Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger Sommersemester 2014

Über den Vortragenden … Ao. Prof. Leopold Haimberger leopold.haimberger@univie.ac.at http://homepage.univie.ac.at/leopold.haimberger/ Zimmer 2F512, Tel. 4277-53712 “Sprechstunde”: nach den UE Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

Vorlesung Fr, 9.00-11.00, Raum 2E206 Übungen Fr 12-13 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

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

Zeitplan-Vorlesung 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 SVD SIAM, matplot, Zusammenhang: eig, svd; Resolvente 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 http://www.ecmwf.int/training/ SVD SIAM, matplot, Zusammenhang: eig, svd; Resolvente Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

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

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

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

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

Hurricane Mitch, 271098 Buschfeuer Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

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

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

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

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

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

Fernerkundungsdatentypen am ECMWF Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

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

Zunahme assimilierter Satellitendaten Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

Einfluss auf Vorhersagequalität Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

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

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

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

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

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

Formaldehyde total column GEMS HCHO: Mean 20030715-30 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 http://www.gse-promote.org/ 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 Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

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