Beobachtung der Biosphärendynamik

Transkript

1 Globale Ökologie Beobachtung der Biosphärendynamik Wintersemester 2010/2011 Tobias Kuemmerle

2 Heute... Beobachtungen der Biosphäre und ihrer Dynamik Beobachtungen des aktuellen Zustandes mit Fernerkundung Aus dem Weltraum Aus der Luft

3 Fernerkundung Beobachtung eines Objekts (spektral, räumlich, zeitlich), Gebiets, Naturerscheinung ohne direkten Kontakt Sehen, Fotografie, Luftbilder, Satellitenbilder Basiert auf der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie Reflektion, Absorption, Transmission

4 Elektromagnetische Strahlung (EMS) Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 K) sendet EMS aus (Stefan-Boltzmann-Gesetz) EMS: UV Strahlung, sichtbares Licht, Radio, Radar g

5 Elektromagnetische Strahlung (EMS) Die Wellenlänge der größten Strahlungsleistung ist abhängig von der Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz) Erde Sonne

6 Elektromagnetische Strahlung (EMS) Wichtigste Quelle von EMS auf der Erde ist die Sonne Streuung der Strahlung in Abhängigkeit der Aerosolverteilung (Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung) Absorption von langwelliger Strahlung an Gasmolekülen (Treibhauseffekt) Aufwendige Aufbereitung von Satellitendaten vor der Nutzung notwendig (Atmosphärenkorrektur, geometrische Korrektur) images/solar_radiation_effects.jpg

7 Elektromagnetische Strahlung Einfluss der Atmosphäre

8 Spektrale Signaturen Enstehen durch unterschiedliche Reflexion, Absorption und Transmission

9 Vegetationsspektrum Green peak Red edge Wasser absorptionsbanden

10 Vegetationsindizes NIR NDVI NIR Rot Rot NDVI FPAR Grüne Vegetation Vegetationsfreier Boden Zur Klassifizierung der beobachteten Objekte können verschiedene Indizes aus den Reflektionsspektren berechnet werden (z.b. Vegetationsindex NDVI normalized difference vegetation index) Typisch sind Verhältnisgrößen aus Reflektion im NIR und dem roten Bereich des sichtbaren Lichts Unempfindlicher gegenüber äußeren Strahlungsbedingungen)

11 NDVI

12

13 Jahresgang

14 Ableitung von Vegetationsparametern Zeitlicher Verlauf von Vegetationsindizes gibt Aufschluss über viele Parameter, z.b. Beginn, Ende und Dauer der Vegetationsperiode NPP (net primary production) Landnutzung NDVI korreliert mit verschiedenen Vegetationsparametern PAR (photosynthetically active radiation) FPAR (fraction of PAR absorbed by green canopy) FPAR=a*NDVI+b APAR (absorbed photosynthetically active radiation) LAI (leaf area index)...

15

16

17

18 Jährliche NPP (1997) (g C m -2 )

19 Fernerkundungssysteme zur Erdbeobachtung Wellenlängenbereich: sichtbares Licht, IR, thermisches IR, Mikrowellen Aufnahme meist in mehreren Frequenzbereichen (Kanäle, Bänder) Strahlungsquelle: Passive (Detektion reflektierter und emittierter Strahlung) und aktive Systeme (mit eigener Strahlungsquelle, z.b. Antennen, Laser) Plattform: Flugzeug, Satellit

20 Fernerkundungssysteme zur Erdbeobachtung räumliche Auflösung: Größe der kleinsten unterscheidbaren Objekte AVHRR Landsat ETM+ SPOT IKONOS Keyhole 1km 15 m 2,5 m 1 m 5 cm (geschätzt) zeitliche Auflösung: Zeit zwischen Aufnahmen des selben Gebietes spektrale Auflösung: Fähigkeit feinste Strahlungsunterschiede zu erkennen radiometrische Auflösung: Detailgrad der Aufzeichnung (Anzahl der Grauwerte, z.b. 8bit = 256 Grauwerte)

21 Erdbeobachtung in verschiedenen Spektralbereichen Solare Strahlung von der Erdoberfläche reflektiert Strahlung von der Erdoberfläche emittiert

22 Erdbeobachtung in verschiedenen Spektralbereichen Solare Strahlung von der Erdoberfläche reflektiert Strahlung von der Erdoberfläche emittiert

23 Erdbeobachtung in verschiedenen Spektralbereichen Solare Strahlung von der Erdoberfläche reflektiert Strahlung von der Erdoberfläche emittiert

24 Spektrale und räumliche Auflösung Röder 2006

25 Geostationäre Sateliten Schwerpunkt: Wetterbeobachtung Beispiel: METEOSAT

26 Polar orbitting satellites Beispiel: NOAA AVHRR POES (polar orbitting environmental satellite) tägliche Erfassung der gesamten Erdoberfläche lange Datenreihe verfügbar ( ) mittlere geometrische Auflösung (1-8 km)

27 NOAA AVHRR Landnutzungsänderungen Degradationserscheinungen

28 Verlängerung der Vegetationsperiode nördlich von 45 ºN 1993/ / / / / / /82 Mai September 6 Tage früher im Frühling 4 Tage später im Herbst Quelle: R. Myneni, Boston University Tagesnummer Beobachtung der Biosphärendynamik

29 Greening of the North Quelle: R. Myneni, Boston University

30

31 MODIS (Terra/Aqua) Orbit: 705 km, 10:30 a.m. descending node (Terra), sun-synchronous, near-polar, circular Scan Rate: 20.3 rpm, cross track Swath Dimensions: 2330 km (cross track) by 10 km (along track at nadir) Size: 1.0 x 1.6 x 1.0 m Weight: kg Power: W (single orbit average) Spatial Resolution: 250 m (bands 1-2), 500 m (bands 3-7), 1000 m (bands 8-36) Design Life: 6 years Revisiting time: 1 day terra/modis/imagens/modis.jpg

32 MODIS Datenprodukte MOD01 Level-1A Radiance Counts MOD02 Level-1B Calibrated Relocated Radiances -also Level 1B 5kmX5km product MOD03 Relocation Data Set MOD04 Aerosol Product MOD05 Total Precipitable Water MOD06 Cloud Product MOD07 Atmospheric profiles MOD08 Gridded Atmospheric Product (Level-3) MOD09 Atmospherically-corrected Surface Reflectance MOD10 Snow Cover MOD11 Land Surface Temperature & Emissivity MOD12 Land Cover/Land Cover Change MOD13 Vegetation Indices MOD14 Thermal Anomalies, Fires & Biomass Burning MOD15 Leaf Area Index & FPAR MOD16 Surface Resistance & Evapotranspiration MOD17 Vegetation Production, Net Primary Productivity MOD18 Normalized Water-leaving Radiance MOD19 Pigment Concentration MOD20 Chlorophyll Fluorescence MOD21 Chlorophyll_a Pigment Concentration MOD22 Photosynthetically Active Radiation (PAR) MOD23 Suspended-Solids Conc, Ocean Water MOD24 Organic Matter Concentration MOD25 Coccolith Concentration MOD26 Ocean Water Attenuation Coefficient MOD27 Ocean Primary Productivity MOD28 Sea Surface Temperature MOD29 Sea Ice Cover MOD31 Phycoerythrin Concentration MOD32 Processing Framework & Match-up Database MOD35 Cloud Mask MOD36 Total Absorption Coefficient MOD37 Ocean Aerosol Properties MOD39 Clear Water Epsilon MOD43 Albedo 16-day L3 MOD44 Vegetation Cover Conversion MODISALB Snow and Sea Ice Albedo

33 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Windmuster _MODIS_CH31_ETA_SFC_WIND_LARGE.GIF

34 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Wasserdampf, Wolken

35 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Vegetationsbedeckung [%] Source: DeFries et al. 2004

36 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Chlorophyll und SST

37 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Albedo

38 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Schnee, Feuer, LST /Russia_ jpg /MODIS_LST.jpg LST Winter Diff

39 Beispiele für MODIS-Datenprodukte: LAI, FPAR

40 Beispiele für MODISDatenprodukte: Land Cover Beobachtung der Biosphärendynamik

41 Beispiel für MODIS-basierte Analyse: Land Cover Change Entwaldung in den Tropen (Hansen et al. 2008)

42 ENVISAT Maße: 26m x 10m x 5m (mit ausgefahrenem Solarpanel) Gesamtgewicht: 8140 Kg Nutzlast: 2050 Kg Leistung: 6.5 kw Trägerrakete: Ariane 5 Orbit : 800 km Instrumente: 10 Start: ame/arianed503.jpg

43 ENVISAT Instrument: MERIS (ähnlich MODIS)

44 ENVISAT Jakobshavn Glacier, Greenland Kombination von optischen und RADAR Instrumenten

45 ENVISAT

46 ENVISAT - GLOBCOVER Momentan detaillierteste globale Landbedeckungskarte (300m) auf der Basis von ENVISAT (MERIS+RADAR) Bildern

47 Globale Landbedeckungskarten Source: Ramankutty et al. 2006

48 Landsat Operationeller Einsatz seit 1972 Landsat 7 seit 1999 im Einsatz hohe räumliche Auflösung von bis zu 15m*15m (z.b. Landnutzungskartierung, Desertifikationsmonitoring) zeitliche Auflösung 16 Tage Seit 2009 größtenteils frei verfügbar! Footprint nur 180x180km²

49 Landsat - Beispiel Greenhouse development in Almeria, Spain

50 Landsat - Beispiel Aral Sea, Central Asia 1973: The surface of the sea once measured km : 60% of the volume had been lost : The sea is now quarter of the size it was 50 years ago

51 Landsat - Beispiel Impact of logging in British Columbia Canada All examples from the UNEP 2005 atlas are based on Landsat images Source: UNEP 2006

52 Landsat - Beispiel Body text Iguazu National Park 1973: Mostly agriculture in Brazil, whereas Paraguay and Argentina are forestdominated First signs of deforestation in Paraguay 2000: forests have disappeared in Brazil and Paraguay but remained protected inside the Argentine National Park Source: UNEP 2005

53 Landsat mass processing Automatisierung von Prozessierschritten und der nun freie Zugang zu Daten ermöglichen die Rekonstruktion von Landoberfächendynamik in hoher räumlicher Auflösung für große Gebiete

54 Hyperspektrale Fernerkundung Aufzeichnung der reflektierten Strahlung im sichtbaren bis infraroten Bereich in vielen schmalen Spektralkanälen flugzeuggestützte Sensoren: AVIRIS, CASI, HYMAP, DAIS 7915, GERIS, MIVIS satellitenbasierte Sensoren (noch experimentell): Hyperion (EO-1), CHRIS (PROBA), ENMAP (geplant), pub/docs/html/avhalf.gif

55 Hyperspektrale Fernerkundung Anwendungen Einsatzgebiete: Geologie (Mineralvorkommen), precision farming, Gewässerqualität,...

56 Hyperspektrale Fernerkundung Anwendungen Einsatzgebiete: Geologie (Mineralvorkommen), precision farming, Gewässerqualität,... AVIRIS praktikum/f16/lasermikroskopiewebseite/ Leere%20Seite%202-Dateien/image068.gif

57 Hyperspektrale Fernerkundung Sensoren Sensor Spektrales Intervall (nm) Anzahl der Kanäle AVIRIS CASI (bis zu 19 selektierbar) 2.2 DAIS Kanalbreite (nm) HYMAP MIVIS sensing/images/aviris-data.gif

58 LIDAR (Light detection and ranging) Aktives system Sendet Laserpulse und unterscheidet zwischen zeitlich verstztem Echo Kann 3D-Strukturen abzubilden

59 LIDAR (Light detection and ranging)

60 LIDAR+ optische Sensoren Kombination von Sensoren bietet neue Möglichkeiten für die Erdbeobachtung Bisher nur flugzeuggestüzt Geplant: DESDynI Asner et al 2010, PNAS

61 LIDAR (GLAS) + MODIS Lefsky 2010 Erste globale Karte der Vegetationshöhe!

62 DMSP Nighttime lights Source: NASA Visible Earth

63 Zusammenfassung Fernerkundliche Systeme zeichnen elektromagentische Strahlung auf Vielzahl von Satelliten und Sensoren Verschiedene Sensoren sensitiv für verschiedene Wellenlängenbereich Unterschiede in spektraler, räumlicher + zeitlicher Auflösung Unterscheidung in aktive und passive Systeme Einige Systeme mit relativ langen Datenreihen Erdbeobachtungsarchive

64 Zusammenfassung Informationen über den Zustand der Biosphäre (z.b., NPP) Dynamik der Biosphäre (z.b., Jahresgang) Veränderungen der Biosphäre (z.b., Entwaldung) Kombination von Sensoren birgt neue Möglichkeiten für die Erdbeobachtung Verknüpfung von Fernerkundung beim nächsten Mal!

65

66 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Tobias Kuemmerle