Methoden der Fernerkundung

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1 Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Hyperspektrale und thermale Fernerkundung Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

2 Hyperspektrale Fernerkundung Gammastrahlung Röntgenstrahlung <0.03 nm nm UV µm VIS µm IR NIR µm MIR µm TIR µm Mikrowellen Radio 1 mm 30 cm > 30 cm

3 Hyperspektrale Fernerkundung Multispektrale Sensoren Mittlere bis geringe spektrale Auflösung keine kontinuierliche Überdeckung von Wellenlängenbereichen meist wird interpoliert, aber eigentlich fehlen Information zwischen Kanälen Trockener Boden Vegetation Wasser

4 Hyperspektrale Fernerkundung Hyperspektrale Sensoren hohe spektrale Auflösung kontinuierliche Überdeckung weiter Wellenlängenbereiche Erfassung eines zusammenhängenden Reflexionsspektrums an jedem Bildpunkt einer Aufnahme. Trockener Boden Vegetation Wasser

5 Hyperspektrale Fernerkundung Datenwürfel (Quelle: Campbell 1996)

6 Hyperspektrale Fernerkundung Vorteile: Detektion von Detailinformation zum Reflexionsverhalten einzelner Objekte (schmale Absorptionsbanden) Diagnose über den Zustand des Objektes möglich (Informationsverluste durch Mittelung bei breitbandigen Multispektralsensoren) Nachteile: große Datenmengen komplexe Bildgeometrie, schwierige Sensorkalibrierung hohe Kosten (meist flugzeuggetragene Systeme)

7 Hyperspektrale Fernerkundung Feldinstrumente zur Kalibrierung von Flugzeug- bzw. Satellitendaten Cereal Reflexion [%] Pasture1 Wavelength [nm] 100 Sehr hohe spektrale Auflösung Kalibrierung rel. einfach Reflexion [%] Wavelength [nm]

8 Hyperspektrale Fernerkundung Flugzeuggetragene Systeme, z.b. HyMap, AVIRIS, casi, AVIS Geringe Flughöhen Geringere Abdeckung, aber hohe geometrische Auflösung (Quelle: Oppelt, 2007) Radio- und geometrische Prozessierung jedes Flugstreifens Aufwendig, aber Möglichkeit zu detaillierten Untersuchungen, z.b. der Boden- oder Pflanzenchemie

9 Hyperspektrale Fernerkundung Flugzeuggetragene Systeme, z.b. HyMap (Hyperspectral Mapper) Chlorophyll Content Canopy Water Content Leaf Area Index 0 µg/cm g/m² (Quelle: ESA Earth Science Advisory Meeting 2003) Flugzeuggetragene Systeme dienen zudem der Vorbereitung von Satellitensystemen Untersuchungen auf verschiedenen Skalen zwischen Boden und Weltraum

10 Hyperspektrale Fernerkundung Abbildende Spektrometer auf Satelliten, z.b. CHRIS/Proba Compact High Resolution Imaging Spectrometer 37 Kanäle nm (VIS NIR) Kanalbreite 1.3 bis 12 nm ( ESA) 2014 EnMap (Environmental Mapping, D)

11 Hyperspektrale Fernerkundung Multispektral vs. Hyperspektral Landsat TM CHRIS m 17 m AVIS 2m Feldinstrument ASD 0.2 m

12 Hyperspektrale Fernerkundung Anwendungsgebiete: Ableitung von chemischen Inhaltstoffen in Pflanzen und Böden Ableitung von atmosphärischen Spurengasen Precision Farming Untersuchung der Mineralzusammensetzung von Gesteinen Ökosystemforschung (Biodiversität) Aufbau spektraler Bibliotheken

13 Thermale Fernerkundung Gammastrahlung Röntgenstrahlung <0.03 nm nm UV µm VIS µm IR NIR µm MIR µm TIR µm Mikrowellen Radio 1 mm 30 cm > 30 cm

14 Thermale Fernerkundung Thermalstrahlung wird von Objekten emittiert Maß für die Oberflächentemperatur (Quelle: verändert nach Elachi & Zyl 2006)

15 Thermale Fernerkundung Oberflächentemperatur hängt von Emissivität des Objektes ab = ε λ Emittierte Strahldichte Emittierte Strahldichte eines Schwarzkörpers bei abhängig von λ gleicher Temperatur λ (Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)

16 Thermale Fernerkundung Emissionsgrad materialspezifisch und temperaturabhängig (Quelle: Campbell 1996)

17 Thermale Fernerkundung gsfc Max. der Thermalstrahlung der Erde zwischen 8 14 µm Abgestrahlte Energie steigt mit der 4. Potenz der Temperatur (Stefan-Boltzmann-Gesetz) Emissionsmaximum bestimmt das Wien sche Gesetz Brennende Oberflächen emittieren bei ~ 3 µm λ a T µm K 300K max = = = 9. 66µm

18 Thermale Fernerkundung Temperaturgang abhängig von Albedo Spez. Wärmekapazität Q C = T Spez. Wärmekapazität C [kj kg -1 K -1 ] Gespeicherte Wärme Q [kjkg -1 ] Temperaturänderung T [K] Wärmeleitfähigkeit Q k = T Wärmeleitfähigkeit k [W K -1 ] Wärmestrom Q [WJ] Temperaturänderung T [K] Sand 0.8 (Quelle: Tipler 2006) (Quelle: Campbell 1996) (Quelle: Tipler 2006)

19 Thermale Fernerkundung Tagesgang der Emissivität beeinflusst Interpretation Uhr Uhr Uhr (Quelle: Lillesand & Kiefer 1996 und Campbell 1996)

20 Thermale Fernerkundung Einsatzbereiche Objektdifferenzierung Energiebilanzierung Lokalisierung besonderer Wärmequellen Nachtaufnahme schwierige quantitative Auswertung (Temperaturkalibrierung mit Thermistoren oder internen System-Referenzen) geringe räumliche Auflösung wegen geringerer Energie größerer Wellenlängen

21 Thermale Fernerkundung Temperaturen von Meeresoberflächen NOAA AVHRR Mittelwert-Temperaturen vom August 2001 AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer), 2 Thermalkanäle (10-12µm)

22 Thermale Fernerkundung Einsatzbereich Geologie DLR DAIS (Digital Airborne Imaging Spectrometer, DLR)

23 Thermale Fernerkundung Einsatzbereich Städt. Wärmequellen und Siedlungsstrukturen warm Thermale Emission unterschiedlicher Bebauungstypen in Neuss (aus: IFGI, 1993) kalt