Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger

Präsentation zum Thema: "Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger"—  Präsentation transkript:

1 Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger
Sommersemester 2014

2 Über den Vortragenden …
Ao. Prof. Leopold Haimberger Zimmer 2F512, Tel “Sprechstunde”: nach den UE Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

3 Vorlesung Fr, , Raum 2E206 Übungen Fr und 13-14, Raum 2F513 Prüfung: mündlich, nach Ende der VO Termine: nach Vereinbarung Unterlagen: ftp://srvx7.img.univie.ac.at/pub/Fernerkundung/ Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

4 Aus dem Studienplan ECTS Gesamt: 5 NPI: 3 PI: 2
Beschreibung/Inhalt Das Modul führt in das Gebiet der Fernerkundung ein und hat folgende Schwerpunkte: − Elektromagnetisches Spektrum − Radianz, Strahlungsgesetze − Wechselwirkung: elektromagnetische Strahlung und Materie − Das Vorwärts- und das Retrievalproblem − Elektrooptische Systeme − Temperatur- und Spurenstoffprofile − Limb-sounding − Passive und aktive Mikrowellensysteme − RADAR/LIDAR − Streuungsmesssysteme − Plattformen für remote sensing (Satellit, Flugzeug, …) − Grundzüge der Datenauswertung Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

5 Zeitplan-Vorlesung Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

6 Kenntnisse, die vorausgesetzt oder nur kurz wiederholt werden
Lineare Algebra Matrizen und Matrixfaktorisierungen Vektorräume Normen, Projektionen Orthogonalität Eigenwerte und -funktionen Analysis Reihen harmonischer Funktionen Taylorreihen Komplexe Zahlen und Funktionen Lineare Differentialgleichungen und Wellengleichungen Theoretische Meteorologie Elektronische Datenverarbeitung Elementare MATLAB-Kenntnisse SVD SIAM, matplot, Zusammenhang: eig, svd; Resolvente Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

7 Literatur Stephens, G. L., 1994: Remote Sensing of the Lower Atmosphere Reese, W. G. 2001: Physical Principles of Remote Sensing Bauer, P.,2002: Introduction to Microwave radiative transfer SVD SIAM, matplot, Zusammenhang: eig, svd; Resolvente Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

8 1. Einleitung 1.1 Definition:
Die Fernerkundung (englisch: Remote Sensing) ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder anderer nicht direkt zugänglicher Objekte durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-)Felder. Als Informationsträger dient dabei meist die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung Nicht-EM Fernerkundung: Schall, Gravimetrie, Magnetik, Seismik Menschen haben ein em-Meßsystem und ein Schallsystem eingebaut, Drei in situ Meßsysteme Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

9 1.2 Geschichtliches: Fotos und Luftaufnahmen
Die erste Luftbildaufnahme von Gaspard Felix Tournachon (Nadar) aufgenommen von einen Fesselballon 1,700-ft. über Paris (Frankreich, 1858). Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

10 1.2 Geschichtliches: Im 19.Jh Entdeckung der elektromagnetischen Wellen: IR durch Herschel UV durch Ritter Radiowellen durch Hertz 1863 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwell) 1886 Radiowellen werden an metallischen Gegenständen reflektiert (Hertz) Luftfotographie ab Mitte 19.Jh zunächst noch von Ballonen und Drachen, dann von Flugzeugen 1904 Ortung von Schiffen, Zügen mit Radiowellen Ziviler Nutzen der neuen Technik in der Zwischenkriegszeit in der Kartografie, Geologie, Land- und Forstwirtschaft. Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

11 1.2 Geschichtliches – Satelliten und digitale Bildverarbeitung
Zweite Weltkrieg brachte Entwicklungsschub (IR-Geräte, Radar) Falschfarbenfilme entwickelt in den 50er Jahren wurden zur Erstellung von Vegetationskarten verwendet 60er Jahre: Erste Sensoren im All (TIROS-1, April 1960) Juli 1972: Start des ERST Satelliten durch die NASA (Landsat). 1979: Assimilation von TOVS Satellitendaten in die numerische Wettervorhersage 1985: Earth Radiation Budget Experiment – Beginn des Klimamonitoring mit Satellitendaten Seither: Ein enormer Boom von Satelliten und bodengestützten Fernerkundungssystemen für ein breites Anwendungsspektrum Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

12 Hurricane Mitch, 271098 Buschfeuer
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13 Satellitengestütztes Wetter- und Klimabeobachtungssystem
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14 Verteilung und Art der Wolken Windgeschwindigkeiten
1.3 Anwendungen: Hohe Kosten der Entwicklung und des Betriebes gerechtfertigt durch globale Bedeckung, hohe Frequenz und digitale Echtzeitverfügbarkeit von Daten. Atmosphäre: Temperatur Niederschlag Verteilung und Art der Wolken Windgeschwindigkeiten Konzentrationen von Spurenstoffen Ursprünglich aus dem Mondfahrtprogramm Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

15 1.3 Anwendungen an Oberfläche: Topographie Temperatur Albedo
Bodenfeuchtegehalt Vegetationstypen Energiespektra der Meereswellen Farbe Dynamisches Verhalten v. Meereis,Eisbergen etc Ursprünglich aus dem Mondfahrtprogramm Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

16 European Centre for Medium Weather Forecasts
13 co-operating states Croatia Czech Republic Estonia Hungary Iceland Latvia Lithuania Morocco Romania Serbia Slovakia Slovenia Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

17 Am ECMWF assimilierte Daten
Conventional Satellite ATOVS and AIRS HIRS, AIRS and AMSU radiances SSM/I Microwave radiances (clear-sky) TCWV in rain and clouds Meteosat/MSG/GOES Water Vapour IR-channel, AMVs QuikSCAT and ERS-2 Ambiguous winds-10m GOME/SBUV Ozone retrievals GPS-RO/ COSMIC Bending angle SSMIS TMI AMSR-E ASCAT IASI SYNOP/SHIP/METAR Ps, Wind-10m, RH-2m AIREP Wind, Temp DRIBU Ps, Wind-10m TEMP/DropSONDE Wind, Temp, Spec Humidity PILOT Wind profiles Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

18 Fernerkundungsdatentypen am ECMWF
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19 Spurenstoffe Masse Feuchte Wind IR = InfraRed MW = MicroWave
Ultraviolet sensors Sub-mm, and near IR plus Visible (e.g. Lidar) Polar IR + MW sounders Masse Radar and GPS total path delay Feuchte Radio occultation Geo IR Sounder Geo IR and Polar MW Imagers Feature tracking in imagery (e.g. cloud track winds), scatterometers and doppler winds IR = InfraRed MW = MicroWave Wind

20 Zunahme assimilierter Satellitendaten
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21 Einfluss auf Vorhersagequalität
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

22 FC-Qualität steigt durch verbesserte Assimilation von Satellitendaten
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

23 Zwei dumme Fragen: Wie nutzt ein Vorhersagezentrum Satellitendaten?
Wie kann man den atmosphärischen Zustand (real oder in einem Modell) d.h. thermodynamische Zustandsgrößen in einem atmosphärischen Volumen mit Satellitendaten meist spektrale Radianzen vergleichen? Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

24 Zwei Vergleichsmöglichkeiten
Man berechnet die beobachtete Radianz y aus dem atmosphärischen Zustand x Das Vorwärtsproblem: Y=H(x) Man berechnet den atmosphärischen Zustand x aus der Radianz y Das Retrieval-Problem x=HT(y), auch als Inverses Problem bezeichnet Das Retrieval Problem ist fast immer unterbestimmt! H ist der Beobachtungsoperator. In ihm steht die Meß- und Strahlungsphysik Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

25 Aus Vorhersage berechnetes Meteosat-Bild
Observed satellite radiance Model radiance Model T and q H compare Meteosat imagery Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

26 Near-IR satellite observations – CH4 and CO
Retrievals Near-infrared (Sciamachy) and infrared (AIRS) instruments provide estimates of CH4, CO, and CO2. These observations show, among other things, clearly the effect of wetlands, rice paddies, pollution, and biomass burning on atmospheric concentrations. Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

27 Retrieval aus visible channel - Aerosol
Aerosol is usually measured as the total impact on the radiation observed by the satellite. This does not account for the various types of aerosols (e.g., sea salt, desert dust). Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

28 Formaldehyde total column
GEMS HCHO: Mean No assimilation of HCHO data Unfortunately no data for the same period Unit: 1015 molec/cm2 GOME: July 2001 GEMS HCHO is of the right order of magnitude Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

29 Systematik der Vorlesung
Einführung Strahlungstransfer Einführung eines relevanten satelliten-gestützten Messverfahrens Erklären des Messprinzips, Formulierung des Beobachtungsoperators Lösung des Retrievalproblems Weitere Meßsysteme Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

30 Strahlungstransfer Wiederholung der Grundlagen
Radianz und Irradianz Optischer Weg Planck‘sches Gesetz Strahlungsübertragungsgleichung Anwendung für passive remote sensing Anwendung für Energiehaushalt Skriptum/Buch Theoretische Meteorologie I (em. Prof. Hantel) Einführung in die Fernerkundung, SS 2014