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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften.

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1 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Wichtige geophysikalische Parameter durch Satellitenfernerkundung Landoberflächen – Albedo oder Reflexionsgrade – Anteil der zur Photosynthese genutzten Strahlung (FAPAR) – Blattflächenindex (LAI) – Oberflächentemperatur (LST) – Landoberflächenbedeckung und -nutzung – Feuchte, Rauhigkeit – (Bidirektionale Reflexionseigenschaften von Oberflächen) Meeresoberflächen – Oberflächentemperatur (SST) – Gelbstoffe, Schwebstoffe – Chlorophyllkonzentration Atmosphäre – Wolkenphysikalische Parameter (Bedeckungsgrad, Eis- und Flüssigwasserweg, Strahlungstemperatur, Emissivität, optische Dicke) – Spurengaskonzentrationen (z.B. O 3,, H 2 O, NO 2, CH 4, etc.) – Aerosol-optische Dicke – Niederschlag

2 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Geophysikalische Parameter der Landoberfläche Zum Spektralismus der AVHRR-Kanäle: Der Informationsträger Kanal 1Kanal 2Kanal 3Kanäle 4 und 5 Kanal 1: Absorption durch Blattpigmente (v.a. Chlorophyll) Kanal 2: Reflexionsmaximum durch gesunde Zellstruktur Kanal 1: 0,55 - 0,68 m solare Reflexion Kanal 2: 0, ,1 m solare Reflexion Kanal 3: 3,55 - 3,93 m solare Reflexion und thermische Ausstrahlung Kanal 4: 10,3 - 11,3 m thermische Ausstrahlung Kanal 5: 11,5 - 12,5 m thermische Ausstrahlung

3 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Der Vegetationsindex als normalisierte Differenz (NDVI) ist eine bezugslose Größe und definiert als wobei NIR die Reflexionsgrade im AVHRR-Kanal 2 und VIS die Reflexionsgrade im AVHRR-Kanal 1 sind Er liefert Information über die Grünheit der Vegetation, definiert als Differenz der NIR- und VIS-Reflexionsgrade die Dichte der Vegetation, definiert als das Verhältnis der vegetationsbestandenen Fläche des betrachteten Bildelementes zur Gesamtfläche des Bildelementes und ist somit als Funktion von Art, Zustand und Dichte der Vegetationseinheiten zu verstehen Er erlaubt die quantitative Bestimmung wichtiger Folgeparameter wie die zur Photosynthese absorbierte Strahlung (FAPAR) den Blattflächenindex (LAI) die Landoberflächenbedeckung bzw. -nutzung den Emissionsgrad von Landoberflächen (z.B. zur Ableitung der Landoberflächentemperatur) Informationsgehalt des NDVI

4 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften NDVI als Schlüsselgröße für Folgeparameter Reflexionsgrade am Oberrand der Atmosphäre AVHRR-Kanäle 1 und 2 NDVI Normalized Difference Vegetation Index Zeitreihe FAPAR Fraction of Absorpted Photosynthetically Active Radiation LAI Leaf Area Index - single sided green leaf area per unit ground area - Parameter Oberfläche Strahlungstemperaturen am Oberrand der Atmosphäre AVHRR-Kanäle 4 und 5 Vorverarbeitung / Korrekturen - Wolkenerkennung - atmosphärische Prozesse - anisotropes Reflexionsverhalten der Landoberflächen LST Land Surface Temperature Landbedeckung Vegetationstypisierung phänologischer Stand Emissionsgrad Indikatoren und Parameter für Biomasse, Phytomasse, Primärproduktion, Modellierung des Systems Erde/Atmosphäre

5 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Beispiele geophysikalischer Parameter aus NDVI-Daten Landbedeckung 8 Klassen aus NDVI-Zeitreihe: - Städte und offener Boden - Landwirtschaftl. Nutzflächen - Sonderkulturen (z.B. Wein) - Weideland und Wiesen - Laubwälder - Nadelwälder - Mischwälder - Seen FAPAR Zeitraum: Wertebereich: von 0,0 bis 1.0 Städte und vegetationsfreie Gebiete sind weiß LAI Zeitraum: Wertebereich: von 1,0 - > 8,0 Städte und vegetationsfreie Gebiete sind weiß LST Datum: , 12:31 UT Wertebereich: von Grad Celsius Wolken sind weiß

6 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften TOA-basierte NDVI-Zeitreihe

7 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Störgrößen bei der Berechnung des NDVI Der NDVI wird negativ beeinflußt durch Bodenart und Bodenfeuchtigkeit bei nicht vollständig vegetationsbedeckten Bildelementen Anisotropie des Reflexionsverhaltens der beobachteten Objekte auf der Oberfläche sowie durch nicht erkannte teilweise oder vollständig bewölkte Bildelemente und durch Wolkenschatten atmosphärische Streu-, Reflexions-, Absorptions-, Transmissions- und Emissionsprozesse durch Spurengase und Aerosole als Funktion des Satellitenzenitwinkels sowie durch Wolkenschatten Folge: NDVI-Zeitreihen sind durch Rauschen gekennzeichnet Dieses kann als Funktion der genannten Einflußgrößen verstanden werden

8 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Störgrößen bei der Berechnung des NDVI Neben der Güte der Kalibration der solaren Kanäle 1 und 2 der Beobachtungsrichtung (Sensor Erdoberfläche, Sonne Erdoberfläche, rel. Azimut) der Vergleichbarkeit der Hintergrundinformation (nasser Boden, trockener Boden, etc.) einer guten Erfassung und dem Ausschluß bewölkter oder teilweise bewölkter Bildelemente dem Ausschluß von Bildelementen unter Wolkenbeschattung hängt die Qualität des NDVIs entscheidend ab vom atmosphärischen Zustand während der Aufnahme. Daher: operationelle Bestimmung des NDVI mit hoher Genauigkeit schwierig! Welche Lösungsansätze gibt es? Statistische Verfahren Modellierung der Zeitreihen Atmosphären-Korrektur der Eingabekanäle 1 und 2

9 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Reduktion der Störgrößen durch Zeitsynthesen Durch Bestimmung des maximalen NDVI-Wertes bei multiblen Messungen/Pixel Vorteil: deutliche Reduktion der Wolkeneinflüsse, Reduktion atmosphärischer Störungen, operationell realisiert Nachteil: Reduktion des Informationsgehaltes über den phänologischen Gang, Bevorzugungen von Vorwärtsstreuern, Einflüsse der Atmosphäre nur minimiert, aber nicht korrigiert, absolute Genauigkeit daher nur eingeschränkt NDVI-Tagesmaximumwerte Datum: 1. Mai 1997 Basis: 3 AVHRR-Aufnahmen um und UT NDVI-Wochenmaximumwerte Basis: 21 AVHRR-Aufnahmen Zeitraum: 6. Bis 12. Mai 1997 NDVI-Monatsmaximumwerte Basis: 93 AVHRR-Aufnahmen Zeitraum: 1. bis 31. Mai 1997

10 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften NDVI-Zeitreihen am Beispiel des Nildeltas MVC März 1996 MVC April 1996 MVC Mai 1996 Basis: Operationelle NDVI-Zeitreihen aus NOAA-14 AVHRR Wertebereich: -0,1 bis 0,7 Zeitreihe bei 30° 38,55N 31° 34,56 E März April Mai

11 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Reduktion der Störgrößen durch Interpolation Durch räumliche oder spektralanalytische Verfahren wie die Harmonische Reihe Vorteil: Keine bewölten Bildelemente Nachteil: Wissen um phänologischen Gang der Vegetation pro Bildelement erforderlich, nicht korrigierte Einflüsse von Wolkenschatten und v.a. atmosphärische Prozesse führen zu unsystematischen Fehlern NDVI-Wochenmaximum Mai 1995 Mit Harmonischer Analyse interpolierter Datensatz Gemessener und interpolierter NDVI-Verlauf Oktober März 1997 (49 39,8 N, 8 50,2 E)

12 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Reduktion der Störgrößen durch Atmosphärenkorrektur Ziel: Berechnung von Reflexionsgraden des Bodens durch Korrektur der atmosphärischen Absorptions- und Streuprozesse in den AVHRR-Kanälen 1 und 2 Welche Einflußgrößen müssen berücksichtigt werden? Sauerstoffabsorption (O 2 ) Ozonabsorption (O 3 ) Wasserdampfabsorption (H 2 O) Absortions- und Streuprozesse an Aerosolen Streuprozesse an Luftmolekülen in Abhängigkeit vom Luftdruck (Rayleigh-Streuung) als Funktion von Satellitenzenitwinkel Sonnenzenitwinkel Elevation Relativer Azimut Problem: Exakte Lösung nur durch Kenntnis dieser Größen und Strahlungstransportgleichung für jedes Pixel möglich

13 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Operationelle Atmosphärenkorrektur Wissen: Seit einigen Jahren gibt es Strahlungstransportmodelle mit sehr hoher Genauigkeit, z.B. Fascode, Modtran, Lowtran, Exact, 5S oder 6S Problem: Extrem hohe Rechenzeit selbst bei Hochleistungsrechnern Ansatz: Parametrisierung der Strahlungstransfergleichungen Beispiel: Simplified Method for Atmospheric Correction (SMAC) durch R AHMANN & D EDIEU (1994) Vergleich 5S und SMAC NDVI-Berechnung Europa (ca. 20 Mio Pixel) SUN Ultra Sparc 5S: 4320 h (180 d) SMAC: 4,3 h

14 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Klimatologien zur Atmosphärenkorrektur? Ozondynamik Gesamtsäule Ozon aus ERS-2 GOME-Daten (GOME=Global Ozone Monitoring Experiment) Datum: Interpolation: Harmonische Reihe Einheit: Dobson Ozon-Klimatologie: Oktober Basis: Langjährige Mittel aus TOMS-Daten Quelle: Cospar International Reference Atmosphere (CIRA) Einheit: Dobson

15 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Variabilität des atmosphärischen Aerosols Lidar-gemessenes Aerosol Institut für Atmosphärische Umweltforschung (IfU) Garmisch-Partenkirchen Daten mit freundlicher Genehmigung von Dr. Jäger, IfU Garmisch-Partenkirchen Mt. PinatuboEl Chichon St. Helens

16 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Klimatologien zur Atmosphärenkorrektur? Wasserdampf Meteosat-6 Wasserdampfkanal Datum: , 15:30 UT Kalibration: Strahlungstemperaturen am Oberrand der Atmosphäre Wertebereich: 220 bis 273 K von weiß nach schwarz Spektralbereich: 5,7 m - 7,1 m - Strahlungstemperatur ist gekoppelt an die Menge des Wasserdampfes; Wasserdampfverteilung ist dynamisch in Raum und Zeit. Berücksichtigung des Wasserdampfs durch Klimatologien erscheint ungeeignet Bestimmung des Wasserdampfgehaltes aus Temperaturmessungen in den AVHRR-Kanälen 3, 4 und 5

17 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Wasserdampfgehalt aus AVHRR-Kanaldifferenz T 4 -T 5 Ansatz nach R OGER & V ERMOTE (1997) AVHRR-Kanal-5 im Vergleich zu AVHRR-Kanal-4 im Bereich höherer Extinktion Größere H 2 O-Absorption im Kanal 5 Differenz der Strahlungstemperaturen T 4 und T 5 in linearer Abhängigkeit zum Wasserdampfgehalt bei bekanntem Emissionsgrad der Oberfläche (z.B. über Wasser) Problem: Emissionsgrad der Landoberfläche a priori nicht bekannt! Daher: Differenz T 4 und T 5 enthält Information über H 2 O-Konzentration und Emissionsgrad der Oberfläche Ansatz: Bestimmung des Emissionsgrades durch Zusammenhang mit NDVI (nach Van de G RIEND & O WE (1993) und Quantifizierung des Anteils von durch Langzeitstatistik Über Land kann nach R OGER & V ERMOTE (1997) mit A=1,0 gerechnet werden.

18 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Eingabequellen für operationelle Atmosphärenkorrektur Sonnenzenitwinkel Berechnung über Orbit-Sensormodell (gelöst) Satellitenzenitwinkel Berechnung über Orbit-Sensormodell (gelöst) Relativer Azimut Berechnung über Orbit-Sensormodell (gelöst) Wolkendetektion Spektraler Ansatz (D ECH 1996, 1997) Ozongehalt ERS-2 GOME-Daten (gelöst) Sauerstoffgehalt konstant als Funktion der Höhe uber NN (gelöst) Bodenluftdruck GLOBE-Höhendaten (gelöst) Wolkenschattendetektion Koppelung Winkel/Wolkentemperatur (noch zu implementieren) Wasserdampfgehalt Temperaturdifferenz T 4 -T 5 (R OGER & V ERMOTE 1997) Problem Emissivität nur teilweise gelöst Aerosoloptische Dicke Hintergrundaerosol (nicht gelöst über Land)

19 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften Ergebnisse der Atmosphärenkorrektur -0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Datum: NOAA-14 AVHRR NDVI Links: TOA-Reflexions- grade Rechts: Boden- Reflexionsgrade vorher nachher

20 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften NDVI-Differenz TOA und Bodenreflexionsgrade 0,0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0 Datum: NOAA-14 AVHRR vorher nachher Häufigkeit (%) Differenz NDVI BODEN - NDVI TOA


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