Grundlagen Fernerkundung - 5

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1 Grundlagen Fernerkundung - 5 GEO123.1, FS2014 Erich Meier 3/17/2014 Page 1 Aqua / MODIS - Image NASA Remote Sensing Laboratories RSL 1

2 Aqua / MODIS - Image NASA NOAA-17 / AVHRR Image NOAA Envisat / MERIS & AATSR - Image ESA Remote Sensing Laboratories RSL 2

3 Elektromagnetisches Spektrum Elektromagnetisches Spektrum Gamma Röntgen UV NIR TIR FIR Mikrowellen Radiowellen m nm m 1 mm 1 cm 1 dm 1 m 10 m blau grün rot Remote Sensing Laboratories RSL 3

4 Elektromagnetisches Spektrum Strahlungsenergie Sonne 6000 K Erde 300 K 100% Atmosphärische Durchlässigkeit 0 Gamma Röntgen UV NIR TIR FIR Mikrowellen Radiowellen m nm m 1 mm 1 cm 1 dm 1 m 10 m blau grün rot RGB und S/W-Pan-Film CIR-Farbfilm Multispektral-Scanner Thermal-Scanner High Frequency HF 30 MHz 10 m Very High Frequency VHF 300 MHz 1 m 3 GHz 10 cm Ultra High Frequency UHF Super High Frequency SHF P L S C X Ku K GHz 1 cm Extremely High Frequency EHF Ka Q V W GHz 1 mm Band f (GHz) Radiowellen Mikrowellen FIR TIR NIR UV Röntgen Gamma m 10 m 1 m 1 dm 1 cm 1 mm m 1 nm rot grün blau RGB und S/W-Pan-Film CIR-Farbfilm Multispektral-Scanner Thermal-Scanner Remote Sensing Laboratories RSL 4

5 Grundlagen Fernerkundung - Microwave Remote Sensing Lillesand, T.M., et al. (2008): Remote Sensing and Image Interpretation, 6 th Edition, John Wiley & Sons. Chapter 8: Microwave and LIDAR Sensing, p Woodhouse, I.H. (2006): Introduction to Microwave Remote Sensing, Taylor & Francis. Albertz, J. (2007): Einführung in die Fernerkundung, 3. Auflage, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt. Lernziele Sie sind in der Lage, die grundlegenden Begriffe der Mikrowellenfernerkundung zu erklären. Sie kennen die wichtigsten Konzepte abbildender Mikrowellensensoren. Sie kennen die geometrischen und radiometrischen Eigenschaften von aktiven, abbildenden Mikrowellensystemen und können diese erklären. Sie sind in der Lage, die Eignung von Mikrowellensensoren für geographische Anwendungen einzuschätzen. Sie können die wichtigsten Anwendungsgebiete aktiver und passiver Mikrowellensysteme benennen und erklären. Remote Sensing Laboratories RSL 5

6 Begriffe Mikrowellen: Radiometer: Radar: Sonar: Elektromagnetische Wellen Wellenlängen: 1 m - 1 mm Frequenzen: 300 MHz GHz benötigen kein Ausbreitungsmedium (wie Licht) Instrument zur (passiven) Messung elektromagnetischer Strahlung Imager: Bildgebender passiver Sensor Sounder: Instrument zur Messung von Profilen (nicht abbildend) RAdio Detection And Ranging aktives System, Detektion und Distanzmessung SAR: Synthetic Aperture Radar SLAR: Side-Looking Airborne Radar Altimeter: Höhenmessung (nicht abbildend) Scatterometer: Messung der Rückstreuung (nicht abbildend) SOund Navigation And Ranging Aktives System analog zu Radar, arbeitet mit Schallwellen benötigt Ausbreitungsmedium Strahlengang Remote Sensing Laboratories RSL 6

7 Passive Mikrowellen - Fernerkundung Passive Mikrowellen-Radiometrie Messung von EMISSIONS - EIGENSCHAFTEN Image Google Remote Sensing Laboratories RSL 7

8 Radioteleskop Effelsberg (D) Max Plank Institut für Radioastronomie (MPIfR) 0.3 GHz GHz Image Google Image Google Radioteleskop Effelsberg (D) Max Plank Institut für Radioastronomie (MPIfR) 0.3 GHz GHz Image Google Remote Sensing Laboratories RSL 8

9 Strahlengang bei einem passiven Mikrowellen-System Abstrahlung (Gesetz von Stefan Boltzmann) Mikrowellen: Messdauer: räumliche Auflösung Kraus (1988) Remote Sensing Laboratories RSL 9

10 Funktionsschema eines passiven Mikrowellensystems Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Ozeanographie Wassertemperatur Sea Surface Temperature (SST): Brightness = f (Temperatur) über ganzen MW-Bereich Remote Sensing Laboratories RSL 10

11 Images NASA Sea Surface Temperature: Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E) auf Aqua 6.9, 10.6, 18.7, 36.5 und 89 GHz (Animation NASA) Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Ozeanographie Salzgehalt Ocean Salinity: Brightness = f (Temperatur) über Teilbereich der MW Remote Sensing Laboratories RSL 11

12 Sea Surface Salinity, Aquarius Instrument on SAC-D-Mission 1.41 und 1.26 GHz Radiometer, polarimetrisch (Animation NASA) Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Meereis Konzentration Sea Ice Concentration: Brightness = f (Flächenanteils) Brightness = f (Eisalter) mehrere Frequenzen / Polarisationen Brightness = f (Temperatur) Modell-Schätzung / Zusatzdaten Remote Sensing Laboratories RSL 12

13 Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2), Global Change Observation Mission 1st-Water (GCOM-W1) 89 GHz Brightness Temperature (Animation NASA) Anwendungen: Snow Melt Anomaly (SSM/I) Images NASA Remote Sensing Laboratories RSL 13

14 Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Atmosphäre Global Water Vapor (SSM/I) Image Univ. of Wisconsin Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Festland Schneehöhen Volumen-Emission Oberflächen-Emission Remote Sensing Laboratories RSL 14

15 Passive Mikrowellen - Fernerkundung Nicht abbildend: Meteorologie: Festland: Ozeanographie: Sounder / Profiler Wasserdampf, Profile Wassergehalt, Bodenfeuchte, Schnee-/Eisflächen SST, Salzgehalt, Windgeschwindigkeiten, Meereis Strahlengang Remote Sensing Laboratories RSL 15

16 Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Aktive Sensoren: Quelle der Strahlung: Radar Altimeter Scatterometer SLAR / SAR (abbildend) System selber Vorteile: Unabhängigkeit System-Design von Beleuchtung (Sonne) Tag / Nacht einsetzbar Art der Quellstrahlung ist definierbar Frequenz, Bandbreite, Polarisation, Leistung Anpassung an: - Dämpfung in der Atmosphäre - Durchdringen von Wolken - Eindringtiefe in Vegetation - Eis- / Wasserflächen Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Systeme mit realer Apertur (Real Aperture Radar RAR) Systeme mit synthetischer Apertur Tracking Radars Altimeter Scatterometer SLAR Side-Looking Airborne Radar Abbildende Verfahren SAR Synthetic Aperture Radar Remote Sensing Laboratories RSL 16

17 Konzept eines aktiven Mikrowellensystems (reale Apertur) Distanzmessung über Laufzeit Azimut Elevation Aktive Mikrowellensysteme: Altimeter Konzept: Ziel: Anwendung kommt dem klassischen Radar sehr nahe möglichst genaue Distanz-Messung (kurze Impulse, hohe Bandbreite) Vermessung von Erd-, Meeresund Eisoberflächen v.a. Ozeanographie Anmerkung: Oberste 3m Wasser beinhalten gleich viel Energie wie ganze Atmosphäre! Remote Sensing Laboratories RSL 17

18 Sea Surface Height Anomaly (SSHA), TOPEX/Poseidon, JASON-1 El Niño La Niña 2010 (Animation NASA) Aktive Mikrowellensysteme: Scatterometer Ziel: Konzept: Anwendung: möglichst genaue Messung der zurückgestreuten Leistung Messungen in mehrere Richtungen Mittelungen über mehrere Pulse Winkelabhängigkeit Rückstreuung Laufzeit, Doppler-Verschiebungen Rauigkeit der Meeresoberfläche Windstärke, -Richtung Windfelder Remote Sensing Laboratories RSL 18

19 Aktive Mikrowellensysteme: Scatterometer Instrument: SeaWinds Satellit: QuikScat Hurricane Erin Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Systeme mit realer Apertur (Real Aperture Radar RAR) Systeme mit synthetischer Apertur Tracking Radars Altimeter Scatterometer SLAR Side-Looking Airborne Radar Abbildende Verfahren SAR Synthetic Aperture Radar Remote Sensing Laboratories RSL 19

20 Aktive Mikrowellensysteme: Seitensichtradar Remote Sensing Laboratories RSL 20

21 Aufnahmeprinzip Side-Looking Airborne Radar (SLAR) Beispiel einer SLAR-Szene: Gurnigel, BE Gute Auflösung in Blickrichtung schlechte Auflösung quer dazu, bzw. in Flugrichtung Bild RSL / Fraunhofer FHR Remote Sensing Laboratories RSL 21

22 Konzept-Vergleich: Synthetische Apertur vs. reale Apertur Ein Radar mit synthetischer Apertur erlaubt eine sehr gute Auflösung in Flugrichtung (Bewegungsrichtung des Sensors). Dies wird durch synthetisches Zusammenfügen vieler Radarechose rreicht, welche ein Objekt aus verschiedenen Winkeln zeigen. Konzept-Vergleich: Synthetische Apertur vs. reale Apertur Remote Sensing Laboratories RSL 22

23 Auflösungsfaktoren eines Radars mit synthetischer Apertur Vergleich einer SLAR- mit einer SAR-Szene, Gurnigel, BE Gute Auflösungen in beiden Bilddimensionen Bilder RSL / Fraunhofer FHR Remote Sensing Laboratories RSL 23

24 Darstellung der Reflexion im Bild Normalerweise werden im SAR-Bild hohe empfangene Intensitäten hell und tiefere dunkel dargestellt. Es kann aber auch umgekehrt oder völlig willkürlich sein. Bilder RSL / Fraunhofer FHR ENVISAT / ASAR "Gibraltar" Falschfarbenbild Bild ESA Remote Sensing Laboratories RSL 24

25 Synthetic Aperture Radar SAR: Wichtige Meilensteine und Entwicklungen 1951: Carl Wiley, Goodyear Aircraft Corp.: Patent für "Winkelauflösung durch Frequenzanalyse" 1957: erstes System: AN/UPD-1 Univ. of Illinois / Michigan, Goodyear, General Electric Ende 70er-Jahre: erste digitale Prozessierung / Fokussierung 1978: erster SAR-Satellit: Seasat-A bis ca. 1980: optisch - analoge Systeme ab ca. 1980: digitale Speicherung und Verarbeitung 1988: erster mil SAR-Satellit: Lacrosse-1 90er-Jahre: SAR-Satelliten um Venus, Mars, Titan neue Technologien: Interferometrie, Polarimetrie, GMTI ab ca. 2000: zivile Systeme: ESA, CSA, PPP mil: IGS, SARLupe, CosmoSkyMed, TecSAR, RISAT aktuell: digital Beamforming, MIMO - Radar Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Erste SAR-Aufnahme der Schweiz: Seasat-1, Bild DFVLR Remote Sensing Laboratories RSL 25

26 Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Erste Flugzeug-SAR-Mission in der Schweiz: Oktober 1987, IRIS / MDA Bild SAF / MDA Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Erste Flugzeug-SAR-Mission in der Schweiz durch RSL: ESAR / DFVLR, April 1991 Bild RSL / DFVLR Remote Sensing Laboratories RSL 26

27 Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Jüngste Flugzeug-SAR-Mission in der Schweiz durch RSL: FSAR / DLR Oktober 2013 Bild RSL / DLR Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild I Remote Sensing Laboratories RSL 27

28 Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild II Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild III Remote Sensing Laboratories RSL 28

29 Beispiel: Foreshortening Radarsat :22:32 Bild CSA / MDA Beispiel: Layover ERS :33:46 Off-Nadir: 23 Grad Bild ESA Fronalpstock Riemenstalden Rophaien Remote Sensing Laboratories RSL 29

30 Beispiel: Schatten Bilder RSL / Fraunhofer FHR Geocodierung Umrechnung des SAR-Bildes auf Karten-Geometrie Bilder RSL / Fraunhofer FHR Remote Sensing Laboratories RSL 30

31 Geocodierung Radarsat :22:32 Bilder CSA / MDA Geocodierung Umrechnung des SAR-Bildes auf Karten- Geometrie Shuttle Imaging Radar B (SIR-B) mit Landsat Thematic Mapper (TM) Bilder RSL / NASA Remote Sensing Laboratories RSL 31

32 Allwetter-Fähigkeit Produkte zur Unterstützung des Notfall-Managements TerraSAR-X: Tewkesbury, Bild DLR - ZKI Eyafjallajökull TerraSAR-X 15. April Uhr LT Bild DLR / InfoTerra Bild DLR - ZKI Remote Sensing Laboratories RSL 32

33 Interferometrie Sichtbarmachen zusätzlicher Information (z.b. Höhe) durch Kombination mehrere SAR-Bilder. Vergleichbar mit räumlichem Sehen mit zwei Augen. Ziel: Mittels der gemessenen Phasendifferenz der Radarpulse relative Höhenunterschiede herleiten. Bilder RSL / Fraunhofer FHR Interferometrie Aufnahmegeometrie B B B Phasendifferenz zwischen 2 SAR-Antennen single-pass / multi-pass Phasendifferenz Remote Sensing Laboratories RSL 33

34 Interferometrie Resultate: DSMs Bilder RSL / Fraunhofer FHR / ESA Interferometrie STS-99, Orbiter Endeavour Bilder NASA Start: Missionsdauer: 11 Tage Payload: 13.6 t Mastlänge: 60 m Datenrate: 270 Mbit/sec Datenmenge: 9.8 TByte Remote Sensing Laboratories RSL 34

35 Interferometrie Animation DLR Interferometrie Animation DLR Remote Sensing Laboratories RSL 35

36 Differenzielle Interferometrie Differenzbild zweier oder mehrerer Interferogramme Anwendung Messung seismischer Deformation Gebäudedeformationen Erosion Topographie Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Differenzielle Interferometrie - Length, strike-slip - Orientation (strike) - Dip -Downdip extent - Depth to fault - Dip-slip Elastic Halfspace Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Remote Sensing Laboratories RSL 36

37 Differenzielle Interferometrie Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Differenzielle Interferometrie Aetna, ERS-1/2 Bilder ESA Remote Sensing Laboratories RSL 37

38 Polarimetrie: Sichtbarmachen von Streueffekten HH-polarisation, linear Pauli-Dekomposition Bilder RSL / DLR Rot: Oberflächen-Streuung Grün: Volumen-Streuung Blau: Doppel-Reflexion Reflexionseigenschaften von Radarwellen Streuung scattering diffuse reflector Spiegelung specular reflector Doppelreflexion double bounce corner reflector Remote Sensing Laboratories RSL 38

39 Reflexionseigenschaften und Eindringtiefen von Radarwellen Volumen-Streuung volume scattering Doppelreflexion double bounce Oberflächen-Streuung Surface scattering Streumechanismen Remote Sensing Laboratories RSL 39

40 Streumechanismen X-Band, 9.6 GHz, = 3 cm Bild RSL / DLR Streumechanismen L-Band, 1.3 GHz, = 23 cm Bild RSL / DLR Remote Sensing Laboratories RSL 40

41 Streumechanismen P-Band, 350 MHz, = 85 cm Bild RSL / DLR Streumechanismen Orientierung Animation RSL Remote Sensing Laboratories RSL 41

42 Streumechanismen Elektrische Eigenschaften und Orientierung Bilder RSL / Fraunhofer FHR Zusammenfassung Mikrowellensysteme ( 15 m - 3 mm, f = 20 MHz GHz, HF - EHF) All Wetter, unabhängig von natürlicher Beleuchtung Puls-Doppler-Radars Methode für hohe räumliche (Bild-)Auflösung: SAR Synthetic Aperture Radar Duales System: Sensor + Prozessor Anwendungen: - hohe Repetitionsrate - rasche Reaktionszeit - All-Wetter-Tauglichkeit - Veränderungen Vergleich optische FE 0.4 m - 10 m Faktor: 25 MW-FE 3 mm - 10 m Faktor: > 3000 (!) Remote Sensing Laboratories RSL 42

43 Remote Sensing Laboratories RSL 43