Grundlagen Fernerkundung - 1

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1 Grundlagen Fernerkundung - 1 GEO123.1, FS Mathias Kneubühler Alaska Dust (MODIS)

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3 Zielsetzung Grundlagen Fernerkundung Grundlegende Kenntnisse der Fernerkundung vermitteln Querverbindungen zu anderen Disziplinen und Fachbereichen aufzeigen Begeisterung wecken für ein faszinierendes Forschungs- und Anwendungs- Thema Perspektiven vermitteln Kenntnisse konsolidieren in Hinblick auf die schriftliche Prüfung am KW23/2014 ( ; 10:00) insgesamt 1 Std. (Gewichtung Grundlagen FE/GZGI = 50/50%, d.h. je 30 Min.) Alle anderen Kohorten (ETH, Nebenfachstudierende, etc.) erhalten eine angepasste Prüfung (d.h. immer 1 Stunde)

4 Global Forest Cover (from MODIS data) Robert Simmon, based on data from the MODIS Land Cover Group, Boston University.

5 Definition der Fernerkundung Die Fernerkundung ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder anderer nicht direkt zugänglicher Objekte durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-)Felder. Als Informationsträger dient dabei die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung. [DIN 18716/3] & wiki

6 Definition der Fernerkundung Im Gegensatz zu anderen Erfassungsmethoden, die den direkten Zugang zum Objekt erfordern, versteht man unter Fernerkundung die berührungsfreie Erkundung der Erdoberfläche einschließlich der Erdatmosphäre. Eine berührungsfreie Beobachtung wird zum Beispiel durch flugzeuggetragene oder satellitengetragene Sensoren ermöglicht (d.h. Fernerkundungssensoren wie Kameras und Scanner). Vereinzelt kommen aber auch Drohnen und Ballons als Plattform zum Einsatz. Der Fernerkundung zugeordnet sind Photogrammetrie und Satellitengeodäsie. Dagegen sind Planetologie und Astronomie nicht der Fernerkundung zugeordnet, obwohl auch hier Fernerkundungssensoren zum Einsatz kommen. Definition der Fernerkundung Bei der Fernerkundung finden passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können. Passive Systeme zeichnen die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung auf (zum Beispiel Multispektralscanner) sowie die von der Erdoberfläche emittierte Eigenstrahlung (zum Beispiel Thermalbildkamera). Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflektierte Anteile (zum Beispiel Radarsysteme und Laseraltimeter). Fernerkundungsdaten sind insbesondere in den Geowissenschaften/ Geographie von großer Bedeutung, da eine globale Beobachtung der Erdoberfläche/Atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung nur mit Hilfe von Fernerkundungssensoren möglich ist. Neben dem synoptischen Überblick über große Räume ermöglichen satellitengestützte Fernerkundungssensoren zudem eine wiederholte (zum Teil tägliche) Abdeckung ein und desselben Gebietes.

7 weitere Definitionen... In remote sensing it is sought to image or locate, to characterize, and to identify objects versus a certain background, and eventually to measure quantitatively their reflected or emitted radiant energy. The term remote sensing is broadly defined as measuring the properties of objects without direct contact between measuring device and object. Remote sensing is the small or large-scale acquisition of information of an object or phenomenon, by the use of either recording or real-time sensing device(s) that are wireless, or not in physical or intimate contact with the object (such as by way of aircraft, spacecraft, satellite, buoy, or ship). In practice, remote sensing is the stand-off collection through the use of a variety of devices for gathering information on a given object or area. Systematik in der Fernerkundung Systematisch dient uns die Fernerkundung in einem 5-stufigen Prozess: Entdecken, reconnaissance Abbilden/Kartieren, mapping Inventarisieren, inventorying Überwachen, monitoring Vorhersagen, forecasting

8 Literatur & Unterlagen geo-1231-grundlagen-fernerkundung/ Literatur Grundlagenliteratur Lillesand, T.M., Kiefer, R.W. and Chipman, J.W. (2008). Remote Sensing and Image Interpretation. 6. Auflage, pp. 768; ISBN-10: ; ISBN-13: John Wiley & Sons.

9 Vorlesung GEO Grundlagen Fernerkundung Literatur Weiterführende Literatur Warner, T.A., Wellis, M.D., and Foody, G.M. (2009). The SAGE Handbook of Remote Sensing. SAGE Liang, S. (2004). Quantitative Remote Sensing of Land Surfaces. John Wiley and Sons, Inc., 534 pages. Ustin, S. (2004). Manual of Remote Sensing. Wiley-VCH, 768 pages.

10 Literatur Oft empfohlen wurde auch Albertz, J. (2009). Einführung in die Fernerkundung. WBG. 254 p. Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 4 TM 5. Februar 1987

11 Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 5 TM 24. Februar 1991 Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 5 TM 12. März 2000

12 Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 7 ETM+ 17. Januar 2012 Aral See

13 30. Juli 2000 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung 11. August 2001 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung

14 11. Juli 2002 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung 21. Juli 2003 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung

15 01. August 2004 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung 10. Juli 2005 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung

16 17. Juli 2006 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung 12. August 2007 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung

17 29. Juli 2008 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung 21. August 2009 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung

18 02. August 2010 Rondonia West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung Landsat 5 TM Honduras / Nicaragua 19. Januar

19 Landsat 5 TM Honduras / Nicaragua 23. Januar Landsat 5 TM Honduras / Nicaragua 08. Januar

20 15. Juli 1966, Gambit Satellit 8. Juli 2009, GeoEye-1 Sibirische Tundra, Jenissei v Konzepte in der Fernerkundung Lillesand et al. (2008). Concepts and Foundations of Remote Sensing. Chapter 1 (p. 1-60)

21 Strahlungspfade der Fernerkundung Prozessierungskette der Fernerkundung

22 Produktekette in der Fernerkundung From Measurements to Products Instruments Spectral Spatial Angular Polarization Temporal Pre- Processing Calibration Atmospheric compensation Standardization Albedo Analysis Combinations of inverted canopy/ leaf reflectance models Feature Fitting Optimized vegetation indices ArtiFicial neural networks Spectral matching Variables Leaf Area Index Leaf Chlorophyll content Leaf or canopy water content Bio- indicators Canopy chemistry Pigment ratio Fractional cover fapar Biomass Products Plant functional traits Snow cover Gross primary production Yield forecast Phenology Nitrogen deficiency Challenges Instruments Increased accuracy through advancements in technology. Pre- Processing Increased accuracy through advancements in terminology, standardization, calibration, physical models. Analysis Increased accuracy through remote sensing science innovations (e.g., models, computational efforts, etc.). Variables Currently the greatest challenge Increased accuracy through improved models (empirical, physical), use of expert systems, and sum of instrumented efforts. Products Increased accuracy through Earth Observation science innovation. Increased awareness and through multidisciplinary cooperation and international programs. Energy sources and radiation principles Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Dazu gehören Radiowellen, Licht und Gammastrahlung. Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie hängt von ihrer Frequenz ab, die über viele Größenordnungen variieren kann. c = νλ wobei c = Lichtgeschwindigkeit (3x10 8 m/s), ν = Frequenz, λ = Wellenlänge Page 44

23 Das elektromagnetische Spektrum Page 45 Wellenlängenbenennung / Bereiche (generell) < 0.3 µm Ultraviolet / UV 0.4 µm 0.5 µm blue / VIS 0.5 µm 0.6 µm green / VIS 0.6 µm 0.7 µm red / VIS 0.7 µm 1.3 µm near IR / NIR 1.3. µm 3 µm shortwave IR / SWIR 3 µm 14 µm thermal IR / TIR 1 mm 1 m microwave Page 46

24 Radiated Energy from Blackbodies Page 47 Eigenschaften elektromagnetischer Wellen Physikalisch betrachtet handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Hierbei stehen elektrisches und magnetisches Feld bei linear polarisierten Wellen senkrecht aufeinander und haben ein festes Größenverhältnis. Erscheinungen wie Kohärenz und Interferenz lassen sich nur mit dem Wellenmodell erklären, weil die Mindestabmessungen der entsprechenden Versuche deutlich größer sind als die Wellenlänge des Lichts. Für bestimmte Eigenschaften elektromagnetischer Wellen (z. B. Photoelektrischer Effekt), genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten des elektromagnetischen Feldes, in den Vordergrund. Die Erzeugung von Laserlicht beruht auf den Eigenschaften einzelner Atome, die jeweils erheblich kleiner sind als die erzeugte Wellenlänge. Deshalb muss man für die Erklärung der Herstellung auf das Photonenmodell zurückgreifen Page 48

25 Plancksches Wirkungsquantum Das plancksche Wirkungsquantum h ist eine fundamentale Naturkonstante der Quantenphysik. Es tritt bei der Beschreibung von Quantenphänomenen auf, bei denen physikalische Eigenschaften nicht jeden beliebigen kontinuierlichen Wert, sondern nur bestimmte diskrete Werte annehmen können. Das plancksche Wirkungsquantum verknüpft Teilchen- und Welleneigenschaften, es ist das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons oder eines Teilchens. Das plancksche Wirkungsquantum h hat die Dimension von Energie mal Zeit, welche Wirkung genannt wird. Der Wert beträgt h = 6.626x10-34 Js. Elektromagnetische Strahlung besteht mit einer Frequenz ν aus teilchenartigen Objekten, wobei jedes dieser Energiequanten eine Energie E = hv besitzt Page 49 Das elektromagnetische Spektrum

26 Räumliche, spektrale und zeitliche Auflösung Zeitliche Au5lösung

27 Räumliche und zeitliche Auflösung Räumliche Auflösung

28 Räumliche Auflösung Pixel size (m) Spatial resolution Example satellite-borne sensors <1 Very Fine WorldView 1-10 Fine IKONOS Moderate ASTER, AWIFS, ETM+, MSS, SPOT Coarse MODIS, MERIS >1000 Very Coarse AVHRR, GOES, METEOSAT Räumliche Auflösung - Bildszenen

29 Spektrale Auflösung Solarkonstante W/m 2 Spektralbereiche und Systeme Überblick über Fernerkundungssensoren und Systeme System Spektralbereich Photographische Kameras UV NIR Solid State Kameras VIS IR Multispektralscanner UV IR Abbildende Spektrometer VIS IR Radiometer UV MW Radar, SAR MW Lidar VIS NIR Sonar Audiowellen

30 Spektrale Auflösung Full width half maximum sensor spectral bands Sensor Blue (nm) Green (nm) Red (nm) NIR (nm) SWIR-1 (nm) SWIR-2 (nm) NDVI QuickBird IKONOS ASTER LANDSAT LANDSAT IRS SPOT MODIS VIIRS AVHRR AVHRR MERIS

31 Thank you for your attention!