Methoden der Fernerkundung

Transkript

1 Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Spektrale Eigenschaften natürlicher Oberflächen Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

2 Spektrale Eigenschaften von Oberflächen Blue (Quelle: Richards 1998) 4 7 (Quelle: verändert nach Campbell 1996)

3 Spektrale Eigenschaften von Vegetation Pigmente Zellstruktur, Wasser Wassergehalt, Biochemie Carotenoide Chlorophyll Carotenoide Wasser Wasser Lignin Wasser Protein, Zellulose

4 Spektrale Eigenschaften von Vegetation Reflexion im VIS: Absorption und Reflexion an grünen Blättern (Quelle: verändert nach Colwell 1963) Absorption von Chlorophyll a und a in grünen Blättern (Quelle: verändert nach Strasburger 1993)

5 Spektrale Eigenschaften von Vegetation Reflexion im NIR: Absorption und Reflexion an grünen Blättern (Quelle: verändert nach Colwell 1963) Multiple Reflexion innerhalb eines Pflanzenbestandes (Quelle: Jensen 2008)

6 Spektrale Eigenschaften von Vegetation Beeinflussung der Reflexion durch: 1. Phänologischer Zustand 2. Bestandsdichte 3. Artenzusammensetzung 4. Wassergehalt 5. Flächige Pflanzenschäden

7 Spektrale Eigenschaften von Vegetation 1. Beeinflussung der Reflexion durch den phänologischen Zustand (nach: Gates 1970)

8 Spektrale Eigenschaften von Vegetation 1. Beeinflussung der Reflexion durch den phänologischen Zustand Blätter des Amerikanischen Amberbaumes (Quelle: Jensen 2008)

9 Spektrale Eigenschaften von Vegetation 2. Beeinflussung der Reflexion durch die Bestandesdichte Ausprägung des green peaks Anstieg des NIR- Plateaus Ausprägung der H 2 O Absorptionen im MIR (Quelle: NASA RS Tutorial 2008)

10 Spektrale Eigenschaften von Vegetation (Quelle: Lush dense sparse bare soil

11 Spektrale Eigenschaften von Vegetation 3. Beeinflussung der Reflexion durch die beobachteten Arten: Blattart bestimmt Chl-Gehalte Blattstruktur bestimmt Reflexionsniveau im NIR (Quelle: Gausman 1970)

12 Spektrale Eigenschaften von Vegetation 4. Beeinflussung der Reflexion durch den Wassergehalt Gesund (grün) Einsetzender Wasserstress Tot

13 Spektrale Eigenschaften von Vegetation 5. Beeinflussung der Reflexion durch Pflanzenschäden Zunahme der Reflexion aufgrund abnehmender Chl-Absorption Abnahme der NIR Reflexion durch Abbau der gesunden Zellstruktur Zunahme der MIR Reflexion durch abnehmende Wasserabsorption (Quelle: NASA RS Tutorial 2008)

14 Spektrale Eigenschaften von Böden Boden besteht aus Mineralen, organischer Substanz, Wasser und Luft Keine Transmission, Strahlung wird absorbiert bzw. reflektiert/gestreut Reflektierte Strahlung hängt von den obersten cm des Bodens ab

15 Spektrale Eigenschaften von Böden Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch: 1. Gesteinsuntergrund 2. Absorptionsbande von Mineralen 3. Korngrößen 4. Wassergehalt 5. Organische Substanz

16 Spektrale Eigenschaften von Böden 1. Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch den Gesteinsuntergrund (v.a. bei grobkörnigem, steinigem, trockenem Boden ohne organ. Substanz) Boden auf Serpentin Kiesiger Boden Sandstein

17 (Quelle: Elachi & Zyl 2006) Spektrale Eigenschaften von Böden 2. Absorptionen von Mineralen

18 Spektrale Eigenschaften von Böden 2. Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch Absorptionen bestimmter Minerale (z.b. Fe, Al-OH) Spektrale Reflexion von Böden unterschiedlicher Mineralgehalte Quelle: Bach 1995)

19 Spektrale Eigenschaften von Böden 3. Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch Körnung Abnahme der Reflexion mit zunehmender Korngröße (Quelle: NASA RS Tutorial 2008)

20 Spektrale Eigenschaften von Böden 4. Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch den Wassergehalt Reflexionsniveau im VIS wird mit zunehmendem Wassergehalt niedriger Wasserabsorptionen werden tiefer Reflexionsniveau im IR wird gedämpft 0 Vol % 10 Vol % 20 Vol % 30 Vol % 40 Vol % 60 Vol % (Abbildung verändert nach Stephens et.al.: Remote Sensing Organic Carbon in Soil extnasa.usu.edu/link_pages/projects_rsc.html )

21 Spektrale Eigenschaften von Böden 4. Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch den Wassergehalt Abdunkeln eines nassen Bodens durch interne Totalreflexion (Quelle: Bach 1995) Trockene Oberflächen reflektieren EMS an der rauen Oberfläche diffus, Absorption Wasserschicht auf der Oberfläche Teilweise Totalreflexion der EMS an der Grenzschicht Wasser-Luft Mehrfacher Kontakt der EMS mit der Oberfläche führt zu Mehrfachreflexion und absorption Abdunkelung Feuchte (links) und trockene (rechts) Sandböden

22 Spektrale Eigenschaften von Böden 5. Reflexionseigenschaften von Böden bestimmt durch den Gehalt an organischer Substanz (Quelle: INRA 2008)

23 Spektrale Eigenschaften von Böden Zusammenfassung Beeinflussung der Reflexion durch: hoch Wassergehalt (je mehr, umso weniger R.) Anteil organischen Materials (je mehr, umso weniger R.) Partikelgröße (je gröber, umso weniger R.) niedrig Eisenoxidgehalt (je mehr, umso weniger R.)

24 Spektrale Eigenschaften von Wasser (Quelle: NASA 2009)

25 Spektrale Eigenschaften von Wasser Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch: 1. Eindringtiefe der EMS 2. Schwebstoffe (organisch und anorganisch) 3. Beleuchtungsrichtung 4. Gewässeruntergrund 5. Aggregatszustand Schematische Strahlungsverhältnisse an Wasserflächen (Quelle: Albertz 1991)

26 Spektrale Eigenschaften von Wasser 1. Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch die Eindringtiefe der EMS > 90 % der EMS wird absorbiert und in Wärme umgewandelt 3-10% werden direkt reflektiert (überwiegend im VIS) < 10 % transmittiert und von Wasser, Schwebstoffen und evtl. vom Boden reflektiert

27 Spektrale Eigenschaften von Wasser 1. Eindringtiefe bei unterschiedlichen Kanälen SPOT Aufnahme vom Palancar Riff vor der Küste Mexikos Cozumel Island Palancar Reef Caribbean Sea SPOT Band 1 ( µm) SPOT Band 2 ( µm) SPOT Band 3 ( µm)

28 Spektrale Eigenschaften von Wasser 1. Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch die Eindringtiefe: Großteil der EMS wird im NIR in den obersten 20 cm absorbiert relatives Energiemaximum bei 0.5 µm in 2 m Tiefe dringt keine Strahlung > 0,8 µm ein 20 m Tiefe wird fast nur von den blauen und grünen Wellenlänge erreicht Unterscheidung von Land und Wasser im NIR (Quelle: Campbell 1996 nach Moore 1978)

29 Spektrale Eigenschaften von Wasser Reflexion [%] 2. Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch organische und anorganische Schwebstoffe Klares Wasser Sandiges Wasser Wasser + Phytoplankton Wellenlänge [nm] Reflexionsgrad des Wassers bei unterschiedlichem anorganischen Schwebstoffgehalt (Campbell 1996)

30 Spektrale Eigenschaften von Wasser Landsat TM vom , Ammerdelta (Ammersee), links BGR = 1, 2, 3, rechts: BGR = 2, 3, 4 Flachwasserzonen im Uferbereich in kurzen Wellenlängen sichtbar Trübe (Sedimenteintrag) + Phytoplankton im Bereich des Ammerdeltas in kurzen Wellenlängen sichtbar Flussläufe (v.a Ammer-Kanal) im NIR besser sichtbar

31 Spektrale Eigenschaften von Wasser 3. Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch die Beleuchtungsrichtung: Wasseroberfläche ist für Wellenlängen im VIS glatt Hoher Anteil an spiegelnder Reflexion Sun glint -Effekt, wenn spiegelnde Reflexion zum Sensor Terra MODIS Bild, Sulu Sea nördl. von Malaysia, 9. Juli 2004, bgr

32 Spektrale Eigenschaften von Wasser 4. Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch den Gewässeruntergrund HyMap Daten (April 2004) von Rottnest Island (AUS) (Quelle: Harvey et al, 2007; Heege et al 2007)

33 Spektrale Eigenschaften von Wasser 5. Reflexionseigenschaften von Wasser bestimmt durch den Aggregatszustand Flüssig Schnee (Kristallstruktur mit vielen Lufteinschlüssen) Eis (kompakte Kristallstruktur) Wolke (gasförmig und flüssig)