Arbeitsblätter zur Vorlesung. Fernerkundung 1. WS 2008/09, 2. Vorlesung

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1 Arbeitsblätter zur Vorlesung Fernerkundung 1 WS 2008/09, 2. Vorlesung erstellt Oktober 2008

2 Inhalt der 2. Vorlesung physikalische Grundlagen der Fernerkundung elektromagnetische Welle elektromagnetisches Spektrum additives und subtraktives Farbsystem Grundlagen der Radiometrie Raumwinkel, Strahlungsfluß Strahlungsflußdichten Strahlungsfluß zwischen Sender und Empfänger LAMBERTscher Strahler spektrale radiometrische Größen Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie Refraktion Zusammenhang Transmission, Reflexion und Absorption, Emission Transmission, Absorption 2

3 physikalische Grundlagen Fernerkundung:... Gewinnung von Information über entfernte Objekte.... Als Informationsübermittler dient elektromagnetische Strahlung. Was beschreibt elektromagnetische Strahlung? Wie lassen sich Strahlungsvorgänge quantitativ / qualitativ beschreiben? Welchen Wechselwirkungen unterliegt elektromagnetische Strahlung (mit der Atmosphäre, mit der Erdoberfläche)? Welche Arten von Strahlung sind für die Fernerkundung nutzbar? Welcher Zusammenhang besteht zwischen der gemessenen Strahlung und den Eigenschaften der reflektierenden bzw. emittierenden Erdoberfläche? 3

4 physikalische Grundlagen Was ist elektromagnetische Strahlung? Fortpflanzung von Energie in Form verketteter elektrischer und magnetischer Felder mit zeitlich und örtlich variierender Feldstärke Ausbreitung der Energie erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit und wird durch harmonische Schwingungen beschrieben elektromagnetische Welle zu einem bestimmten Zeitpunkt Vektoren der elektrischen und magnetischen Felder stehen zueinander und zur Ausbreitungsrichtung senkrecht aufeinander 4

5 physikalische Grundlagen Was beschreibt elektromagnetische Strahlung? Parameter einer Welle Wellenlänge λ (Abstand benachbarter Punkte gleicher Phase) Frequenz f (Anzahl der Oszillationen pro Zeit) Ausbreitungsgeschwindigkeit c (Lichtgeschwindigkeit im Vakuum) c= f [ m ] s Je kürzer die Wellenlänge, umso größer die Frequenz einer Welle. 5

6 physikalische Grundlagen Was beschreibt elektromagnetische Strahlung? Energie eines Wellenteilchens (Photon) Q = h *f [ J] = [J * s * 1 s ] h...planksches Wirkungsquantum 6.625*10-34 Js Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung sind frequenz- / bzw. wellenlängenabhängig Einteilung in Frequenzbereiche, für welche die Strahlung ähnliche Eigenschaften (insbesondere hinsichtlich der Wechselwirkungen mit Materie) aufweist. => Spektralbereiche 6

7 physikalische Grundlagen elektromagnetisches Spektrum Gesamtheit der Spektralbereiche 7

8 physikalische Grundlagen Spektralbereiche in der Fernerkundung Mikrowellen λ : mm bis m thermales Infrarot λ : 7 µm bis 15 µm mittleres Infrarot λ : 1,3 µm bis 3 µm nahes Infrarot λ : 700 nm bis 1,3 µm optischer Spektralbereich λ : 400 nm bis 700 nm Für die Bereichsgrenzen finden sich in der Literatur leicht variierende Angaben! 8

9 physikalische Grundlagen Einteilung des optischen Spektralbereiches grob untergliedert in 3 Wellenlängenbereiche blauer Bereich (λ nm) grüner Bereich (λ nm) roter Bereich (λ nm) basierend auf dieser Unterteilung existieren 2 Farbsysteme additives System (Grundfarben: RotGrünBlau) subtraktives System (Grundfarben: YellowMagentaCyan) 9

10 Farbsysteme additives Farbsystem (RGB) weißes Licht ist die Anwesenheit aller drei additiven Grundfarben in gleicher (hoher) Intensität schwarz entspricht der vollständigen Abwesenheit aller drei Grundfarben (keine Strahlung) Mischfarben (orange etc.) entstehen durch die Kombination der Grundfarben mit variierenden Intensitäten subtraktives Farbsystem (YMC) eine subtraktive Grundfarbe bewirkt die Beseitigung (Subtraktion) einzelner Bestandteile des weißen Lichtes, übrig bleibt die Komplementärfarbe schwarz entspricht demnach einer Subtraktion mit allen drei Grundfarben (YMC) 10

11 Farbsysteme Zusammenhang RGB YMC Die Mischung von je 2 additiven Grundfarben ergibt eine subtraktive Grundfarbe. Dies entspricht gleichzeitig einer Subtraktion der verbleibenden, dritten, additiven Grundfarbe von weißem Licht. rot + blau = magenta = weiß grün grün + blau = cyan = weiß rot rot + grün = yellow = weiß blau Farbwürfel RGB Grundfarben bilden kartesisches Koordinatensystem mit schwarz als Ursprung YMC Grundfarben bilden kartesisches Koordinatensystem mit weiß als Ursprung Zahlen stehen für Farbintensität bei einem Wertebereich von 8bit 11

12 Grundlagen der Radiometrie Wie lassen sich Strahlungsvorgänge quantitativ beschreiben?... Strahlung ist die Ausbreitung von Energie im Raum... Zur Beschreibung der Richtungsverteilung von Strahlung dient das Konzept des Raumwinkels. Raumwinkel Ω wird beschrieben durch Fläche F1, die ein umschreibender Kegel aus einer Einheitskugel (r = 1) ausschneidet Einheit von Ω ist Steradiant [sr] Halbraum: ΩHalbraum = 2π*sr gesamter Raum: ΩRaum = 4π*sr 12

13 Grundlagen der Radiometrie Strahlungsfluß Φ definiert als sich durch einen Flächenquerschnitt F in einen Raumwinkel Ω fortpflanzende (abgestrahlte) Strahlungsleistung einer Quelle. Φ = Leistung [W] = Energie/Zeit integrale Größe für konkrete endliche Fläche und konkreten endlichen Raumwinkel angegeben Grundlage für die Definition von Dichtegrößen 13

14 Grundlagen der Radiometrie Strahlungsflußdichten (Intensitäten) Betrachtung über den gesamten Halbraum (Ω = 2π sr) für ein Flächenelement df liefert flächennormierte Strahlungskennzahl Strahlungsfluß dφ fällt aus dem Halbraum auf df => Bestrahlungsstärke E(x, y) wird von df in Halbraum abgestrahlt => spezifische Ausstrahlung M(x, y) 14

15 Grundlagen der Radiometrie Strahlungsflußdichten (Intensitäten) - 2 Betrachtung gesamter Strahlungsfluß in einem Raumwinkel dω (punktförmige Quelle) => Strahlstärke I(θ, φ) θ, φ... ebene Winkel, (z.b. Zenit- und Horizontalwinkel), beschreiben eine Richtung im Raum 15

16 Grundlagen der Radiometrie Strahlungsflußdichten (Intensitäten) 3 Betrachtung für ein Flächenelement df in einem Raumwinkel dω (Flächennormale n und Raumwinkel bilden den Winkel θ) => Strahldichte L(x, y, θ, φ) 16

17 Grundlagen der Radiometrie Strahlungsfluß zwischen Sender und Empfänger Bei bekannter Strahldichte LS des Senders S läßt sich der (differentielle) Strahlungsfluß zwischen dfs und dfe angeben. Fläche des Senders Φ = Fläche des Empfängers Oberfl. Oberfl. Sender Empfänger 1 L S cos Θ S cos Θ E 2 dfs dfe r 17

18 Grundlagen der Radiometrie LAMBERTscher Strahler Strahlungsfluß d²φ ist i. a. richtungsabhängig (linke Graphik) für einen LAMBERTschen Strahler gilt hingegen M = L cos θ dω = πl => spezifische Ausstrahlung eines LAMBERTschen Strahlers ist richtungsunabhängig (rechte Graphik) 18

19 Grundlagen der Radiometrie spektrale radiometrische Größen Da die Eigenschaften von Strahlung abhängig vom betrachteten Wellenlängenbereich sind, werden die Strahlungsflußdichten E, M, I und L als spektrale Größen definiert. Φ λ = dφ [W * m -1 ] oder [W * μm -1 ] oder [W * nm -1 ] dλ de d 2Φ Eλ = = [W * m -3 ] oder [W * m -2μm -1 ] dλ df * dλ dm d 2Φ Mλ = = [W * m -3 ] oder [W * m -2μm -1 ] dλ df * dλ di d 2Φ Iλ = = [W * sr -1m -1 ] oder [W * sr -1μm -1 ] usw. dλ dω * dλ dl d 3Φ Lλ = = dλ cos Θ * df * dω * dλ [W * m -3sr -1 ] oder [W * m -2sr -1μm -1 ] usw. 19

20 Strahlung und Materie Welchen Wechselwirkungen mit Materie unterliegt elektromagnetische Strahlung? Refraktion Transmission Absorption Reflexion Streuung 20

21 Strahlung und Materie Refraktion Die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung in einem Medium ist abhängig von seinem Brechungsindex. Refraktion bezeichnet die Änderung der Ausbreitungsrichtung von Strahlung infolge variierendem Brechungsindex. n= c v v = Geschwindigkeit in Materie n = Brechungsindex = εr ε r = Dielektrizitätskonstante, die stark von den Materialeigenschaften und der Wellenlänge abhängt c = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 21

22 Strahlung und Materie Transmission, Reflexion, Streuung und Absorption Transmission Medium 2 θ1 Absorption θ1 > θ2 θ2 Medium 2 θ1 Reflexion θ1 θ2 Streuung θ1 = θ2 Medium 2 Medium 2 22

23 Strahlung und Materie Medium 2 θ1 θ1> θ2 θ2 θ1 Transmission beschreibt den Durchgang von elektromagnetischer Strahlung durch Materie. Insbesondere bleibt die Frequenz der Strahlung unverändert. Kommt als Wechselwirkung i. a. nur kombiniert mit anderen Formen in Betracht. (Strahlung unterliegt beim Durchgang durch die Atmosphäre z.b. auch der Refraktion.) 23

24 Strahlung und Materie Emission Medium 2 Emission Absorption Aufnahme elektromagnetischer Strahlung durch Materie => Umwandlung in Wärmeenergie bei Ausbreitung entlang der x-richtung gilt für die Änderung des Strahlungsflusses infolge Absorption: dφ = µ * Φ ( x ) dx µ x... Absorptionskoeffizient [µ] = m-1... Weglänge [x] = m Der Strahlungsfluß Φ(x) wird durch das LAMBERT-BEER Gesetz x beschrieben: Φ ( x) = Φ ( 0) e µ ( x ) dx 0 24

25 Strahlung und Materie Reflexion Geometrie der bidirektionalen Reflexion θ1 θ2 θ 1= θ 2 Medium 2 BRDF(Θ,Φ;Θ,Φ ) für Einstrahlung Θ = 45, Φ = 0 BRDF(Θ,Φ;Θ,Φ ) = dl (Θ,Φ )/de(θ,φ) BRDF [sr ] -1 BRDF(Θ,Φ;Θ,Φ ) für diffuse Einstrahlung BRDF (bidirectional reflectance distribution function) 25

26 Strahlung und Materie Formen der Reflexion Wo wird reflektiert? Oberflächenreflexion: an der Grenzfläche zweier Medien Volumenreflexion: durch Rückstreuung an Diskontinuitäten innerhalb eines Mediums Wie wird reflektiert? gerichtete Reflexion diffuse Reflexion Volumenreflexion stets diffus Oberflächenreflexion an rauhen Grenzflächen diffus, an glatten Grenzflächen gerichtet 26

27 Strahlung und Materie Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit Rayleigh-Kriterium eine Oberfläche ist für Strahlung der Wellenlänge, die unter dem Winkel einfällt, glatt, wenn gilt h< λ 8 cos Θ mit h... Standardabweichung der Oberflächenunebenheiten für sichtbares Licht kann von allen natürlichen Geländeoberflächen nur eine ruhige Wasseroberfläche als glatt bezeichnet werden 27

28 Reflexion an der Erdoberfläche Data from the Canadian RADARSAT satellite. Black areas indicate the location of the slick on November 18. Oil slicks are visible from RADARSAT because the oil smooths the ocean surface. The surface of clean water is rough, so some of the radar waves are scattered back towards the instrument. Therefore, clean water appears bright. The Spanish coast is shown in true-colour mode by integration of Landsat data. Oil Slick Along the Spanish Coast (November 2002) Beispiel : aktiver Mikrowellensensor mit = 10 cm, = 60 daraus folgt h < 10/(8*0.5) = 2.5 cm Ableiten der Wellenstruktur von Wasseroberflächen: Wasser mit Wellen > ± 2.5 cm erscheinen grau bzw. weiß Ölteppich schwarz, da gerichtete Reflexion die Strahlung vom Sensor weg reflektiert 28

29 Strahlung und Materie Streuung Medium 2 tritt auf in transparenten Festkörpern mit Diskontinuitäten auf atomarer / molekularer Ebene (diese müssen abweichenden Brechungsindex aufweisen) transparenten Flüssigkeiten mit Schwebstoffen Gasen Bedingung ist die unregelmäßige Anordnung der streuenden Teilchen Strahlung wird aus der ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Die Wellenlänge bzw. Frequenz der Strahlung wird durch die Streuung nicht beeinflußt. Es existiert eine spezifische Richtungsverteilung der gestreuten Strahlung für jede Form der Streuung. 29

30 Strahlung und Materie Zusammenhang zwischen Transmission, Reflexion und Absorption Trifft elektromagnetische Strahlung auf die Grenzfläche zweier Materialien mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, so wird sie zum Teil zurückgeworfen (reflektiert, gestreut) zum Teil vom Material aufgenommen (absorbiert) zum Teil das Material durchdringen (transmittiert) Für ein Material lassen sich nun folgende spektrale Größen definieren: Reflexionsgrad r reflektierte / einfallende Strahlungsmenge Absorptionsgrad a absorbierte / einfallende Strahlungsmenge Transmissionsgrad t transmittierte / einfallende Strahlungsmenge es gilt: ρ(λ) + α(λ) + τ(λ) = 1 30