-1]
… besteht aus einem elektrischen Feld und einem rechtwinklig dazu angeordneten magnetischen Feld
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… die wichtigsten Eigenschaften sind die
Wellenlänge λ [µm]
Frequenz ν [Hz] = Durchgänge an einem bestimmten Punkt pro Zeiteinheit (= s-1)
Amplitude A [W m-²µm-1] = Energieniveau am Peak
A
Polarisation p = Richtung des Feldvektors des el. Feldes
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… wird in Lichtgeschwindigkeit in Form von Wellen übertragen
c = λ * ν
c Lichtgeschwindigkeit [m s-1]λ Wellenlänge [m]ν Frequenz [Hz]
Elektromagnetische Strahlung
… dabei gilt: Je kürzer die Wellenlänge, desto höher die Energie
Q = h * νQ Energie eines Quantums [J]h Plank‘sches Wirkunsquantum (= 6.626 *10-34 [Js])
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Längenmaße in der Fernerkundung
Elektromagnetische Strahlung
Einheit
Kilometer [km] 1000 m
Meter [m] 1 m
Zentimeter [cm] 0.01 m = 10-2 m
Millimeter [mm] 0.001 m = 10-3 m
Mikrometer [µm] 0.000001 m = 10-6 m
Nanometer [nm] = 10-9 m
Ångstrom [Å] =10-10 m
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Gammastrahlung <0.03 nm
Röntgenstrahlung 0.03 - 300 nm
UV 0.30 – 0.38 µmVIS 0.38 – 0.72 µm
NIR 0.72 – 1.30 µmMIR 1.30 – 3.00 µmTIR 3.00 – 1000 µm
Mikrowellen 1 mm – 30 cmRadio > 30 cm
IR
Elektromagnetische Strahlung
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Elektromagnetische Strahlung - Entstehung
Natürliche oder künstliche Umwandlung von anderen Energie-formen (kinetisch, chemisch, elektrisch, molekular, etc.)
Je organisierter der Umwandlungsprozess desto höher ist die Kohärenz der generierten StrahlungPeriodische Ströme z.B. in Kabeln, Antennen
- Elektronen in spez. Lampen erzeugen el. magn. Feld- Wechsel des Anregungszustands von Molekülen (Rotation)
Wechsel des Anregungszustands von Molekülen (Vibration, Orbitalübergang)
Orbitalübergänge der inneren Elektronen von Atomen
- Natürl. Zerfall von U, Th und K erzeugt hochenergetische Strahlung
- Künstliche Spaltung oder Anregung von Atomkernen
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Thermische (TIR) Strahlung
Wärme = kinetische Energie durch Bewegung von Partikeln
Chaotische Bewegung
Abfall in energie-ärmeren Zustand
Kollision von Teilchen
Anregung (Elektronen, Vibration, Rotation)
Erzeugung von el.magn. Strahlung
Chaotischer Ausgangszustand führt zu einem breiten Spektrum
an emittierter Strahlung
Elektromagnetische Strahlung - Entstehung
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Chaotischer Ausgangszustand führt zu einem breiten Spektrum an emittierter Strahlung
Solar radiation
Black body radiation at 300 K (earth)
Ene
rgy
0.2 0.5 1.0 5.0 2010 100 200 0.5mm
Black body radiation at 5800 K (sun)
Im Gegensatz dazu feine Emissionslinien z.B. bei Lasern
Elektromagnetische Strahlung - Entstehung
(Quelle: abgeändert nach Kappas, 2001)
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Spektrale Strahldichte E ist abhängig von der Wellenlänge und der absoluten Temperatur des Körpers
Emission von schwarzen Körpern kann durch das Planck‘sche Strahlungsgesetz beschrieben werden
E = spektrale Strahldichte [W m-²]T = Temperatur [° K]h = Planck‘sches Wirkungsquantum (= 6.6 *10-34 [Js])k = Boltzmann-Konstante (= 1.38 * 10-23 [JK-1])
Elektromagnetische Strahlung - Entstehung
1. Wie viel Energie wird insgesamt ausgestrahlt?
2. Wo liegt das Maximum?
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1. Wie viel Energie wird insgesamt ausgestrahlt?
4TσE ⋅=
Je heißer ein Schwarzkörper desto mehr Energie wird abgestrahlt
Stefan-Boltzmann-Gesetz
Die von einem schwarzen Körper abgestrahlte Energie E ist proportional zur 4. Potenz seiner absoluten Temperatur
E = spektrale Strahldichte [W m-²]T = Temperatur [° K]σ = Stefan-Boltzmann-Konstante (= 5.6697 10-8 [W m-² K-4])
Elektromagnetische Strahlung - Entstehung
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2. Wo liegt das Maximum der abgestrahlten Energie?
Wien‘sches Verschiebungsgesetz
Die Wellenlänge, an der das Maximum der von einem schwarzen Körper abgestrahlten Energie auftritt, ist alleine abhängig von seiner absoluten Temperatur
Ta
=maxλ
λmax = Wellenlänge mit der maximal abgestrahlten Energie [µm]
T = Temperatur [° K]a = 2897.8 [µm K]
Mit zunehmender Temperatur verschiebt sich das Maximum der abgestrahlten Energie sich in Richtung kurzwelliger Wellenlängen
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(Quelle: abgeändert nach Elachi, 2006)
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=ε
Kirchhoff‘sches Strahlungsgesetz
ε = EmmissivitätM = Emission eines gegebenen Körpers Mb = Emission eines Schwarzkörpers
ε Schwarzkörper = 1
ε Weißkörper = 0
0 < ε Graukörper < 1
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Solar radiation
Black body radiation at 300 K (earth)
Ene
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0.2 0.5 1.0 5.0 2010 100 200 0.5
Black body radiation at 5800 K (sun)
Reale Körper absorbieren auftreffende el. magn. Strahlung
(Quelle: abgeändert nach Kappas, 2001)
Kirchhoff postuliert ein für alle Körper konstantes Verhältnis von absorbierter zu emittierter Strahlung bei einer best. Temperatur
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Elektromagnetische Strahlung - Detektion
Kollektor Detektor Gemessene Größe
Mikrowelle Antenne -> Waveguide Radio I, A, v, p Streuung
TIR Linse MCT E, Emission
MIR, NIR Linse InSb, InAs E, Reflexion, Streuung
VIS Linse Si E, Reflexion, Streuung
UV Linse Si, Ge E, Reflexion, Streuung
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Literaturvorschläge I
Albertz, J.: Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbilden – eine Einführung in die Fernerkundung. Wiss. Buchgemeinschaft, 1991.
Campbell, J.B.: Introduction to Remote Sensing. 4th Edition, Taylor and Francis, 2006. Elachi, C. and Zyl, J.: Introduction to the Physics and Techniques of Remote Sensing.
2nd Edition, Wiley, 2006. Haberäcker, P.: Digitale Bildverarbeitung. Hanser Verlag, 2002. Hildebrandt, G.: Fernerkundung und Luftbildmessung für Forstwirtschaft,
Vegetationskartierung und Landschaftsökologie. Wichmann, 1996• Jansen, J.R.: Introductory Digital Image Processing: a Remote Sensing Perspective,
3nd Edition, Wiley, 2000. Kraus, K.; Schneider, W.: Fernerkundung. Band 2: Auswertung photographischer und
digitaler Bilder. Dümmler Verlag, 1988 Lillesand, T.K. and Kiefer, R.W.: Remote Sensing and Image Interpretation. Wiley,
2007 Mather, P.M.: Computer Processing of Remotely Sensed Images. 3rd Edition, Wiley,
2004 Richard, J.A. and Xiuping, J.: Remote Sensing Digital Image Analysis. Springer, 2006 Schowengerdt, R.A. : Remote Sensing – Models and Methods for Image Processing.
Academic Press, 2006.
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Literaturvorschläge II
Zeitschriften, z.B.
Remote Sensing of Environment
International Journal of Remote Sensing
Canadian Journal of Remote Sensing
IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing
Zeitschrift für Photogrammetrie und Fernerkundung
Internet, z.B.
Seiten von Raumfahrtbehörden wie www.nasa.gov, www.esa.int
Space Daily www.spacedaily.com
JPL www.jpl.nasa.gov
DLR www.dlr.de
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Nützliche Software
- ERDAS: http://www.gi.leica-geosystems.com/Products/Imagine/
- IDRISI: http://www.clarklabs.org/
- ENVI: http://www.creaso.com/
- PCI: http://www.pcigeomatics.com/
- BEAM: http://www.brockmann-consult.de
- LeoWorks: http://www.eduspace.esa.int
und als ‚Spielzeug‘:
- Google Earth
Literaturvorschläge III