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Methoden der Fernerkundung Prof. N. Oppelt WS 2010/11 2.Grundlagen und el.magn. Strahlung Methoden der Fernerkundung Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Grundlagen und Elektromagnetische Strahlung I Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel [email protected]

Methoden der Fernerkundung · … 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

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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

Elektromagnetische Strahlung

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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

Elektromagnetische Strahlung

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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

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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

Elektromagnetische Strahlung - Entstehung

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(Quelle: abgeändert nach Elachi, 2006)

Elektromagnetische Strahlung - Entstehung

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bMM

Kirchhoff‘sches Strahlungsgesetz

ε = EmmissivitätM = Emission eines gegebenen Körpers Mb = Emission eines Schwarzkörpers

ε Schwarzkörper = 1

ε Weißkörper = 0

0 < ε Graukörper < 1

Elektromagnetische Strahlung - Entstehung

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Solar radiation

Black body radiation at 300 K (earth)

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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

Elektromagnetische Strahlung - Entstehung

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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