Grundlagen der Fernerkundung (Remote Sensing) · liegt das Maximum des Sonnenenergie-Outputs!). Grüne Objekte werden meist sofort als Vegetation interpretiert. • Die Zellstruktur

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BSc: Waldinventur und Fernerkundung I Prof. Dr. Christoph KleinnAbteilung Waldinventur und Fernerkundung

Grundlagen der Fernerkundung (Remote Sensing)

• Definition und Überblick. • Physikalische Grundlagen.• Anwendungsmöglichkeiten.• Luftbildmessung und –auswertung.

Literatur• Franklin, S.E. 2001. Remote Sensing for Sustainable Forest Management. Lewis

Publishers. 407p.• Hildebrandt, G. 1996. Fernerkundung und Luftbildmessung. Wichmann. 676p.• Lillesand, Kiefer. 2000. Remote Sensing and Image Interpretation. Wiley. 724p.• Wilkie, Finn. 1996. Remote Sensing Imagery for Natural Resources Monitoring.

Columbia University Press. New York. 295p.

• Fernerkundung im eigentlichen Sinne ist „Messen ohne direkten Kontakt zum zu messenden Objekt”.

• Hier: Konzentration auf photographische (und ähnliche) Aufnahmen der Erdoberfläche „von oben“

Analoge (Fotos) oder digitale (Bilddateien) Repräsentation der von der Erdoberfläche (oder von dort befindlichen Objekten) reflektierten oder emittierten elektromagnetischen Strahlung.

Definition

• Vor Fernerkundung: Was über Naturressourcen und deren Entwicklung bekannt war, stammte aus lokalen Studien vor Ort.

• Die Fernerkundung erlaubt einen synoptischen Blick und erfasst Objekte der Landschaft (wie den Wald) in ihrem räumlichen Kontext.

• Der Begriff Fernerkundung wurde erst in den 1960er Jahren geprägt. Wesentliche Grundlage für die Entwicklung der Fernerkundung war die Erfindung der Photographie (1839 Luis Daguerre) und die Nutzung von Flugobjekten (Drachen, Ballons, Tauben, Flugzeuge, Satelliten etc.).

• Analoge Luftbilder (photographische Aufnahmen) haben weiterhin Bedeutung, werden aber mehr und mehr durch digitale Bilder abgelöst …

• … und digitale Aufnahmesysteme (Sensoren, die unter-schiedliche Spektralbereiche digital registrieren) entwickeln sich zum Standard.

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• Die Fernerkundung erlaubt eine nicht-störende und multispektrale Messung von biologischen und physikalischen Phänomenen in unterschiedlichenräumlichen und zeitlichen Maßstäben und über großeFlächen.

• Wird oft als ideales “monitoring tool” angesehen;auch für Dokumentation und Zeitreihen.

• Eine Reihe ökologisch relevanter Fragestellungen kannmit Hilfe von Fernerkundungsmethoden bearbeitetwerden, vor allem im Zusammenhang mit• Änderungen in Vegetation und Nutzung

(land cover / land use),• Flächenfragmentierung,• ….

• Die erfasste elektromagnetische Strahlung ist üblicherweise- Reflektiertes Sonnenlicht,- Wärmestrahlung (aller Objekte mit einer Temperatur oberhalb des

absoluten Nullpunktes) , oder- reflektierte Mikrowellen (Radar) oder IR (Lidar)

• Bilder werden von Plattformen aus aufgenommen, montiert auf Kränen, Masten, Flugzeugen, Satelliten; von wenigenMetern bis viele Kilometer über der Erdoberfläche.

• Die Entwicklung der Fernerkundung wird wesentlichmitbestimmt durch• Technische Entwicklungen (neue Sensoren,

Plattformen);• Methodische Entwicklungen (Algorithmen).

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Prinzipien von Aufnahmesystemen

• Passive Systeme: Nehmen Strahlung auf, die von “fremden”Strahlungsquellen kommt.

• Aktive Systeme: Nehmen Strahlung auf, die selbst ausgesendet wurde (Radar, Laserscanner).

• Die Registrierung kann dann auf unterschiedliche Arten erfolgen:• Analog (Film): verschiedene Schichten der Filmemulsion

sind empfindlich für verschiedene Wellenlängen der Strahlung.

• Digitale „Abtastsysteme“ (Scanner): digitale Registrierung als Pixel (= picture element); Aufspaltung in verschiedene Spektralbereiche mittels Prismen.

• Registrierung der Intensität der Rückstrahlung ausgesen-deter Impulse über Antennen (im Falle aktiver Systeme).

“Komponenten” eines Aufnahmesystems• Strahlungsvorgänge.• Aufnahme von luft- oder weltraumgestützter

Plattform aus.• Übertragung/“Transport“ zur Erde.• Bildverarbeitung (analog oder digital).• „Transport“ zum Nutzer.• Bildauswertung.

Anwendungsgebiete

• Forstwirtschaft,• Landwirtschaft,• Umwelt-Monitoring,• Geologie,• Archäologie,• Vermessungswesen, Geographie, Stadtplanung,

Raumentwicklung,• Landschaftsökologie, Landschaftsplanung,• Militär,• …• ... überall, wo Karten und andere flächenbezogene

Information benötigt werden.

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Forstliche AnwendungenBeispiele:• Erfassung forstlich relevanter Parameter, insbesondere

Flächeninformation (Wald, Waldtypen, Waldschäden).• Erfassung von Status quo und von Veränderungen (im

Vergleich mit alten Aufnahmen) v.a. von Flächen und Flächencharakteristika.

• Erstellung forstlicher thematischer Karten.• Unterstützung der Orientierung im Feld.• Kartographische Aufarbeitung von Inventurergebnissen.

• Aber: Man kann in Luft- und Satellitenbildern nicht alles sehen, was für forstliche etc. Zwecke wichtig ist! Daher:

• Für jede spezielle Aufgabe muss eine optimale Integration von Fernerkundung und Feldaufnahmen gefunden werden.

• Neben Zielkonformität sind die Aspekte „Kosten“ und „Genauigkeit“ wesentlich.

Beispiel Luftbild – Unterschied Stadtplan?

Von Fernerkun-dungsauf-

zeichnungenzur Karte

UnterschiedezwischenLuftbild und Stadtplan?

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• Beispiel: Wald-typenklassifi-zierung imRahmen einergroßräumigenWaldinventur.PFC

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• Beispiel fürKlassifizierungs-probleme

ASFM

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BAN

PC Coffe plantation

with trees

Photointerpretation

Field Observation

Um: 91Foto: 0132a84Mapa: Rio GrandeCorrogres de Puriscal

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Beispiel: Probeflächeneiner Wald-inventur ins, Luftbild einge-zeichnet.

Wofür??

Beispiel Luftbild

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80 0 80 160 Meters

Elektromagnetische Strahlung• In der Fernerkundung verwendete Aufnahmegeräte

registrieren elektromagnetische Strahlung (Sensoren).

• Primäre Strahlungsquelle ist die Sonne (passive Systeme).

• Ca. 50% der Strahlungsenergie der Sonne liegt im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (0.4-0.7µm = 400-700nm) mit einem Maximum bei 470nm.

Quelle: Wilkie, Finn. 1996.

Erweitertes sichtbaresSpektrum elektromagnetischerStrahlung

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Elektromagnetische Strahlung – und ihre Wechselwirkung mit Objekten

Wenn Strahlung ein Objekt trifft, treten folgende Prozesse ein:• Transmission: Die Energie geht durch das Objekt – allerdings

wird die Geschwindigkeit geändert (Refraktion). Da die Fre-quenz gleich bleibt, ändert sich auch die Wellenlänge nachc=f λ (c=Lichtgeschwindigkeit, f=Frequenz, λ=Wellenlänge)


Wenn Strahlung ein Objekt trifft, treten folgende Prozesse ein:• Absorption: Die Strahlungsenergie wird auf das Objekt

übertragen, gewöhnlich in Form von Wärme.

• Abstrahlung: Energie wird zunächst aufgenommen und dannabgestrahlt, meist als Wärmestrahlung.


Wenn Strahlung ein Objekt trifft, treten folgende Prozesse ein:• Reflektion: Die Strahlung wird am Objekt gerichtet reflektiert =

zurückgeworfen, wobei der reflektierte Strahlungsanteil die “Farbe” des Objektes definiert (sichtbarer Bereich).

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Wenn Strahlung ein Objekt trifft, treten folgende Prozesse ein:• Streuung: Die einfallende Strahlung wird diffus, in zufällige

Richtungen zurückgeworfen. Hängt von der Größe des Objektes in Relation zur Wellenlänge ab (Bsp. Aerosole).

• Reflektierte und abgestrahlte Strahlungsbereiche stehen fürdie Identifizierung und Klassifizierung von Objekten zurVerfügung (Signale).

• Jedes Objekt hat eine typische “spektrale Signatur”.• Aber nicht alle Objekte unterscheiden sich dabei in allen

Wellenlängenbereichen(Beispiel: grünes Baumblatt und in gleichem Grünangestrichenes Blatt Papier?)

• Was passiert mit der Sonnenstrahlung beimDurchdringen der Atmosphäre und beim Auftreffenauf die Erdoberfläche?

• Warum interessiert uns diese Frage?

Sonnenstrahlung und Atmosphäre

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Sonnenstrahlung und Atmosphäre• Strahlungsverluste durch die Atmosphäre in verschiedenen

Wellenlängenbereichen, insbesondere durch Ozon, Sauerstoff, CO2 und Wasserdampf.


• Nur ein Teil der Strahlung kommt auf die Erdoberfläche, rundein Drittel wird zurückgestrahlt.

• Die restliche Strahlung wird in der Atmosphäre durchReflektion und Brechung/Beugung weiter “geschwächt”, so daß ein Teil dieser Strahlung die Erdoberfläche als diffuses Luftlicht erreicht.

• Je nach Trübungsgrad der Luft und Stand der Sonne beträgtder Anteil diffusen Lichts an der “Globalstrahlung”(Gesamtstrahlung) zwischen 10% und 100%.

• Abschnitte des Spektrums mit guter Durchlässigkeit derAtmosphäre bezeichnet man als “atmosphärische Fenster”.

• Die an der Erdoberfläche ankommende Strahlung setzt sichalso zusammen aus direkter Strahlung und diffuser Himmels-strahlung.

• Das diffuse Licht verhindert starke Abschattungen(positiv aus Sicht der Fernerkundung, da die Schattenbildung weniger stark ausgebildet ist!),

• verwischt aber gleichzeitig Kontrast- und Farbunterschiede der Objekte an der Erdoberfläche (negativ aus Sicht der Fernerkundung, da die Unterscheidung von Objekten schwieriger wird!).

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Schatten gibt esaber auch beidiffusemHimmelslicht

Interaktion von Sonnenstrahlung mit der Atmosphäre und mit Objekten an der Erdoberfläche

Objekte, Feuchtigkeit, Staubund Rauch in derAtmosphäre reflek-tieren in unter-schiedlicher Weise und ändern die “Zusammensetzung”der Strahlung.


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Transmissions-”Fenster” der Atmosphäre

• Bild S. 17Spektralbereiche, in denen einige

Satellitensensoren Strahlung registrieren: Diese

„Spektralbänder“ fallen zusammen mit lokalen Maxima der

Durchlässigkeit der Atmosphäre

Landsat TM


Warum ist der Himmel blau und das Abendrot rot?Wie gelernt: die Partikel und Moleküle der Luft streuen, absorbieren und reflektieren unterschiedlich in unterschiedlichen Spektralbereichen:

Kurzwelliges Licht (blau) wird in der Atmosphäre wesentlich (16x) stärker gestreut als langwelliges (rot), d.h. das Blau „verteilt sich“gleichmäßig über den unbewölkten Himmel, der dann blau erscheint.

Abends ist der Wegdurch die Atmo-sphäre deutlich länger, das kurzwel-lige Blau wird voll-ständig „weg“ge-streut, und nur das langwellige Rot bleibt sichtbar.

Reflexionseigenschaften von Wasser, Böden, Vegetation

• Wasser: klares Wasser erscheint blau, da es vor allem im Bereich der kurzwelligen blauen Wellenlängen reflektiert (0.4-0.5 µm). Wasser absobiert vollständig die Strahlung im nahen IR (0.8-3 µm), so daß es dort schwarz erscheint. Je nach Schwebstoffen etc. kann Wasser natürlich unterschiedliche Farben annehmen.

• Um Wasserqualität zu prüfen, wird man Sensoren im Wellen-längenbereich 0.4-0.6 µm verwenden, um Wasser von Land zu trennen jedoch 0.8-3 µm.

• Problem: Die atmosphärische Störung durch Wasserdampf ist besonders groß im blauen Bereich 0.4-0.5 µm und auch im grünen bei 0.5-0.6 µm.

• Wasserdampf (nicht nur Wolken!) in der Atmosphäre behindert also die Sicht in einigen Wellenlängenbereichen.

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Reflexionseigenschaften von Wasser, Böden, Vegetation

Böden und Felsen: Böden sind der “Hintergrund” auf den meisten bewachsenen Flächen und (zusammen mit Felsen) die einzigen reflektierenden Objekte in vegetationsfreiennatürlichen Landschaften.Reflektieren stark im sichtbaren Bereich, wobei die Reflexionseigenschaften von der Bodenfeuchtigkeitmitbestimmt werden.Die Bodenreflektion nimmt ab dem blauenWellenlängenbereich über einen weiten Bereichkontinuierlich zu. Liegen multispektrale Aufnahmen vor, kann man sich diese Eigenschaft für die Erkennung bzw. Unterscheidung von Böden zunutze machen.

Typische spektrale Reflexionskurve von Sandböden.

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Reflexionseigenschaften von Wasser, Böden, VegetationVegetation: Vegetation erscheint grün (Chlorophyll); vor allem

blau (v.a. bei 0.41, 0.43 und 0.453 µm) und rot (v.a. bei 0.642, 0.662 µm ), wird absorbiert,

und im grünen Bereich reflektiert und transmittiert (bei 0.47µmliegt das Maximum des Sonnenenergie-Outputs!).Grüne Objekte werden meist sofort als Vegetation interpretiert.

• Die Zellstruktur im Blatt bewirkt eine starke Reflexion auch imnahen IR (bei 0.8-1.1 µm ).

• Vegetation absorbiert (blau&rot) und reflektiert sehr typisch(nahes IR), so dass sie gut von Nicht-Vegetation unterscheidbar ist.

• Variationen in diesem “Muster” durch unterschiedlichen Pig-ment- oder Wassergehalt bzw. Gesundheitszustand. Dies hilft, Vegetation und ihre Eigenschaften genauer zu interpretieren(z.B. Arten, Artenmischung, Alter, Gesundheitszustand, Entwicklungsphase, …)

Reflexion am Blattorgan

.

Typische spektrale Reflexionskurve von Blätternund Ursachen

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Farb und Farb-IR Aufnahme

Remote Sensing: Module 4

• Supervised classification.

Getrennte Registrierung der Strahlungsintensität in verschiedenen Wellenlängenbereichen: multispektrales Aufnahmeinstrument

. Die Strahlungsintensitäten in den verschiedenen “Kanälen” werdengetrennt registriert und sind damit getrennt auswertbar.

Weisses Licht

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Auflösung (resolution) als Charakteristik von Sensoren und Aufzeichnungen

1. Räumliche Auflösung: Größe des kleinsten Objektes, das identifiziert werden kann (Größe der Pixel).

2. Radiometrische Auflösung:Kontrast; – d.h. in wie vielen Stufen die Messung der Intensität der Strahlung in den spezifischen Spektralbereichen erfasst wird (6 bit – 8 bit – 10 bit).

3. Spektrale Auflösung:Farbe; Anzahl und Breite der Spektralbereiche, insgesamt abgedeckter Spektralbereich.

4. Zeitliche Auflösung: Frequenz der Aufnahme desselben Ortes.

Gescannt mit 1200dpi 300dpi

“Auflösung” als ein Qualitätsmerkmal

Spektrale Auflösung: bestimmt durch Anzahl und Breite der registrierten WellenlängenbereicheGeometrische Auflösung: bestimmt durch die Größe des kleinsten noch erkennbaren Objektes.

...Je kleiner die Pixelgröße, desto mehr Details sind unterscheid-bar und desto größer die Datenmenge.

Gilt immer: „Höhere Auf-lösung=mehrInformation?”


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.Radiometrische Auflösung: =Anzahl der Intensitäts-Stufen, in denen die Strahlungsenergie aufge-nommen wird. Bei der graphischen Darstellung = Anzahl Graustufen.In Digitalbildern üblicherweise 26, 27 or 28 levels (6,8 or 10 bits).Das menschliche Auge kann viele Farbabstufungen, aber nur wenigeGrau-Stufen unterscheiden!

256 gray levels 2 gray levels


Illustration unterschiedlicher radiometrischer

Auflösung

256 64

32 16

8 2

Beispiel eines Satellitenbildes. Der Sensor (Landsat ETM+) registriert in 7 spektralen Kanälen definierter Breite.

Jeder dieser Kanäle produziert ein „Grauwert-Bild”(Strahlungsintensitäten im jeweiligen Spektralbereich)

Um dann ein Farbbild daraus zu machen, müssen wir Kanäle auswählen und diesen Farben zuweisen. 3 Kanäle: RGB (denn nach der Farbentheorie ist jede Farbe aus den Komponenten Red/Green/Blue (RGB) zusammengesetzt).

1 2 3 4 5 6 7

Spektrale Auflösung: = Anzahl und Weite der Spektralbereiche, in denen die Strahlungsenergie

registriert wird.


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Grundlagen der Fernerkundung (Remote Sensing) · liegt das Maximum des Sonnenenergie-Outputs!). Grüne Objekte werden meist sofort als Vegetation interpretiert. • Die Zellstruktur