GIS und Fernerkundung

Inhalt Einleitung Fernerkundung als Datenquelle 2.1 LIDAR 2.2 Vor- und Nachteile der Fernerkundung Datenprodukte aus Fernerkundungsdaten 3.1 CORINE 3.2 PELCOM Integration von GIS und Fernerkundung Verknüpfung mit anderen Wissenschaften Zusammenfassung

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Einleitung GIS und Fernerkundung = wissenschaftliche Nachbardisziplinen Anfänge der Fernerkundung Ende 19. Jahrhunderts Geoinformatik mit Verarbeitung von Geodaten und Anwendung von GIS eine junge Disziplin

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Fernerkundung als Datenquelle Datenquelle für Geoinformationsysteme Technik, die genutzt wird, um Informationen über die physischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Objektes zu gewinnen ohne direkten physischen Kontakt zu ihm zu haben (Longley et al. 2001:207) aktive und passive Sensoren RADAR- und LIDAR-Verfahren

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LIDAR LIDAR = Light Detection and Ranging verwendet gleiches Prinzip wie RADAR Abb.1: LIDAR Prinzip (Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 2005)

LIDAR Strahlung 10.000 – 100.000 mal kürzer als die RADAR-Strahlung Möglichkeit die Erdoberfläche mit Auflösung von 15 cm abzubilden Entfernung, Geschwindigkeit, Kreisläufe und die chemische Zusammensetzung und Konzentration von Zielobjekten kann gemessen werden Objekte müssen klar definiert sein Strahlung kann keine Wolken durchdringen und hat Probleme das Vegetationsdach zu durchdringen

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Vor- und Nachteile der FE Vorteile: - Gebiete in kürzester Zeit großflächig erfassen können - Informationen über Gebiete gewinnen ohne selbst vor Ort zu sein - Zusammenhänge können besser erfasst und veranschaulicht werden - Dokumentationsmaterial, durch welches der IST- Zustand und der frühere Zustand von Objekten bildhaft dargestellt werden kann - Datengewinnung zur Aktualisierung erleichtert

Vor- und Nachteile der FE Nachteile: - Datengewinnung je nach Methode wetterabhängig - Fernerkundung erfordert Spezialwissen und komplexe Hard- und Software - Beschränkungen im Detaillierungsgrad je nach Methode - Daten vorwiegend auf Oberflächeninformationen beschränkt

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CORINE (CORINE Land Cover & CORINE Land Cover 2000) Annahme: - dass menschliche Aktivität über längeren Zeitraum keinen oder nur geringen Einfluss auf die Natur - Natur hätte Fähigkeit sich selbst zu generieren Einstellung änderte sich nach Auswirkungen bestimmter Ereignisse Notwendigkeit Bodenbedeckung und dazugehörige Komponenten zu beobachten und Informationen darüber zu gewinnen zunächst Bodenbedeckungsinformationen für urbane, landwirtschaftliche und infrastrukturelle Entwicklung bereitgestellt jedoch nur von kleinen Fläche

CORINE (CORINE Land Cover) 1985 ins Leben gerufen CORINE = Coordination of Information on the Environment Zusammenarbeit, Abstimmung, Koordination und Information über den Zustand der Umwelt und der natürlichen Ressourcen zu fördern bisherige Versuche zur Gewinnung von Informationen über die Umwelt zusammenbringen

CORINE (CORINE Land Cover) 1986-1995 europaweite Erfassung mit Landsat-4/5 durchgeführt CLC deckt Fläche von 2,3 Mio. km2 in 12 Ländern ab Maßstab 1:100.000, da kleinerer Maßstab zu ungenau für eine effiziente Nutzung wäre kleinste abzubildende Einheit 25 ha, da für die Repräsentation der wichtigsten Objekte gesorgt werden konnte Nomenklatur: 1. Hierarchieebene → 5 Klassen 2. Hierarchieebene → 15 Klassen 3. Hierarchieebene → 44 Klassen

Tab. 1: Nomenklatur (Quelle: http://www.umweltbundesamt.at/fileadmin/site/umweltthemen/raumplanung/1_flaechennutzung/corine/CORINE_Projektbeschreibung.pdf 2005:4)

CORINE (CORINE Land Cover) in Deutschland werden 36 von 44 Landnutzungsklassen in der Legende verwendet

Abb. 2: CORINE Land Cover für Deutschland von 1990 (Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 2005)

CORINE (CORINE Land Cover 2000) im Rahmen von CORINE Land Cover 2000 erfolgte Aktualisierung des Datenbestandes zum Bezugsjahr 2000 Kartierung der Veränderung gegenüber der Ersterfassung 29 Staaten wurden erfasst gemeinsame Datenbasis, die Bodenbedeckung und Landnutzung sowie deren Veränderung der letzten 10 Jahre aufweist als Datengrundlage dienten Landsat-7 Daten

CORINE (CORINE Land Cover 2000) Ergebnis → 2 Datensätze ( Kartierung der Bodenbedeckung CLC2000 und Kartierung der Veränderung gegenüber CLC1990) weiterhin 44 Landnutzungsklassen

Abb. 3: CLC 2000 Europa (Quelle: www.dataservice.eea.eu.int/atlas/viewdata/viewpub.asp?=1 2005)

CORINE (CORINE Land Cover 2000) Beispiel Leipzig: - umfangreiche Veränderungen im Zeitraum 1990-2000 in der Landnutzung und Bodenbedeckung in den neuen Bundesländern - Anzahl der bebauten Flächen besonders an der Peripherie größerer Städte nahm zu - Veränderungen im Zusammenhang mit der Stilllegung und Rekultivierung von Braunkohletagebauten sowie Veränderungen im landwirtschaftlichen Bereich

Abb. 4: Ergebnisse der Interpretation in der Region Leipzig (Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 2005)

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PELCOM PELCOM = Pan-European Land Cover Monitoring Beginn September 1996 und Ende November 1999 aktuelle und zuverlässige Informationen über Landnutzung und Bodenbedeckung für landwirtschaftliche und umweltwissenschaftliche Studien gewinnen Verwendung von multispektralen und multitemporalen NOOA-AVHHR Satellitenbildern und unterstützenden Datenquellen (Bsp.: MARS-Archiv oder NDVI-Index von 1997)

PELCOM Ziele: - euroopaübergreifende Datenbank mit einer Auflösung von 1 km - Aufbau eines Bodenbedeckungsplans für ganz Europa - Entwicklung einer konsequenten Klassifikationsmethode - Entwicklung einer europaweiten Überwachung von Veränderungen bezüglich der Bodenbedeckung - Anwendung der Datenbank in verschiedenen Studien

Abb. 5: The pan-European 1-km land cover database (Quelle: http://www.geo.ucl.ac.be/LUCC/research/endorsed/04-pelcom/PELCOM.HTML 2005)

PELCOM Vergleich zu CORINE: - weniger Klassen - niedrigere Auflösung - Aufnahme mit anderem Sensor - Bedeckung ganz Europas

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Integration von GIS und FE Thema Integration von Fernerkundung mit GIS zum ersten Mal 1989 aufgegriffen Integration beider Technologien nicht zuletzt benötigt, um Ressourcen besser kontrollieren zu können durch neue Sensoren und Bildverarbeitungsprogramme großen Datenvolumen produziert, dessen Management an Grenzen stieß beide Technologien Werkzeuge für das Management von räumlich verteilten Informationen beide nutzen ähnliche Hardwareplattformen und Softwaretools

Integration von GIS und FE Existenz von Unterschieden und Hindernissen technische und institutionelle Schwierigkeiten überwinden technische Schwierigkeiten: - Raster/Vektor Dichotomie (verhinderte viele Versuche der Integration) - Problem der Datengleichmäßigkeit (GIS-Daten vor der Nutzung klar definiert, während Fernerkundungsdaten erst interpretiert werden müssen)

Integration von GIS und FE institutionelle Schwierigkeiten: - Aufteilung der Nutzer in zwei verschiedene Gruppen - Gruppe der Entscheidungsträger, die Pool an Informationen brauchen, um Land und Ressourcen verwalten zu können - Gruppe der Forscher, die sich mit Zunahme an Verständnis über das System Erde bemühen

Abb. 6: Three stages in the integration of image analysis with GIS technology (Quelle: Lo & Yeung 2002:299. In: Ehlers et al. 1989:1621)

Stufe:. - Existenz zweier simultaner Bildschirme und Stufe: - Existenz zweier simultaner Bildschirme und Schnittstellen für GIS-Daten im Vektorformat und für Fernerkundungsdaten im Ratserformat - Systeme miteinander verknüpft - Benutzen einer Art Datenaustauschformat - Gelegenheit Ergebnisse der niedrigen Bildverarbeitungsebene in das GIS zu importieren - Erlaubnis Attributwerte zum Thema zuzuordnen und eine Reihe von Statistikanalysen durchzuführen

2. Stufe: - beide Systeme haben gemeinsame Schnittstelle - dennoch separat aber ergänzend zueinander verknüpft - Kontrolle über Komponenten von Fernerkundungsbilder haben - GIS-Daten direkt in Bildverarbeitungsprozesse eingliedern - inhomogene Dateninputs und hierarchische Entitäten in zusammenhängender Weise unterbringen - Möglichkeit Fehler zu analysieren - Simulation von kartographischen und Bildverarbeitungsdaten mit zeitlicher Entwicklung erzeugen

3. Stufe: - beide Systeme sind in einem System integriert - Raster/Vektor Zweiteilung gibt es nicht mehr - auf hoher Ebene wird Vektordarstellung genutzt, während auf niedrigen Ebenen Rasterdarstellung ausreicht - Raster- und Vektordaten auf unterschiedlichen Ebenen untergebracht - Objektbasierte und Ereignisbasierte Darstellung kann des geographischen Raumes kann flexibel mit Formaten umgehen - im gemeinsamen System wird Fernerkundung zu einer Inputfunktion

Integration von GIS und FE viele Fortschritte in Richtung Integration von GIS und Fernerkundung getan Fortschritt durch schnelle Entwicklung der Computerindustrie Ausdehnung der Fähigkeiten bezüglich der Umwandlung von Datenstrukturen High-Speed Computer und Netzwerkarbeit erlauben es komplizierte Daten zu analysieren Daten in hoher Auflösung darstellen einfachere Bedienung der entsprechenden Programme

Integration von GIS und FE Interessant Kombination von Vektorinformationen mit Bildklassifikationsmethoden für die Auswahl von Testgebieten um totale Integration zu erreichen neues Modell nötig, welches Raster/Vektor Zweiteilung nicht mehr behandelt

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Verknüpfung mit anderen Wissenschaften Fernerkundung nicht für Aufklärung geographischer Phänomene andere Wissenschaften wie Sozialwissenschaften oder Wirtschaftswissenschaften können Nutzen aus Fernerkundungsdaten ziehen trotzdem Spannungsfeld zwischen Fernerkundung und anderen Disziplinen Sozialwissenschaftler nicht interessiert an Variablen und Merkmalen, die aus der Luft gemessen werden finden abstrakte Eigenschaften wichtiger als menschliche Artefakte wie Häuser oder Getreidefelder

Verknüpfung mit anderen Wissenschaften beschäftigen sich mit der Frage, warum Dinge passieren, wenn sie passieren Sozialwissenschaftler setzen sich weniger mit dem Thema Fernerkundung auseinander

Verknüpfung mit anderen Wissenschaften Gründe: - Informationen über den Zusammenhang, der soziale Ereignisse formt, zu bekommen - Zusammenhänge zwischen sozialen Phänomenen und sozialen Phänomenen und deren Auswirkungen messen - räumlich hoch aufgelöste Fernerkundungsdaten benutzen, um statistische Modelle zu entwickeln

Verknüpfung mit anderen Wissenschaften dennoch Hindernisse bei der Verknüpfung von Fernerkundung und Sozialwissenschaften Besorgung georeferenzierter sozialer Daten, um diese mit Fernerkundungsdaten zu verbinden angemessene soziale Daten finden, die an Fernerkundungsdaten angepasst werden können Level der Auflösung von Fernerkundungsdaten an die Ansprüche von sozialen Daten anpassen

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Zusammenfassung GIS und Fernerkundung im Laufe der Zeit von einander abhängige Disziplinen geworden, deren Entwicklung noch nicht beendet ist Fernerkundung und GIS spielen große Rolle in der Analyse von räumlichen und temporären Phänomenen in der Geographie andere Wissenschaften sollten nicht ausgeblendet werden, da Fernerkundung vielfältige Seiten ausweist Fernerkundung sollte sich mit vielen Disziplinen verknüpfen