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FERNERKUNDUNG
Quelle: WMO Space Programme / GOS
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Grundlegendes
• Fernerkundung: Messungen an einem Objekt ohne direkten Kontakt
• Fernerkundung: Betrachten mit dem Auge• reflektierte Strahlung gibt Auskunft über die
reflektierende/emittierende Oberfläche des Objektes -> spektrale Signatur
• zentrale Bedeutung: Unterscheidung zwischen verschiedenen Spektralsignaturen
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Grundlegendes
• Menschliches Auge nutzt nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums
• Fernerkundungsinstrumente: Erweiterung• Strahlung von Oberfläche ist entweder emittiert
oder reflektiert• Emittierte Strahlung ist beleuchtungsunabhängig• Emission thermischer Strahlung ist abhängig von
Oberflächentemperatur
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Instrumente der Erdbeobachtung
• Luftaufnahmen• Multispektralscanner• Radarsensoren
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Luftaufnahmen
• Einsatz im ersten Weltkrieg• Einsatz im 2. Weltkrieg -> Landung in der
Normandie- Vermessung der Meereswellen -> Meerestiefe- Infrarotfilme: Unterscheidung zwischen Tarnnetzen und Vegetation
• In den 60iger Jahren wurden weitere Infrarotfilme entwickelt
• Experimente zu luftgestützte Radarsystemen
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Multispektral-Scanner
• Erste digitale Fernerkundung mit Landsat1• Landsat1 1972 in Umlaufbahn gebracht• Neuer Sensortyp: Multispektral-Scanner (MSS)• MSS werden am Boden in Flugzeugen und
Satelliten eingesetzt• MSS empfängt Signale in spezifischen
Spektralbändern• Spektralbänder: Zahl und Art hängt vom
Anwendungsbereich ab
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MSS - Funktionsweise
• Ein Filter separiert nach Wellenlänge• Gefilterte Strahlung trifft auf Detektoren• Die Energie wird gemessen und als Zahlenwert an
der Speicher weitergegeben• Die Messwerte werden an die Empfangsstation
weitergeleitet• Flächen werden streifenweise abgetastet• Militär. Satelliten erkennen Details bis auf einige
Zentimeter (->Personen, Fahrzeugtypen)
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Radarsensoren
• sind aktive Sensoren (Flugzeug, Satellit)• Laufzeit des Signals-> Entfernung• auch nachts einsetzbar• Strahlung mit längeren Wellenlängen
durchdringen Wolken und Dunst ungehindert
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Strahlung und Temperatur
• Sonnenoberfläche (6000 K): Strahlungsmaximum im sichtbaren Bereich bei 0,483 μm
• Brand im Amazonasgebiet (1000 K): Maximum im mittleren Infrarot
• Erdoberfläche (290 K): Strahlungsmaximum liegt bei 14 μm (thermales Infrarot)
• Zusammenhang: Oberflächentemperatur – Strahlungs-intensität
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Satelliten - allgemein• Für Satelliten auf Umlaufsbahnen gilt:
Erdanziehung = Zentrifugalkraft• Bahnen außerhalb der Atmosphäre:
- Beobachtungssatelliten: ≈800km - keine Reibung - viele Jahre stabile Bahn - eine Erdumrundung: 1.5 Stunden Quelle: http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/
fakultaeten/fakultaet_forst_geo_und_hydrowissenschaften/fachrichtung_geowissenschaften/ipf/fern/studium/tutorial/tutorial-332/document_view?set_language=en
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Satelliten- geostationär
• Geostationäre Satelliten: - 36 000 km über Erdoberfläche (Äquator) - eine Erdumrundung: 24 Stunden sychron zur Erdrotation - Einsatz: Telekommunikation, TV, Wetter - Nachteil: große Entfernung von Erde -> Einschränkung der Bodenauflösung
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Satelliten - sonnensynchrone
• Viele Erdbeobachtungssatelliten sind passiv, d.h. sind von der Beleuchtung durch die Sonne abhängig -> Umlauf wird dem Tag-Nacht-Rhythmus angepasst
• Bahnen laufen beinahe über die Pole: polnahe Bahnen
• Mit jedem Umlauf wird ein Segmentder Erdoberfläche gescannt
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Wettersatelliten
• Polare Bahn: NOAA, MetOp• Geostationär:
- Meteosat (EUMETSAT, ESA)- GMS (Japan)- INSAT (Indien)- GOES E, GOES W (USA)
GMS
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Strahlung und Temperatur
Oberflächen unterschiedlicher Temperatur haben Emissionsmaxima bei unterschiedlichen Wellenlängen
Die Erde:emittiert im sichtbaren Bereich wenig Strahlung ->sichtbar nur durch reflektiertes Sonnenlicht
Albedo: Gibt den Anteil des reflektierten Sonnenlichts bezogen auf das gesamte an
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Spektrale Signatur
Unterschiedliche Oberflächentypen (Wasser, reiner Felsen, Vegetation) reflektieren Licht in den einzelnen Wellenlängenbereichen unterschiedlich
Spektrale Signatur:Die reflektierte Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge
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Spektrale Signatur - Atmosphäre• Sonnenstrahlung (einfallende, reflektierte)
muss die Atmosphäre passieren bevor sie vom Sensor aufgenommen wird
• Treibhausgase (CO2, Wasserdampf) absorbieren Teile der reflektierten Strahlung
• Ozon: absorbiert fast vollständig die Strahlung
zwischen 9.5 - 10μm
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Spektrale Signatur - Atmosphäre• Atmosphärisches Fenster: Spektralbereich mit
Wellenlängen, die von Atmosphäre
durchgelassen werden
Quelle: https://www.univie.ac.at/physikwiki/index.php/LV013:LV-Uebersicht/WS09_10/Arbeitsbereiche/Energiehaushalt_der_Erde
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Spektrale Signatur: Felsen, Wasser
• Reiner Felsen: Reflexion nimmt vom sichtbaren zum infraroten Bereich leicht zu
• Wasser: reflektiert vorwiegend im sichtbaren Wellenlängenbereich – keine Reflexion im nahen Infrarot -> Unterscheidung zu anderen Oberflächen -> Wasserflächen erscheinen im nahen IR sehr dunkel
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Spektrale Signatur: grüne Pflanzen
• Chlorophyll absorbiert sichtbares rotes Lichtfür Photosynthese
• Nahes IR wird reflektiert, um unnötiges Aufheizen zu vermeiden-> erhöhte Verduns- tung vermeiden
• Vegetationskartierung:offener Boden: reflektiert in 0.6-0.7μm und 0.7-0.9μm einheitlich Vegetation: reflektiert in 0.6-0.7μm schwach und in 0.7-0.9μm stark
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Einteilung der Strahlung:
GammastrahlungRöntgenstrahlung(0.30 - 0.38 µm) UV - Strahlung(0.45 - 0.52 µm) blau (0.52 - 0.60 µm) grün (0.60 - 0.69 µm) rot (0.72 - 1.30 µm) nahes Infrarot (1.30 - 3.00 µm) mittleres Infrarot (7.00 - 15.0 µm) thermischer Bereich(0.50 - 30 cm) Radar (15 cm - 25 km) Radiowellen
Spektralbereiche der Datenaufnahme
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Landsat - Spektralkanäle
Quelle: http://earthobservatory.nasa.gov/Experiments/ICE/panama/panama_ex1.php
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Echtfarben – BilderFalschfarben – Bilder
Quelle: ESA Schulatlas S: 13
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Echtfarbenbild
R G B3 2 1Band
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Falschfarbenbild
R G B4 2 1Band
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Vegetationsindex
Zustand und Wachstum der Pflanzen lassen sich ermitteln:
Der normalisierte Differenz- Vegetationsindex (NDVI):
Nahes Infrarot - Rot NDVI = Nahes Infrarot + Rot
Anwendung: Wegen ständiger Dürrekatastrophen in der Sahel-Region werden wegen Biomasseproduktion regelmäßig Vegetationsanalysen gemacht.