Luftbildanalyse und Fernerkundung

Transkript

1 Luftbildanalyse und Fernerkundung 2. Einheit Oktober Beginn pünktlich 14:00 Uhr!? + Folien zur Vorlesung unter + The World from above Yann Arthus-Bertrand Museumsquartier noch bis Anfang Nov Schrägluftbild, Juni 2001, Popelka, 1

2 13. Oktober 2004, 9:44 Uhr Aufnahme des sehr hochauflösenden Radiometers AVHRR im sichtbaren Spektralbereich an Bord eines NOAA-Satelliten Die Satellitenbilder sind von der DLR speziell aufbereitet. 14. Oktober 2004, 9:21 Uhr Aufnahme des sehr hochauflösenden Radiometers AVHRR im sichtbaren Spektralbereich an Bord eines NOAA-Satelliten Die Satellitenbilder sind von der DLR speziell aufbereitet. 2

3 Was ist Luftbildanalyse und Fernerkundung? Die menschliche Umwelt unterliegt ständiger Veränderung. Naturgegebene Veränderungen... z. B. + fließendes Wasser + Wetter + Vegetation nach Jahreszeiten,... Vielzahl menschlicher Aktivitäten, die + Wasserflächen, + Landoberfläche u. + Atmosphäre beeinflussen. Für Beobachtung, Planung, Monitoring, etc. sind Informationen über den physikalischen Zustand der Umwelt notwendig Arten von Datengewinnung 3

4 Direkte Messung: Das Messgerät befindet sich am Ort der Messung (z. B. Temperaturmessung mit Thermometer) Fernmessung: Messgerät am Ort der Messung... Anzeige fern davon (z.b. meteorol. Temperaturmessung in der Atmosphäre durch Radiosonden) Fernerkundung: Das Messgerät befindet sich in einiger Entfernung vom Ort der Messung; die zu messende Größe wird aus der vom Messobjekt reflektierten oder emittierten elektromagnetischen Strahlung abgeleitet (z. B. Temperaturmessung von Wasseroberflächen vom Flugzeug aus mit einem Thermal-Scanner) Fernerkundung ist also ein indirektes Beobachtungsverfahren. Sie liefert Informationen über Gegenstände, ohne dass diese unmittelbar berührt werden müssen. Im engeren Sinne versteht man unter Fernerkundung Verfahren, die... 1) zur Gewinnung von Informationen die elektromagnetische Strahlung benutzen, die von einem beobachteten Objekt abgestrahlt wird, 2) die Empfangseinrichtungen für diese Strahlung in Luftfahrzeugen (idr Flugzeuge) oder Raumfahrzeugen (idr Satelliten) mitführen 3) zur Beobachung der Erdoberfläche mit allen darauf befindlichen Objekten, der Meeresoberfläche oder der Atmosphäre dienen 4

5 Unter den Verfahren der Fernerkundung sind jene besonders wichtig, die zu eine bildhaften Widergabe der Erdoberfläche führen. Jedes abbildende Fernerkundungssystem besteht aus 3 Teilen: aus: Albertz, 2001 Datenaufnahme Sensor empfängt elektromagnet. Strahlung, die von Gegenständen der Erdoberfläche ausgeht diese Strahlung wird in Bilddaten umgesetzt Datenspeicherung es entstehen Luft- oder Satellitenbilder Datenauswertung Photogrammetrie (v.a. geometrisch orientierte Bildmessung z.b. zur Herstellung topogr. Karten) Interpretation (v. a. inhaltlich orientiert Eigenschaften der Erdoberfläche und den darauf befindlichen Objekten 5

6 Klare Trennung zwischen Messung und Interpretation ist aber nicht möglich und zielführend. In der Photogrammetrie müssen z.b. topographisch wichtige Objekte erkannt d.h. interpretiert werden. Andererseits sind bei der Interpretation oft Messungen notwendig wie: Länge von Flussläufen, Böschungshöhen, Die erfolgreiche Interpretation von Luft- und Satellitenbildern setzt voraus: + Sachkenntnis hinsichtlich des Gegenstands der Interpretation fachlicher Art (z.b. Geologie, Tektonik, regionaler Art (z.b. landeskundl. Kenntnis, ) + Informationen über Enstehung der Bilder & ihre Eigenschaften volle Ausschöpfung der Interpretationsmöglichkeiten um Fehlinterpretationen zu vermeiden Historische Entwicklung Prähistorische Vorzeit Die Methodik der Fernerkundung (i.w.s.) ist eine bereits zu prähistorischen Zeiten genutzte Vorgehensweise der Menschen um schnell raumbezogen Informationen zu gewinnen. Man muß davon ausgehen, daß bereits frühe Hominiden sich freistehende Bäume in den Savannen Afrikas suchten, um aus der Höhe in die Ferne zu blicken und so den Horizont nach Beute oder drohenden Gefahren abzusuchen. 6

7 Der grundlegende Vorteil dieses Verfahrens liegt in dem großen Rauminformations- und Zeitgewinn, den eine erdbodengestützte Erkundung nicht erbringt. Dieses Grundmuster hat sich in der Menscheitsgeschichte bis zum heutigen Tage erhalten (z.b. Wachtund Aussichtstürme, Ferngläser, Teleskope, Erdbeobachtungs- und Spionagesatelliten etc.). Habsburgwarte am Hermannskogel, höchster Punkt Wiens, 542 m NN, 1. Festpunkt Österreichs Historische Entwicklung Zeitalter der Industrialisierung Erst mit Beginn der Luftfahrt im ausgehenden 19. Jahrhundert, welche unabhängig aber etwa zeitgleich zur Entwicklung der Photographie erfolgte, fand die moderne analoge Geofernerkundungsmethodik ihren Ursprung. Die Beobachtung der Erdoberfläche aus der Luft hat bereits die Ballonfahrer fasziniert. 7

8 Rekonstruktion des historischen Ballonfluges der Gebrüder Montgolfier 1783 über Paris (Nat. Geogr. Mag., Vol. 12, 1983) vgl. Prinz 2003 Erste photographische Bilder vom Ballon aus gelangen G.F.Tournachon (alias NADAR), über Paris im Jahre G.F.Tournachon, französ. Fotograf frühe Aufnahmen von Paris durch G.F.Tournachon aus einem Ballon 8

9 Ältestes erhaltenes Luftbild Boston aus einem Ballon in Fuss Höhe am 13. Oktober 1860 James Wallace Black In den folgenden Jahren versuchte man die ersten Luftbilder mittels Brieftauben, Raketen, Drachen oder kleinen Steigballons aufzunehmen. Luftaufnahmen mit Tauben, 1903, Bayern 9

10 Erst mit der Entwicklung der Flugzeugtechnik Anfang des 20. Jahrhunderts wurden verstärkt photographische Schrägaufnahmen der Erdoberfläche gewonnen. Hierbei handelte es sich meist um Einzelaufnahmen, die in keinem systematischen Schema untergebracht waren und kaum wissenschaftliche Anwendung fanden. Luftbild,

11 Luftbild, 1925 Zeppelin über Berlin, 1930er Jahre 11

12 Moderne Erkundung Im Verlaufe des 1. Weltkrieges ( ) wurde aus militärischen Gründen die kontinuierliche photographische Reihenaufnahme aus der Luft von strategisch wichtigen Geländabschnitten von allen Kriegsparteien vorangetrieben. Nach Kriegsende flossen die gesammelten Erfahrungen in das erstmals zivile auflebende Luftbildwesen ein, welches ab ca für forstliche, archäologisches und allgemeine geographische Zwecke konzipiert wurde (z.b. Landesaufnahmen, Expeditionen, Erkundung, Kartographie, etc.). Der wissenschaftliche Nutzen der Luftbildtechnik wurde erstmals systematisch 1939 durch Carl Troll (Geographie, Landschaftsökologie) untersucht. systematische Luftbildaufnahme,

13 Während des 2. Weltkrieges ( ) dominierten wieder militärischen Fragestellungen das Luftbildwesen. Wichtige taktische Operationen konnten ohne Aufklärungsflüge und dem Einsatz von Reihenmeßkameras nicht mehr vorbereitet oder nachträglich auf Erfolg überprüft werden. Es wurde so erstmals die Herstellung von Luftbildplanwerken umgesetzt, die eine systematische Fernerkundung ermöglichten und noch heute in Form von Befliegungsplänen realisiert werden. Zugleich wurden erste Routineeinsätze mit Farbfilmen für die Luftbildaufnahme durchgeführt, wobei z.t. bereits Infrarot-Filme erprobt wurden. Der NE von Münster aufgenommen am durch britische Aufklärer nach einem Bombenangriff Imperial War Museum, London 13

14 Intstallation einer Luftbildkamera zur militär. Aufklärung von Nord-Korea durch die USA 1950 Digitales Zeitalter Nach Ende des Krieges trieben besonders US-amerikanische Institutionen die zivile Fernerkundung (engl.: remote sensing) technisch voran, so daß die Luftbildinterpretation zur ersten eigenständigen Disziplin der Geofernerkundung wurde. Colwell forcierte besonders die Verwendung von Farbinfrarotfilmen für die vegetationskundliche Forschung. Der Einsatz derartig neuer Techniken erwies sich auch für die anderen Geodisziplinen vorteilhaft (Bodenkunde, Geologie, Geomorphologie, Kartographie etc.). Mit fortschreitender technischer Entwicklung fanden in den sechziger Jahren neue Abtast-Systeme (engl.: scanner ) oder Radar-Systeme (z.b. SAR) zunehmend in der Geofernerkundung Anwendung. 14

15 Etwa 10 Jahre später wurden experimentell Computer zur einfachen Bildanalyse eingesetzt. Das analoge Bild mußte somit erstmalig digitalisiert werden. Die traditionelle analoge Luftbildinterpretation war somit nur noch eine Teildisziplin der zunehmend digitaler werdenden Geofernerkundungsmethodik. Eine völlig neue Dimension der Erderkundung wurde 1965 mit den ersten Weltraumflügen (Gemini-/Apollo-Flüge) erschlossen. Die Geowissenschaften konnten mehr Gewinn aus den gewonnenen kleinmaßstäblichen Aufnahmen ziehen als erwartet war. Man sprach daher von einer 'dritten Entdeckung der Erde'. Mit dem Start des ersten amerikanischen ERTS-1 Satelliten 1972 (später dann zu LANDSAT umbenannt) wurden systematisch gewonnene digitale und multispektrale Aufnahmen der Erdoberfläche verfügbar bzw. untersucht. Seitdem folgten eine Vielzahl unterschiedlichster Spezialsatelliten, welche z.t. auch in technischen Generationsabfolgen geplant wurden (z.b. LANDSAT-1 bis 7, oder ERS-1 bis 3, SPOT-1 bis SPOT-5, etc.). 15

16 Landsat 7 Mit dem Einsatz von Satelliten wurde auch die Kommunikationstechnik revolutioniert, welche es uns erlaubt, die vom Erderkundungssatelliten gewonnen Daten rasch nahezu überall auswerten zu können. Heute werden fast monatlich neue Satelliten in ihre Umlaufbahnen gebracht (z.b. Quickbird oder IKONOS), von denen man sich Aufschlüsse über komplexe Umweltprobleme erhofft - in einer Zeit der Globalisierung wird dieser Ansatz immer wichtiger. 16

17 Parallel zu dieser Entwicklung fanden auch digitale Aufnahmeverfahren in der Flugzeug-gestützten Geofernerkundung Einzug. Aufgrund der variablen Flughöhen werden so unterschiedliche geometrische bzw. radiometrische Auflösungen erreicht. Individuelle Aufnahmen reichen vom sichtbaren Spektrum (VIS) über das Infrarot (IR), die Thermalstrahlung (Thermal IR) bis in den Mikrowellenbereich (SAR) bei einer räumlichen Auflösung von einigen Zentimetern bis Metern. Bildverarbeitung Auch die Methoden zur Nutzung dieses ungeheuer vielfältigen Informationsmaterials (analoge/digitale Daten) haben sich rasant entwickelt. Über die Techniken der digitalen Bildverarbeitung lassen sich spezifische Bildinhalte aus dem Datensatz mittels leistungsfähiger Computer extrahieren. Das vollautomatisierte Auswerteverfahren wird es zukünftig jedoch kaum geben - die visuelle Bildinterpretation/Erfahrung der Interpreten bleibt somit Grundlage einer jeden Bildanalyse! 17

18 Heute werden zivile Geofernerkundungsdaten (Luft- /Satellitenbilder) insbesondere in der Raumplanung, dem Umweltschutz, der Versorgungswirtschaft, der Lagerstättenexploration, der Kartographie, der Überwachung (engl.: monitoring) u.ä. als fester Bestandteil von Raumanalysen eingesetzt. Die Daten sind meist gegen ein mehr oder minder hohes Entgeld bei den Vertriebinstitutionen für Jedermann erhältlich. Nach der Interpretation der Daten ist der logische Anknüpfungspunkt für die weitere Nutzung ein Geoinformationssystem (GIS), welches eine kausale Verknüpfung von Fernerkundungsdaten mit anderen Geosachdaten erlaubt. Bsp.: Verknüpfung von multispektralen Satellitendaten (z.b. LANDSAT TM) mit anderen Geodaten (Topogr. Karte und Landnutzungklassen) 18

19 Der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern (-daten) wird in Zukunft im Rahmen einer laufenden Aktualisierung und Bewertung eines Geodatenbestandes und seiner Aussagefähigkeit bzgl. einer geowissenschaftlichen Fragestellung wesentliche Bedeutung zuwachsen! Quickbird, Toledo, Spanien, IR, 72 cm - Auflösung 19

20 Möglichkeiten die LBA+FE bieten sowie Anwendungen in der Geographie Mit dem LB hat die Geographie ein Forschungsmittel zur Verfügung, dessen sachkundige Auswertung die Voraussetzung für eine umfassende Aussage über den zu untersuchenden Raum ist LB- Analyse (+ SB) befasst sich im weitesten Sinne mit allen Bereichen der bildlich darstellbaren Information aus Luft- und Raumfahrzeugen (= analoge und digitale Aufnahmetechniken) LB und deren Interpretation eine ideale Forschungsgrundlage der Geographie? LB-Analyse eine taugliche Arbeitsmethode der Geographie? Beide Fragen sind eindeutig mit JA zu beantworten, wenn folgende Grundvoraussetzungen erfüllt werden: - LB stehen nach Wunsch zur Verfügung (Raum, Zeit, Maßstab) - Zugriffsmöglichkeit auf Interpretations- und Auswertegeräte LB: Spiegelstereoskop, SB: leistungsfähige Hard- und Software, 20

21 Vorzüge von Luft- und Satellitenbild Desk Research : dreidimensionales Abbild (Stereo-Modell) der Landschaft kann ich zum Schreibtisch bringen, erspart nicht die Feldarbeit ( field research ) aber viel Geländearbeit LB ist ein Dokument des momentanen Landschaftszustandes: Wiedergabe eines bestimmten Ausschnittes der Erdoberfläche im Augenblick der Aufnahme (einschließlich Beleuchtungs- und Witterungsverhältnisse) - aller sichtbaren Einzelheiten - je nach Bildmaßstab in der Zusammenschau des räumlichen Komplexes. Je nach Untersuchungsziel können im Überblick Zusammenhänge verfolgt werden, die aus der Erdsicht nicht oder kaum erkennbar sind (vgl. Gebiete, die nicht betreten werden können) Vorzüge von LB/SB Detaildarstellung und weitflächiger Überblick zenitale bzw. grundrissmäßige Übersicht über ein Landschaftsgefüge gewisse Durchsicht durch: Gewässer + Bodenschicht (vgl. Archäologie) LB ist nicht nur minuziöses Abbild einer Landschaft, auch: die Dynamik Funktionieren einer Landschaft Verflechtungen, Abhängigkeiten und Wechselwirkungen werden ersichtlich 21

22 Vorzüge von LB/SB Ein beliebig großes Bild der Erdoberfläche kann rasch bildlich und topographisch erschlossen werden Bei systematischer Wiederholung können: tägliche, saisonale, jährliche Veränderungen registriert werden, z. B.: Evidenthaltung von Karten Phänologie Verkehrszählungen Stadtwachstum Nutzung von Erholungseinrichtungen Ernteschätzungen Feindbeobachtung, etc... Großflächige Veränderungen, die auf keine andere Weise so übersichtlich und schnell beobachtet werden können Deltabildungen Flussbettverlagerungen Überschwemmungen Waldbrände Vulkanausbrüche Meeresverschmutzungen Waldschäden Eisbergwanderungen 22

23 Problematik der LB-Auswertung und Interpretation Äußere Einwirkungen + Jahreszeit + Tageszeit + Sonneneinstrahlung + Schattenfall + Wetter + Bodenfeuchte Eigenarten des LB + veraltet rasch + nicht alles ist wichtig (keine Generalisierung wie bei Karte) + nicht alles ist identifizierbar (Geländebegehung notwendig) + keine Legende (ev. Interpretationsschlüssel) Ergebnis der LB-Interpretation: Beobachtung & Messung Nil Unterlauf mit Delta, Modis 23

24 Venedig, Ikonos Venedig, Ikonos, 1m 24

25 Beringsee, Eisberge das wars für heute! 25