Methoden der Fernerkundung
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- Pia Roth
- vor 6 Jahren
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1 Vorlesung für geographischen Studiengänge Modul MNF-Geogr. 14 Aktive Aufnahmesysteme Prof. N. Oppelt WS 2009/10 Prof. Dr. Natascha Oppelt Arbeitsgruppe Fernerkundung & Umweltmodellierung Geographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
2 Aktive Aufnahmesysteme Aktive Systeme erzeugen elektromagnetische Strahlung, die 1. Von einem Sensor zur Erdoberfläche (von der Atmosphäre weitgehend unbeeinflusst) transmittiert wird, 2. dort mit der Erdoberfläche interagiert und einen Teil der EMS streut; 3. der gestreute Anteil der EMS wird vom Sensor empfangen. Keine Abhängigkeit von natürlichen Strahlungsquellen (Sonne, Erde)
3 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR - Funktionsweise - Bildgeometrie - Bildradiometrie 2. Weitere aktive Systeme - Lidar - Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)
4 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR (RAdio Detection And Ranging) Funktionsweise Basiert auf der Transmission von Mikrowellen (1 100cm) RADAR Bildgebende Verfahren (aus empfangener EMS kann Bild berechnet werden) z.b. - Wetterradar - SAR, SLAR Nicht-bildgebende Verfahren (Messergebnis als reiner Zahlenwert) z.b. - Radar-Altimeter - Geschwindigkeitsmesser
5 Radar - Funktionsweise Verwendete Kanäle = Bänder Wellenlängen in cm bzw. Frequenzen in GHz Benennung ursprünglich aus WW2 Band P L S C X Ka λ [cm] ν [GHz] Erklärung Previous Long Short Compro mise X marks the Spot Kurz Nutzung Vegetation, Gletscherund Meereis (Flugzeug) Eis und Schnee, Bodenfeuchte, Ozeanographie, Geologie, Landnutzung (Satellit, Flugzeug) NS, Flughafenüberwachung Eis- und Schnee, Geländemodelle, Wald, Bewegungen der Erdoberfläche (Satellit, Flugzeug) Interferometrie, Biomassenabschätzung Wald (Flugzeug) Wolken (Flugzeug)
6 Radar - Funktionsweise Ursprüngliche System = (real aperture) Side Looking Airborne Radar (SLAR) (Quelle: Jensen 2008)
7 Radar Nomenklatur Azimuth = Flugrichtung Range = Blickrichtung (near und far) Depression angle [γ] = Depressionswinkel Incidence angle [θ] = Einfallswinkel
8 Radar Funktionsweise (Quelle: Albertz 2001) Zuerst Auftreffen der EMS im near range, zeitlich später im far range Aus räumlichen Nebeneinander wird zeitliches Nacheinander
9 Radar Funktionsweise Auswertung von: Laufzeiten Amplitude des Echos (Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)
10 Was sieht man? Radarecho (Intensität) wiedergegeben in Grautönen Andere steuernde Faktoren als in der Optik (Links: Landsat TM Echtfarbendarstellung Raum Weilheim 8. Juli 1995; Rechts: ERS-1 Szene )
11 Was sieht man? Radargleichung Fundament der RADAR-Fernerkundung P r = P 2 2 t G σ λ 3 4 ( 4π ) r P r P t G r σ Rückgestreute EMS Ausgesandter RADAR-Impuls Antennen-Gain Distanz Sender Target Effektive Rückstreuung Gesuchter Parameter = Effektive Ruckstreuung pro Fläche an der Erdoberfläche a Rückstreukoeffizient σ 0 σ = σ a (radar backscatter coefficient) Zur Antenne zurückgestreute EMS in Prozent
12 Was sieht man? Jet Propulsion Laboratory Parameter, die die Rückstreuung σ steuern: Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge Polarisation Objekteigenschaften: Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)
13 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge C-Band L-Band (Quelle: rsc nasa 2007)
14 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge X-Band SIR C/X-SAR Bildausschnitt aus Brasilien, C-Band L-Band (Quelle: Jensen 2008)
15 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation
16 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation Vergleichbar mit der Verwendung von Polarisationsfiltern in der Fotographie: (Quelle: Jensen 2008)
17 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation Folgende Polarisationen sind möglich: Vertikal polarisierte EMS wird gesendet und empfangen (VV) Horizontal polarisierte EMS wird gesendet und empfangen (HH) Vertikal polarisierte EMS wird gesendet, horizontal polarisierte EMS wird empfangen (VH) = Kreuzpolarisation Horizontal polarisierte EMS wird gesendet, vertikal polarisierte empfangen (HV) = Kreuzpolarisation
18 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Parameter, die die Rückstreuung steuern: Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge Polarisation Objekteigenschaften: Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)
19 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften des Aufnahmesystems: Oberflächenrauigkeit Die Wellenlänge des gesendeten Impulses bestimmt die relative Oberflächenrauigkeit der Zielfläche! Rauigkeit << Wellenlänge Spiegelnde Reflexion Rauigkeit Wellenlänge Diffuse Reflexion (Quelle: Albertz 2001)
20 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit Spiegelnde Reflexion an einer glatten Oberfläche Diffuse Reflexion an einer rauen Oberfläche (Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)
21 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit Modifizierte Rayleigh Kriterien Eine Oberfläche ist glatt, wenn Eine Oberfläche ist rau, wenn λ h < 25 sin γ h > λ 4.4 sin γ h Höhenunterschied [cm] λ Wellenlänge [cm] γ Depression Angle [ ] z.b. bei einem Depressionswinkel von 23 (= rad) X-Band (λ = 2.5 cm) h glatt < 0.26 cm; h rau = 1.45 cm L-Band (λ = 25 cm) h glatt < 2.56 cm; h rau = cm
22 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit z.b. Wellenlänge 3 cm, Depressionswinkel = 45 (Quelle: Jensen 2008)
23 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenstruktur RADAR Streuung ist eine Kombination aus Oberflächen und Volumenstreuung EMS dringt in die Erd- bzw. Vegetationsoberfläche ein Eindringtiefen unterschiedlich (wellenlängenabhängig) Süßwasser: Reines Eis: Meereis: Trockener Boden: Feuchter Boden: Vegetation: 10tel mm einige cm 1m - 100m einige cm - etwa 1m wenige cm - wenige m wenige mm - einige cm bis mehrere m
24 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenstruktur vs Eindringtiefe
25 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenform (Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)
26 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenform RADAR-Impulse beleuchten die Erdoberfläche rechtwinklig zur Flugrichtung Orthogonal zur Flugrichtung verlaufende Objekte werden deutlicher abgebildet als parallel zur Flugrichtung verlaufende a. X - band, HH polarization look direction Linear verlaufende Objekte können in einem RADAR-Bild dunkel erscheinen, in einem anderen (andere Flugrichtung) aber hell abgebildet werden (Quelle: Jensen 2008) b. X - band, HH polarization s look direction
27 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Parameter, die die Rückstreuung steuern: Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge Polarisation Objekteigenschaften: Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)
28 Steuernde Faktoren der Rückstreuung Eigenschaften der Erdoberfläche: Dielektrische Eigenschaften Wichtigster Parameter = Dielektrizitätskonstante ε Grundsatz: Je größer die ε, desto mehr Rückstreuung Trockene, natürliche Materialien (z.b. Boden) ε = 3-8 C-Band SAR Experimental station (Phoenix, AZ) SEASAT Los Angeles FAO USGS Im Bild dunkel Feuchter Boden ε = Wasser ε = 80 aber, Effekt konkurriert mit glatter Oberfläche
29 Aktive Aufnahmesysteme 1. RADAR - Funktionsweise - Bildgeometrie - Bildradiometrie 2. Weitere aktive Systeme - Lidar - Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)
30 Radar Bildgeometrie Geometrische Auflösung im Rohdatenbild (Slant Range Image) Unterschied zwischen Slant Range und Ground Range Distance
31 Radar Bildgeometrie Bei Schrägsicht: Geometrische Auflösung in Senderichtung (Slant Range Resolution SRR) Je länger die Impulsdauer, umso schlechter ist die Slant Range Auflösung
32 Radar Bildgeometrie Geometrische Auflösung im Slant Range Bild Trennung der Objekte A und B nur möglich, wenn die RADAR- Keule vollständig an A vorbei ist, bevor sie Objekt B erreicht SRR möglichst klein
33 Radar Bildgeometrie Umrechnung der Slant Range Geometrie in eine Kartenprojektion Ground Range Geometrie (Ground Range Resolution GRR) SRR² = H ² + GRR² => GRR = SRR² H GRR wird mit wachsender Entfernung vom Sensor besser (aber keine lineare Beziehung)! ² Kein Nadirbild möglich
34 Radar Bildgeometrie Berechnung der GRR
35 Radar Bildgeometrie Berechnung der geometrischen Auflösung in Azimut-Richtung Die Azimuth Auflösung AR abhängig vom Öffnungswinkel des RADAR-Strahls (β) und der Ground Range Distance (GRD) Azimuth-Auflösung ist im Nahbereich besser!
36 Radar Bildgeometrie Wie kann eine möglichst hohe Gesamt-Auflösung erreicht werden? Azimut-Auflösung ist meist limitierend!
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