Einführung in die Prinzipien der Satellitenbildauswertung

Fernerkundung - Objekterkennung über elektromagnetische Strahlung In der Fernerkundung werden Informationen über Objekte ohne direkten Kontakt zwischen den Objekten und den Meßinstrumenten gewonnen. Die Informationen erhält man durch die Messung und Auswertung der von den Objekten reflektierten bzw. ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung. Das sichtbare Licht ist der Bereich des elektromagnetischen Spektrums, der vom menschlichen Auge wahrgenommen wird, das elektromagnetische Spektrum umfaßt jedoch viele weitere Bereiche Die Fernerkundung nutzt zwar nicht alle Formen elektromagnetischer Strahlung, jedoch übertrifft sie die spektralen Möglichkeiten des menschlichen Auges bei weitem. Außer dem sichtbaren Licht können auch das Infrarot und Mikrowellen von den Fernerkundungssystemen genutzt werden. Diese drei Strahlungsbereiche sind u.a. deswegen besonders für die Fernerkundung geeignet,weil hier die atmosphärische Durchlässigkeit am größten ist.

Elektromagnetische Strahlung Die Sonne ist die wichtigste Quelle elektromagnetischer Strahlung. Sie sendet mit unterschiedlicher Intensität Wellen aller Frequenzen aus. Die Atmosphäre ist für bestimmte Strahlen fast völlig undurchlässig, für andere dagegen nahezu völlig durchlässig. Bereiche, für die die Atmosphäre durchlässig ist, sind für die Fernerkundung von besonderer Wichtigkeit. Sie werden als atmosphärische Fenster bezeichnet. Die größten dieser Fenster befinden sich im Bereich des sichtbaren Lichts und des reflektierten (auch nahen oder solaren) Infrarots. Die folgende Abbildung zeigt, daß das größte Fenster im Bereich des sichtbaren Lichts liegt; hier ist auch die Ausstrahlung der Sonne am stärksten. Dieses Fenster ist daher für die Fernerkundung das wichtigste. Strahlen mit kürzeren Wellenlängen, wie das Ultraviolett und der Bereich der sehr kurzwelligen Röntgenstrahlen, werden von der Atmosphäre absorbiert und sind daher für die Fernerkundung weitgehend ungeeignet

Elektromagnetische Strahlung und atmosphärische Fenster

Das Infrarot-Spektrum Der als Infrarot bezeichnete Wellenlängenbereich zwischen 0,78 und 1000 µm (1 mm) besteht aus zwei grundsätzlich verschiedenen Strahlungen. Das nahe Infrarot und das mittlere Infrarot zwischen 0,78 und etwa 3,5 µm, die unmittelbar an das sichtbare Licht anschließen Sie werden auch als reflektiertes Infrarot (Reflected IR) bezeichnet, da es von der Reflexion der Sonnenstrahlung herrührt. Das ferne Infrarot stellt dagegen die von der Erde ausgestrahlte Wärmestrahlung (Wärmeemission) dar. Es wird daher auch als thermales Infrarot (Thermal IR) bezeichnet

Infrarot und atmosphärische Durchlässigkeit Strahlen im infraroten Bereich verhalten sich beim Durchdringen der Atmosphäre unterschiedlich. Strahlen von 2,5 - 3,5 µm und 5,0 -7,5 µm werden absorbiert. Strahlung zwischen 0,78 und 2,5 µm im Bereich des reflektierten Infrarot, zwischen 3,5 und 4 µm und zwischen 8 und 12 µm im Bereich des thermalen Infrarot werden nicht absorbiert

Mikrowellen (Radarsensorik) Die längeren Wellenlängen im Mikrowellenbereich werden atmosphärisch kaum gestört. Mikrowellen können Wolken, Nebel, Rauch, Dunst und Schnee durchdringen; lediglich starke Regenschauer verursachen bei kürzeren Wellenlängen deutliche Störungen. Zur Reflexion der Sonnenstrahlung kommt im Mikrowellenbereich noch die Eigenstrahlung der Objekte auf der Erdoberfläche (= natürliche Emission) hinzu. Beide Strahlungen werden in der passiven Mikrowellenerkundung genutzt. Da die Reflexionen von der Erdoberfläche und die natürlichen Emissionen im Mikrowellenbereich jedoch sehr gering sind, wird dieser Spektralbereich überwiegend in der aktiven Radarerkundung untersucht. Hier wird die Strahlung vom Radarsystem selbst erzeugt und zur Erde gesendet. Die Reflexion (Radarecho) wird dann vom Radarsystem aufgefangen und als Meßwerte digital gespeichert.

Radarerkundung Radarwellen können auch in eine lockere Bedeckung der Erdoberfläche mit Vegetation, Schnee, Eis und Sand eindringen. Im Bereich der Bodenkunde weist die Erkundung mit aktiven Radarsystemen daher Vorteile gegenüber anderen Systemen auf. Im Bereich von 5 bis 10 cm Wellenlänge dringt die Strahlung weit genug in den Boden ein, sie kann auch an bewachsenen Standorten durchgeführt werden und kann damit z.B. die Ermittlung der Bodenfeuchte unterstützen. Mit entsprechenden Frequenzen und Polarisationen lassen sich Mikrowellenaufnahmen auch speziell für vegetationskundliche Fragestellungen nutzen.

Spektrale Signaturen Wie beschrieben werden nicht nur Reflexionen des sichtbaren Lichts auch Strahlungen aus weiteren Spektralbereichen gemessen Dabei hängen die Reflexionseigenschaften der Geländeobjekte vor allem von dem jeweiligen Material, seinem physikalischen Zustand (z.B. Feuchtigkeit), der Oberflächenrauhigkeit und den geometrischen Verhältnissen (Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, Beobachtungsrichtung) ab. Jedes Objekt auf der Erdoberfläche weist einen bestimmten spektralen Reflexionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung auf. Werden nur die Intensitäten der reflektierten Strahlung in eng begrenzten Spektralbereichen (den Kanälen) erfaßt, so spricht man von Spektralsignaturen.

Die wichtigsten spektralen Signaturen Die Balken 1,2,3,4,5,7 stellen die Bereiche der entsprechenden Bild-Kanäle des Landsat-TM dar. Jeder Sensor eines Satelliten nimmt genau definierte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums auf und speichert diese digital. Diese Bereiche nennt man Kanäle

Kanäle wichtiger Satelliten

Zusammenfassung: Spektrum und optische Satellitenkanäle Der aufgenommenen Strahlungsintensität in jedem Kanal sind Werte von 0 bis 255 zugeordnet. Ordnet man nun jedem Wert eines Kanals einen bestimmten Grauwert zwischen schwarz (=0) und weiß (=255) zu, so kann man ein Bild der aufgenommenen Strahlung erhalten.

Umlaufbahnen von Satelliten

Informationsgehalt Landsat TM - Kanal 1-7 Weser-Mündung

Die Farbdarstellung von Satellitenbildern Der meisten optischen Satellitensensoren erfassen u.a. unter anderem jeweils getrennt rotes, grünes und blaues Licht, d.h. der Bereich des sichtbaren Lichts wird in drei Farbbereichen bzw. in drei Kanälen getrennt aufgenommen. Durch additive Farbmischung dieser drei Kanäle (blau+grün+rot=weiß) entsteht ein scheinbar natürliches Bild. Gleichzeitig können immer nur drei Kanäle dargestellt werden. Diese Daten sind allerdings nur skalare Werte, also Zahlenangaben ohne Einheit, d.h. man kann sie natürlich auch anders zuordnen und erhält so Falschfarbendarstellungen. Wenn man z.B. die Zahlenwerte des Kanals 1, der Strahlung aus dem blauen Bereich des Spektrums aufnimmt,bei der Farbwiedergabe dem grünen Bereich zuordnet, die Werte aus dem Kanal 2 (Grün) dem blauen Bereich zuordnet und nur die Werte des Kanals 3 (Rot) tatsächlich in Rot darstellt, so erhält man ein Bild, das die Zahlenwerte korrekt wiedergibt, aber von unserer gewohnten Farbzuordnung abweicht.

Die Eigenschaften und Anwendungsbereiche unterschiedlicher Kanäle am Beispiel Landsat TM.

Beispiele für Kanalkombinationen Landsat TM Die ersten 3 Bildkanäle kombiniert zu einer „naturnahen“ Farbgebung Die Art der Farbgestaltung hängt hierbei vom subjektiven Empfinden bei der Bildaufbereitung ab.

Beispiele für Kanalkombinationen Landsat TM „Standard“ Falschfarben- kombination für Vegetationsdarstellungen. Bildkanäle 3 - 5 - 4 d.h. Rot-mittl.Infrarot-nah.Infr.

Vegetationszustand und Reflexion Die Ursache der unterschiedlichen Reflexion des Sonnenlichts auf Vegetation hängt ab von der Blattoberfläche und der Bauweise der Blätter Durch Streuung, Brechung und Reflexion legt das Licht im Blatt ein Vielfaches des direkten Weges zurück Die wesentlichen physikalischen und physiologischen Eigenschaften von Pflanzen und ihre Reflexion in verschiedenen Kanälen: Ursache Wellenlänge Kanal Blattpigmente etwa 0,4 bis 0,7 m Sichtbarer Bereich, überwiegend im Grünkanal Zellstruktur etwa 0,7 bis 1,2 m Nahes Infrarot (Kanal 4 Landsat TM) Wassergehalt etwa 1,2 bis 2,4 m Mittleres Infrarot (Kanal 5 Landsat TM)

Spezielle Vegetationsanalyse - Vegetationsindex Biomassegehalte und Zustand der Vegetation lassen sich durch die Bildung von Indizes aus zwei oder mehr Kanälen hervorheben Der bekannteste Index ist der NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). Die spektrale Signatur vitaler Vegetation zeigt einen sprunghaften Anstieg des Reflexionsgrades bei 0,7 µm, während unbewachsener Boden je nach Art einen stetigen, geradlinigen Verlauf aufweist. Je aktiver das Chlorophyll der Pflanzen ist, desto größer ist der Anstieg des Reflexionsgrades im nahen Infrarot (0,78 - 1 µm). Neben der Unterscheidung der Vegetation von anderen Objekten läßt sich somit die Stärke (und Vitalität) der Vegetation folgern. Diesen Umstand nutzt man bei der Berechnung des NDVI.

Vegetationsindex NDVI Der NDVI ergibt sich allgemein aus: NDVIallg = nahes IR - Rot / nahes IR + Rot Im Bereich des Rot wird einfallende Sonnenstrahlung weitgehend durch die im Mesophyll der Blätter enthaltenen Pigmente, vor allem durch das Chlorophyll, absorbiert. Im nahen Infrarot dagegen wird der Großteil der auftreffenden Strahlung vom Blattgewebe reflektiert. Der NDVI bildet ein Maß für die photosynthetische Aktivität und ist stark mit Dichte und Vitalität der Vegetationsdecke korreliert