Methoden der Fernerkundung

Transkript

1 Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Aktive Aufnahmesysteme II Prof. N. Oppelt WS 2009/10 Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

2 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR - Funktionsweise - Bildgeometrie - Bildradiometrie 2. Weitere aktive Systeme - Lidar - Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)

3 Radar Bildgeometrie Geometrische Auflösung im Rohdatenbild (Slant Range Image) Unterschied zwischen Slant Range und Ground Range Distance

4 Radar Bildgeometrie Bei Schrägsicht: Geometrische Auflösung in Senderichtung (Slant Range Resolution SRR) Je länger die Impulsdauer, umso schlechter ist die Slant Range Auflösung

5 Radar Bildgeometrie Geometrische Auflösung im Slant Range Bild Trennung der Objekte A und B nur möglich, wenn die RADAR- Keule vollständig an A vorbei ist, bevor sie Objekt B erreicht SRR möglichst klein

6 Radar Bildgeometrie Umrechnung der Slant Range Geometrie in eine Kartenprojektion Ground Range Geometrie (Ground Range Resolution GRR) SRR² = H ² + GRR² => GRR = SRR² H ² GRR wird mit wachsender Entfernung vom Sensor besser! Keine Nadiraufnahme möglich

7 Radar Bildgeometrie Berechnung der GRR

8 Radar Bildgeometrie Berechnung der geometrischen Auflösung in Azimuth-Richtung Die Azimuth-Auflösung AR abhängig vom Öffnungswinkel des RADAR-Strahls (β) und der Ground Range Distance (GRD) Azimuth-Auflösung ist im Nahbereich besser!

9 Radar Bildgeometrie Wie kann eine möglichst hohe Gesamt-Auflösung erreicht werden? Azimut-Auflösung ist meist limitierend!

10 Radar Bildgeometrie SAR Entwicklung des SAR-Systems (Synthetic Aperture Radar) Azimut-Auflösung verbessert durch Nutzung des Doppler Effekts Doppler-Effekt: Näherkommen Frequenzverschiebung zu größeren Frequenzen/ kleineren Wellenlängen Entfernen Frequenzverschiebung zu kürzeren Frequenzen/ längeren Wellenlängen

11 Radar Bildgeometrie SAR Entwicklung des SAR-Systems Überlagerung von zurückkommender Frequenz auf die Referenz Interferenz Verdoppelung Auslöschung Geringe Verstärkung

12 Radar Bildgeometrie SAR Entwicklung des SAR-Systems Objekt wird immer wieder bestrahlt Je weiter weg das Objekt, umso öfter Aufgezeichnet wird Summe aus Referenz und Rückstreuung Lücken verschwinden Aufnahme eines holographischen Bildstreifens (Quelle: Richards 1998)

13 Radar Bildgeometrie SAR Entwicklung des SAR-Systems Azimut-Auflösung Bei SAR Azimut-Auflösung nicht mehr abhängig von GRD Gleiche Auflösung in Flugrichtung im near und far range RAR SAR

14 Radar Bildgeometrie Reliefabhängiger Versatz im Bild Beobachtete Phänomene: Foreshortening (Vorverkürzung) Layover (Überlagerung) Radar shadow (Radarschatten) (Quelle: Albertz 1991)

15 Radar Bildgeometrie Foreshortening (Vorverkürzung) Ausgesandter Radarpuls erreicht den Basispunkt eines Objektes früher oder zeitgleich zum Gipfel Streckenverkürzung im Bild (max. bei zeitgleichem Erreichen der Punkte C & D) Verkürzte Strecken (A -B ) erscheinen hell (Addition des Echos)

16 Radar Bildgeometrie Layover (Überlagerung) ausgesendeter Radarimpuls erreicht den Gipfel eines Objektes B früher als den Basispunkt A Punkt B wird im Radarbild vor dem Punkt A abgebildet, also zum Sensor versetzt v.a. bei kleinem Einfallswinkel und im Gebirge

17 Radar Bildgeometrie Radar shadow (Radarschatten) Seitliche Aufnahmetechnik führt zu Radarschatten, also Bereiche die nicht vom Radar getroffen werden Schatten im far range hinter hohen oder steilen Objekten Nicht auswertbare Bereiche

18 Radar Bildgeometrie Korrektur der Bildgeometrie ERS-1 unkorrigiert ERS-1 korrigiert

19 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR - Funktionsweise - Bildgeometrie - Bildradiometrie 2. Weitere aktive Systeme - Lidar - Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)

20 Bildradiometrie Feinkörnige Textur in RADAR-Bildern durch zufällig auftretende konstruktive bzw. destruktive Interferenzen Salt-and-Pepper-Effekt oder Speckle Aufnahmen wirken verrauscht Problemlösung durch: a. Filterung b. Kombination mehrerer Aufnahmen (Multiple-Looks)

21 Radar Vor- und Nachteile Vorteile: Unabhängigkeit von Beleuchtungsverhältnissen Durchdringen von Wolken (nicht alle WL) Nachteile: Backscatter enthält keine eindeutigen spektralen Eigenschaften Es ist nur ein grobes Auflösungsvermögen auf Grund der großen Wellenlängen möglich Die Emission ist gering, d.h. andere Strahlungsquellen können sich den zurückkehrenden Signalen überlagern Die Radarfernerkundung ist kostenintensiv und der technische Aufwand ist sehr hoch

22 Radar Anwendungsbeispiele DLR

23 Radar Anwendungsbeispiele DLR SRTM Höhenmodell des brasilianischen Regenwaldes 2000

24 Radar Anwendungsbeispiele SSMI/I Passives Mikrowellen-Bild des Amazonasbecken (Frequenz 85 GHz, V) (Quelle: Jensen 2008)

25 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR - Funktionsweise - Bildgeometrie - Bildradiometrie 2. Weitere aktive Systeme - Lidar - Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)

26 Lidar Lidar (LIght Detection and Ranging) Prinzip wie beim RADAR, aber mit Laserstrahlen Laser = künstlich stimulierte Emission von EMS im VIS/NIR NIR-Laser = nm Digitale Geländemodelle Blau-Grün-Laser = Zentrale Wellenlänge bei 532 nm Bathymetrie

27 Lidar Funktionsweise Ein Lidar-Instrument besteht aus System Controller Transmitter Empfänger Scan-Spiegel Absorption bzw. Anregung von Atomen oder Molekülen Stimulierte Emission (feinbandig) (Quelle: Jensen 2008)

28 Lidar Funktionsweise Pulsrate (Pulse Repetition Frequency) > Hz Puls-Laufzeit (Traveling Time t) R t = 2 oder R = c R c tc 2 Distanz Sensor-Objekt (Range) Lichtgeschwindigkeit Sammlung von Laufzeiten Geländehöhe (Quelle: Jensen 2008)

29 Lidar Funktionsweise Kreisförmiger Lidar Footprint mit Durchmesser Fp inst Fp inst = h cos θ inst γ Typische Konstellation: bei h = 1000 m agl und γ = 1 mrad Fp inst = 1 m bei ebenem Gelände (Quelle: Jensen 2008)

30 Lidar Scanwinkel kann an Anwendung angepasst werden (z.b. bei dichter Vegetation muss mit größer werdendem Scanwinkel mehr Vegetation durchdrungen werden) (Quelle: Jensen 2008)

31 Lidar Lidar Returns Folgende Daten werden pro Return aufgenommen: GPS Infos (Länge/Breite, Datum) IMU Infos (roll, pitch, yaw) Intensität des Returns Ist eine Höhenänderung in einem Beam Gestaffelter Return First Return Last Return Bare Earth Return (Quelle: Jensen 2008)

32 Lidar Anwendungen NIR-Lidar Blau-Grün-Lidar

33 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR - Funktionsweise - Bildgeometrie - Bildradiometrie 2. Weitere aktive Systeme - Lidar - Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)

34 Sonar Sonar (SOund Navigation And Ranging) Lidar-Prinzip angewendet auf Schallwellen Verlustarme Verbreitung von hochfrequentem Schall unter Wasser