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Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie Institut für Meteorologie und Geophysik Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger Sommersemester.

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1 Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie Institut für Meteorologie und Geophysik Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger Sommersemester 2014

2 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Über den Vortragenden … Ao. Prof. Leopold Haimberger –http://homepage.univie.ac.at/leopold.haimb erger/ –Zimmer 2F512, Tel Sprechstunde: nach den UE

3 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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/

4 Aus dem Studienplan Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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

5 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Zeitplan-Vorlesung

6 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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

7 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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

8 Einführung in die Fernerkundung, SS 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 Strahlungenglisch Erdoberflächeelektromagnetische Strahlung

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

10 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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. 1.2 Geschichtliches:

11 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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 1.2 Geschichtliches – Satelliten und digitale Bildverarbeitung

12 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Hurricane Mitch, Buschfeuer

13 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Satellitengestütztes Wetter- und Klimabeobachtungssystem

14 Einführung in die Fernerkundung, SS 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

15 Einführung in die Fernerkundung, SS Anwendungen an Oberfläche: -Topographie -Temperatur -Albedo -Bodenfeuchtegehalt -Vegetationstypen -Energiespektra der Meereswellen -Farbe -Dynamisches Verhalten v. Meereis,Eisbergen -etc

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

17 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Am ECMWF assimilierte Daten SYNOP/SHIP/METAR –Ps, Wind-10m, RH-2m AIREP –Wind, Temp DRIBU –Ps, Wind-10m TEMP/DropSONDE –Wind, Temp, Spec Humidity PILOT –Wind profiles 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 Conventional Satellite

18 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Fernerkundungsdatentypen am ECMWF

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

20 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Zunahme assimilierter Satellitendaten

21 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Einfluss auf Vorhersagequalität

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

23 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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?

24 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Zwei Vergleichsmöglichkeiten 1.Man berechnet die beobachtete Radianz y aus dem atmosphärischen Zustand x –Das Vorwärtsproblem: Y=H(x) 2.Man berechnet den atmosphärischen Zustand x aus der Radianz y –Das Retrieval-Problem x=H T (y), auch als Inverses Problem bezeichnet –Das Retrieval Problem ist fast immer unterbestimmt! 3.H ist der Beobachtungsoperator. In ihm steht die Meß- und Strahlungsphysik

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

26 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Near-IR satellite observations – CH 4 and CO Near-infrared (Sciamachy) and infrared (AIRS) instruments provide estimates of CH 4, CO, and CO 2. These observations show, among other things, clearly the effect of wetlands, rice paddies, pollution, and biomass burning on atmospheric concentrations. Retrievals

27 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 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).

28 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014 Formaldehyde total column GEMS HCHO: Mean Unit: molec/cm 2 GOME: July GEMS HCHO is of the right order of magnitude

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

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


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