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Digitale Verarbeitung von Fernerkundungsdaten
• Fernerkundungsverfahren
• Digitale Fernerkundungs(FE)-Daten
• Erfassung von FE-Daten
• Verarbeitung von FE-Daten, Digitale Bildverarbeitung
Fernerkundung (FE) = alle Verfahren, die Informationen über physikalische Eigenschaften und Veränderungen eines bestimmten Objektes von entfernt liegenden Beobachtungsorten mit Instrumenten erfassen, die in keinem physikalischen Kontakt mit dem Objekt selbst stehen.
Fernerkundungsverfahren
• Digitale Verfahren (z.B. Satelliten-Scannererfassung)
• Nicht-digitale Verfahren (z.B. fotografische Aufnahme analoger Luftbilder).
• Passive Verfahren (Scanner): empfangen lediglich Daten zu reflektierter und emittierter Strahlung.
• Aktive Verfahren (z.B. Radar): senden Strahlung und empfangen Daten zu emittierter und reflektierte Strahlung
Ermittelt werden emittierte und reflektierteelektromagnetische Strahlung von Objekten in gewissen Frequenzbereichen (sichtbares Licht, nicht sichtbare
Strahlung).
Anwendung der Fernerkundung:
Nutzung von Satelliten und Flugzeugen zur Fernerkundung z.B. für:
militärische Aufklärung Umweltmonitoring Wettervorhersage Abschätzung von Ernteerträgen
Digitale Fernerkundungs(FE)-Daten
Erfassung digitaler FE-Daten mit Satelliten, Flugzeugen oder Hubschraubern.
Verarbeitung digitaler FE-Daten mit Methoden der Digitalen Bildverarbeitung.
Fernerkundungsdaten = Rasterdaten, die von den Sensoren gemessenen Strahlungs-intensitäten werden als Grauwerte erfasst.
layer-bezogen pixel-bezogen
Landsat-Satellit Radar-Satellit
Lage der SatellitenszenenSatellitenumlaufbahn
Satelliten umrunden die Erde auf unterschiedlichen Umlaufbahnenmit unterschiedlichen Umlaufzeiten
Vorteile der digitalen Fernerkundung:
• flächendeckende Daten für großräumige Ausschnitte der Erdoberfläche
• aktuelle und zum gleichen Erfassungszeitpunkt erhobene Daten
• multispektral erfasste Daten (gleichzeitig mehre Daten pro Pixel für mehrere Frequenzbereiche der Strahlung)
• digitale Speicherung, Verarbeitung und Visualisierung der Daten
• relativ preisgünstige Erfassungsmethode
Nachteile der digitalen Fernerkundung:
• Räumliche Auflösung (Größe des Bodenelementes) für großmaßstäbige Fragestellungen nicht immer ausreichend.
• passive Erfassungssysteme stark wetter-abhängig
• Technik und Auswertungsmethoden sind relativ kompliziert.
Erfassung von FE-DatenErfassung von spektralen Charakteristika von Objekten.
Ansatzpunkt für die digitale FE: Objekte an der Erdoberfläche (Pflanzen, Häuser,
Wasserflächen etc.) reflektieren bzw. emittieren in Abhängigkeit von ihrem Zustand die elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge mit unterschiedlicher Intensität
Elektromagnetische Strahlung:
Von der Sonne zugestrahlte Energie im Wellenlängenbereich zwischen 0,1 m und 10 m (1 m = 10- 3 mm: Mikrometer); = kurzwellige Einstrahlung (UV, sichtbares Licht, nahes und mittleres Infrarot).
Kurzwellige Strahlung wird von Objekten der Erdober-fläche teilweise reflektiert, teilweise absorbiert.
Absorbierte Strahlung erwärmt die Objekte auf der Erdoberfläche; => langwellige Wärme-Strahlung (thermales und fernes Infrarot) wird zurück in die Atmosphäre gesandt.
Verfahren:
1) Strahlungsverhalten von Objekten wird am Erdboden mit Hilfe von Strahlungsmessgeräten ermittelt => spektrale Fingerabdrücke (Signaturkurven), um Objekte und ihre zeitlichen Zustandsänderungen zu identifizieren.
2) Analyse der FE-Daten anhand der Signaturkurven
Strahlung wird in sog. spektralen Fenstern gemessen = spektrale Intervalle, in denen aufgrund hoher Transmissivität (Durchlässigkeit) der Atmosphäre die Strahlungsintensitäten genau erfaßt werden können
– Ultraviolette Strahlung (0,2 - 0,4 m)– Bereich des sichtbaren Lichtes (0,4 - 0,7 m: Blau, Grün, Rot) – Nahes Infrarot (0,7 - 1,0 m) – einige Intervalle im mittleren IR (1,0 - 3,0 m) – einige Intervalle im thermalen IR (3,0 - 15 m
Der Frequenzbereich, für den ein Strahlungssensor die elektromagnetische Strahlung registrieren kann, = Kanal
Wird für ein Pixel an der Erdoberfläche die Strahlung gleichzeitig in mehreren Kanälen registriert => Multispektraldaten
Beispiel: METEOSAT-Satellit mit 2 Kanälen
LANDSAT-Satellit (TM) mit 7 Kanälen
Verarbeitung von FE-DatenDigitale Bildverarbeitung
Analyse von FE-Daten mittles spezieller DV-gestützter Bildverarbeitungssysteme (z.B. ERDAS Imagine, Envi, Idrisi),
Anwendung von Verfahren der digitalen Bildverarbeitung mit Datenkompression, Bildverbesserung, Filterung, Klassifikation und Mustererkennung.
Bearbeitungsprozess:
• Korrektur systematischer Verzerrungen die durch Flugbahn entstehen
• Bildverbesserung durch Verstärkungen bzw. Abschwächungen der Helligkeit und des Kontrastes einzelner Kanäle oder vollständiger Bilder; z.B. Verstärkung von Kanten von Geoobjekten durch Filter-Operationen.
• Georeferenzierung
• Klassifikation, Extraktion der gewünschten Fachinformationen aus den Strahlungsdaten anhand von Signaturkurven und statistischen Verfahren (z.B. maximum likelihood, minimum distance).
• Statistische Analyse der Resultate: Auswertung der klassifizierten FE-Szene mittels statistische Verfahren. Zum Beispiel Flächen-bilanzierung = Flächenanteile der aktuellen Landnutzung [ha, %] in einer Region
• Verknüpfung mit anderen Geoinformationen: FE-Daten oft Eingangsdaten für weitergehende Analysen oder Modellierungen. Die Verknüpfung mit anderen (vektorbasierten) raumbezogenen Informationen am einfachsten in einem hybriden GIS.
• Visualisierung von FE-Daten Zuweisung der Grundfarben Blau, Grün und Rot zu (i.d.R.) 3 Kanälen, wobei der Grauwert die Helligkeit bestimmt. => Falschfarben-bzw. Echtfarben-Komposit
Zusammenfassung
Ebenen der Modellierung
Geoobjekte und ihre Modellierung II
• Ebenen der Modellierung
• Konzeptionelle Modellierung– Entity-Relationship (ER)-Konzept
– Layer-Konzept
– objektorientiertes Konzept
• Vektor- und Raster-Modell, Hybrides Modell
ER-Diagramm als konzeptionelles Modell einer Wetterstation
Verwaltung von DatenDatenbanken
• Datei, Datenbank, Datenbankmanagementsystem
• Datenmodelle (DM)– Hierarchisches DM– Netzwerk DM– Relationales DM– Objektorintiertes DM
Digitale Geodaten
• Messung und digitale Erfassung von Geodaten
• Metadaten für Geodaten
• Qualität von Geodaten
• Standardisierung von Geodaten
• Geobasisdaten: ATKIS, ALKIS (ALK)
Analyse von Geodaten
• Koordinatentransformationen
• Analysen mit vektorbasierten Geoobjekten
• Analysen mit rasterbasierten Geoobjekten
• Georeferenzierung von rasterbasierten Geoobjekten
• Modellierung von Werteoberflächen: Räumliche Interpolation
Verwendung: Optimierungsprobleme im Raum Lokations-Allokations-Analysen,
. Georeferenzierung