AVIS The Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer

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Harry Brandt
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Spektrometer 1 AVIS wurde am Lehrstuhl für Fernerkundung, Department für

1 Ground Truth Center Oberbayern AVIS The Airborne Visible and Infrared Imaging Spectrometer AVIS ist ein flugzeuggetragenes Abbildendes Spektrometer 1 AVIS wurde am Lehrstuhl für Fernerkundung, Department für Geound Umweltwissenschaften der LMU München entwickelt. gtco info@gtco.de No. 1

2 AVIS Daten Abbildende Spektrometer, die hyperspektral messen, können mehr als herkömmliche Flugzeugsensoren und Satelliten. Hyperspektrale Daten waren bislang schwer zugänglich und teuer. Mit dem Sensor AVIS wird hohe Qualität zu einem günstigen Preis angeboten. Echtfarben Diese Echtfarbendarstellung ist wie ein Farbfoto eingefärbt: Wald erscheint dunkelgrün Vegetation in verschiedenen Grüntönen vegetationsfreier Boden in verschiedenen Brauntönen NIR Die Falschfarben-Infrarot-Darstellung entspricht einem NIR-Luftbild: 2 Grüne Vegetation erscheint in verschiedenen Rottönen unbewachsener Boden wird grünlich wiedergegeben Intensität der Rotfärbung ist ein eindeutiges Kennzeichen für die Vitalität des Bestandes Strukturen in den Feldern kommen deutlich heraus herkömmliche Luftbildbefliegung 2001 gtco info@gtco.de No. 2

Echtfarben Diese Echtfarbendarstellung ist wie ein Farbfoto eingefärbt: Wald erscheint dunkelgrün Vegetation in verschiedenen Grüntönen vegetationsfreier Boden in verschiedenen Brauntönen NIR Die

3 Abbildendes Spektrometer AVIS Digitale Fernerkundung auf der Grundlage hyperspektraler Sensoren liefert mit Hilfe hochentwickelter Auswertungsmethoden wichtige Informationen für viele Fragestellungen. Pflanzenwachstumsdynamik und Vitalität landwirtschaftlicher Bestände Ernteertragsermittlung mit multitemporalen Auswertungen Berechnung des Chlorophyll und Stickstoffgehalts von Pflanzenbeständen Erkennung von kleinräumigen Variationen innerhalb eines Feldes Untersuchungen über die Heterogenität von Ökosystemen Monitoring von Seen (z.b. Makrophytenklassifikation) Erkennung von Hagel- und Sturmschäden in der Landwirtschaft Detektion von Pflanzenschädigungen Landnutzungsklassifikation Technische Details des Sensors: Anzahl der spektralen Kanäle: 64 nominal, 128 max. Spektrale Abdeckung: nm Spektrale Auflösung: 8 nm Räumliche Auflösung: 2 10 m Hochgenaue geographische Lageinformation der Daten (integriertes GPS und INS) 3 gtco info@gtco.de No. 3

Erkennung von kleinräumigen Variationen innerhalb

4 Abbildendes Spektrometer AVIS Vergleich der Spektralanalyse hyperspektraler Sensoren (z.b. AVIS) mit multispektralen Sensoren (z.b. Landsat TM) Das von der Landoberfläche reflektierte Sonnenlicht ermöglicht Rückschlüsse auf viele Eigenschaften der Pflanzenbestände. Mit optischen Sensoren wird diese Reflexion gemessen. Die Aussagekraft der Informationen steigt mit der Qualität der Sensoren. Durch den Einsatz hyperspektraler Sensoren in der Abbildenden Spektrometrie werden wesentlich bessere Informationen der spektralen Eigenschaften gewonnen als das mit multispektralen Sensoren möglich ist. Die Grundidee ist es, auf dem Feld ohne physikalischen Kontakt Pflanzeninhaltsstoffe quantitativ und nachvollziehbar zu bestimmen. Mit Parametern, die so abgeleitet werden können, ergeben sich neue Entscheidungsgrundlagen für die Bereiche Land- und Wasserwirtschaft sowie Umweltmonitoring und Katastrophenmanagement. AVIS 64 Messwerte (ein Wert repräsentiert einen Wellenlängenbereich von 8 nm Breite) Reflexion (%) Landsat TM 4 Messwerte (ein Wert repräsentiert einen Wellenlängenbereich mit 60 bis 140 nm Breite) Vorteile AVIS: Wellenlänge (nm) 4 Komplette Abdeckung des gesamten Wellenlängenbereich zwischen 400 und 875 nm durch 64 spektrale Kanäle mit einer spektralen Auflösung von 8 nm. gtco info@gtco.de No. 4

Durch den Einsatz hyperspektraler Sensoren in der Abbildenden Spektrometrie werden wesentlich bessere Informationen der spektralen Eigenschaften gewonnen als das mit multispektralen Sensoren möglich

5 Spektrale Sensitivität AVIS-Daten haben durch eine 14-bit-Technologie eine sehr hohe spektrale Sensitivität. Jeder einzelne Kanal kann über Intensitätsunterschiede (Grauwerte) erfassen (Landsat: 8-bit- Technologie: entspricht 256 Intensitätsunterschiede). Auf Grund dieser hohen radiometrischen Auflösung, die weit über die Fähigkeit konventioneller Satellitensensoren und auch des menschlichen Auges hinausgeht, sind kleine Unterschiede innerhalb scheinbar homogener Flächen erkennbar. diese Darstellung entspricht einer 8-bit Auflösung Auswertung der Zuckerrübenfelder mit AVIS nach Nutzung der 14-bit Datentiefe 5 gtco info@gtco.de No. 5

Auf Grund dieser hohen radiometrischen Auflösung, die weit über die Fähigkeit konventioneller Satellitensensoren und auch des menschlichen Auges hinausgeht, sind

6 Durch digitale Bildverarbeitung können aus den hyperspektralen Daten des AVIS auch unter wechselnden Lichtverhältnissen (Wolkenschatten) Informationen z.b. über die Bestandesentwicklung gezogen werden. Es ergeben sich erhebliche Vorteile, da sich die Anzahl der potentiellen Flugtage erhöht, die Koordination sowie Durchführung von Flugkampagnen leichter wird und flächendeckende Auswertungen auch bei leichter Bewölkung möglich sind. Falschfarben-Infrarot Spektrale Sensitivität unter Wolken Nur Infrarot Hyperspektraler Index (schwarz/weiß-darstellung) Wolkenschatten Selbst im Wolkenschatten sind Details erkennbar. 6 gtco info@gtco.de No. 6

flächendeckende Auswertungen auch bei leichter Bewölkung möglich sind.

7 AVIS Geometrische Korrektur Orginal aufgezeichnete AVIS-Aufnahme Geometrische Korrektur (durch GPS- und INS-Aufzeichnungen werden AVIS Daten automatisch georeferenziert). Ausschnitt der geometrisch entzerrten AVIS-Aufnahme unterlegt mit einer schwarzweiß IKONOS-Szene (1m räumliche Auflösung). 7 gtco info@gtco.de No. 7

8 Atmosphärenkorrektur Zur Ermittlung von Informationen der Landoberfläche müssen Störeinflüsse der Atmosphäre (z.b. Sauerstoff und Wasserdampf in der Luft) durch eine Atmosphärenkorrektur herausgerechnet werden. AVIS Rohdaten Zuckerrübe Kartoffeln Mais Karotten Erdbeeren Boden Sauerstoff Kanal Nr. Atmosphärenkorrigierte AVIS-Daten Reflexion (%) Wellenlänge [nm] gtco info@gtco.de No. 8

Sauerstoff und Wasserdampf in der Luft) durch eine Atmosphärenkorrektur herausgerechnet werden.

9 Hyperspektraler Index CAI Von Bild zur Information In Berechnungsmodellen werden aus Fernerkundungsdaten Indices ermittelt, die z.b. Rückschlüsse auf wichtige Pflanzenparameter zulassen. CAI (Chlorophyll-Absorptions-Integral) ist ein hyperspektraler Index zur quantitativen Bestimmung von Pflanzenparametern. 50 Reflexion [%] Chlorophyll- Absorptions- Integral Wiese gemäht Wiese CAI Wellenlänge [µm] (Mauser, 2001) Der CAI kann nur mit Abbildenden Spektrometern bestimmt werden und ist sensitiver als übliche Indizes. 9 gtco info@gtco.de No. 9

CAI (Chlorophyll-Absorptions-Integral) ist ein hyperspektraler Index zur quantitativen Bestimmung von Pflanzenparametern.

10 Hyperspektraler Index CAI Der CAI korreliert mit dem Chlorophyll- und Stickstoffgehalt von Pflanzenbeständen (Dissertation N. Oppelt; 2002). niedrig hoch Originalbild CAI (schwarz/weiß-darstellung) CAI (farbliche Darstellung) 2jährige Versuchsreihe an Mais ( ) Die roten Linien sind die Regressionsbänder, welche das 95%-ige Prognoseintervall angeben. (Oppelt, 2002) 10 gtco No. 10

niedrig hoch Originalbild CAI (schwarz/weiß-darstellung) CAI (farbliche Darstellung) 2jährige

11 Hyperspektraler Index Red-Edge 700 nm 730 nm Red-Edge ist ein Maß für die Vitalität grüner Pflanzen (Pflanzenwachstum, Biomasse). wird durch den maximalen Punkt des Anstiegs der Reflexion von Vegetation im Nahen Infrarot bestimmt. Biomasse von Mais [kg/m²] R² = 0.98 Y = 12.6 * X Wellenlänge Wllenlänge des des red-edge edge [nm] [nm] gtco info@gtco.de No. 11

wird durch den maximalen Punkt des Anstiegs der Reflexion von Vegetation im Nahen Infrarot bestimmt.

12 Unser Angebot Durchführung individueller Befliegungen Georeferenzierte, atmosphärenkorrigierte Daten mit bis zu 128 Spektralkanälen Ableitung von Landoberflächenparametern Durchführung von Pilotstudien zur Entwicklung neuer Verfahren Datenauslieferung in allen gängigen Formaten Kontakt Ground Truth Center Oberbayern (GTCO) Universität München Luisenstr.37, D Munich, Germany web: In Zusammenarbeit mit Vista Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH web: 12 gtco No. 12

Ground Truth Center Oberbayern (GTCO) Universität München Luisenstr.37, D-80333 Munich, Germany e-mail: info@gtco.

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