Satellitenfernerkundung

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1 Satellitenfernerkundung Ein Werkzeug zur Beobachtung von Erde, Landoberflächen, Weltmeeren und der Erdatmosphäre. Quelle:SMD MISSION HANDBOOK der NASA, 2012

2 Inhalt: Zur Problemstellung Fernerkundung aus dem Orbit Grundlagen Komponenten Aufbau Dateninterpretation Zusammenfassung

3 Quelle:R Clement, University of Edinburgh Problemstellung

4 Quelle:R Clement, University of Edinburgh Problemstellung

5 Satelliten & Netzwerk aus Bodenstationen Quelle:R Clement, University of Edinburgh Problemstellung

6 Unterschiede der Messverfahren Satelliten: geringe Auflösung, wenig Details Punktmessungen Hohe Auflösung, geringe Abdeckung. Zusammenarbeit und Modellierung Quelle:R Clement, University of Edinburgh Problemstellung

7 Bevorzugtes Werkzeug der Satellitenfernerkundung ist die optische Spektroskopie. Ozon Problemstellung Quelle:R Clement, University of Edinburgh

8 Die notwendigen Elemente der Satellitenfernerkundung Objekt Der Gegenstand der Untersuchung bestimmt das Meßverfahren z.b. eignet sich für den Ozonnachweis eine optische Spektroskopie (OS) im kurzwelligen Lichtspektrum (UV). Sensor Plattform Der Sensor erfaßt die gewünschte physikalische Information und erzeugt ein verwertbares Signal. Für die OS benötigt man außer dem Sensor (Photodiodenarray) ein optisches System (Lichtstrahlkonditionierung und Wellenlängenselektion) Instrument Information Die Satellitenbahn (Orbit) legt Ort und Zeit der Untersuchung fest. Registrierung, Übertragung und Auswertung des Sensorsignals im Hinblick auf das untersuchte Objekt. Grundlagen

9 Plattform (Satellit) Der Satellit trägt das oder die Instrumente als pay-load im Weltall. Er stellt folgende Funktionen sicher: KOMPSAT-2 4. Datenübertragung 1. Umlaufbahn 2. Ausrichtung 3. Versorgung Quelle: Komponenten

10 Satellitenumlaufbahnen (Orbit) Der Orbit legt Einsatz- ort und zeit der Fernerkundung fest und begrenzt die mögliche Empfindlichkeit des Instruments. Für Umweltanwendungen ist der Orbit geschlossen (closed orbit) in Form einer Ellipse in deren einem Brennpunkt die Erde liegt. Für die Fernerkundung von Bedeutung sind die Flughöhe des Satelliten und seine Bewegungsrichtung in Bezug auf die Erdausrichtung und Drehung. Der Low Earth Orbit erstreckt sich von 100km km über der Erdoberfläche. Satelliten benötigen für einen Umlauf t Orbit etwa 90m. Für den Geosynchronen Orbit ist t Orbit =23h56m4s. Die Bewegungsrichtung erfolgt Prograde (d.h. von West Ost, der Gegensatz ist Retrograde). Für Eine Inklination, ϑ 0 (=Winkel zwischen Erdäquatorebene und Ebene des Orbits) ist seine Flughöhe h Orbit =5.6 Erdradius (35 784km). Für t Orbit =23h56m4s, Prograde und ϑ =0 hat der Satellit einen geostationären Orbit. Komponenten

11 Im Gegensatz zu der äquatorialen Umlaufbahn mit ϑ =0 steht der Polare Orbit mit ϑ 90. Dabei kann ein Solar Synchroner Orbit ausgeführt werden. Beispiel: TOPEX (JPL/NASA) Radar Altimeter im Nadirmodus. Orbitdaten: h Orbit =1336km (LEO) t Orbit =112m (v 7kms -1 ) ϑ= Nach 127 Umkreisungen (ca.10d erreicht der Satellit wieder den Ausgangspunkt (kein SSO). Komponenten

12 Sensoren (Instrumente) Das weitaus größte Segment für die Erdbeobachtung nehmen Detektorsysteme für elektromagnetische Strahlung ein. Vom Aufbau unterscheidet man dabei grundlegend zwischen passiven und aktiven Systemen. R+T+A=1 Emission Plancksches Strahlungsgesetz E (λ, T ) = 2c 2 hλ 5 e hc λkt 1 Wm-2µm-1 Komponenten

13 Um bestimmte Objekte in der Atmosphäre oder Pedosphäre untersuchen zu können müssen gezielt Spektralbereiche (Wellenlängen) ausgefiltert werden Spektrale Signaturen. Beispiel Multi Spectral Scanner (Landsat1-3) h Orbit =905km-917km (LEO) t Orbit =103m ϑ=99 Nach 251 Umkreisungen erreicht der Satellit wieder den Ausgangspunkt (SSO). digitalisieren Datensatz/80m 80m Übertragung Auswertung nach Normalized Difference Vegetation Index: NDVI = (Band4 - Band3)/(Band4 + Band3) Quellen: Falschfarbendarstellung des NDVI als Funktion des Orts Sensoren:passiv

14 Active Sensors: RADAR Radio dection and ranging Sensoren:aktiv

15 Das emittierte Signal ist in mehrfacher Hinsicht einstellbar. Deswegen kann das empfangene, rück-gestreute (backscattered) Signal auf verschiedene Weise mit dem ausgesendeten verglichen werden. 1) Frequenz: selektiv und schmalbandig (z.b. in einem atmosphärischen Fenster) 2) Impulsdauer und Form 3) Polarisation (V, H) Quelle: Canada Centre for Remote Sensing 4) Phasenbeziehung (Dopplereffekt Synthetic Aperture Radar) Sensoren:aktiv

16 Dateninterpretation Digitalisieren der Sensorsignale Übertragung vom Satelliten zur Bodenstation Integritätsprüfung der Daten Sensorkalibration und/oder Datenkorrekturmaßnahmen Örtliche und zeitliche Einordnung der einzelnen Datensätze Auswertung der Datensätze Darstellung der Ergebnisse (z.b als Chorologische Karte) Dateninterpretation

17 Datenkorrekturmaßnahmen: Atmosphäreneinflüsse: Bewölkung, Luftfeuchte, Temperatur, Luftdruck Instrumentefehler: Offset, Drift Geometrische Fehler: Erdrotation, Scanrate, Blickfeld, Erdkrümmung, Satellitenposition (horbit, Geschwindigkeit), Bildverzerrung (Scannerbewegung) Quelle: Sander Houweling, TTORCH summer school 2011 Nadir-6 Nadir Nadir+6 Quelle: J. A. Richards, X. Jia, Remote Sensing Digital Analysis Dateninterpretation

18 Klassifizierung und Darstellung mit Chorologische Vorlage : Quelle: Dateninterpretation

19 Objektorientierte Auswertung Beispiel Vegetationsbestimmung Satellitendaten mittels Chorologischer Vorlage bearbeiten Quelle: Dateninterpretation

20 Vegetationsbestimmung Auswertung nach dem Normalized Difference Vegetation Index: NDVI = (Band4 - Band3)/(Band4 + Band3) Quelle: Dateninterpretation

21 Vegetationsbestimmung Zusammenstellen eines RGB Falschfarbenbilds wobei Band4 rot NDVI grün Band2 blau Wenigstens 3 Vegetationsarten können auf diesem Colour Composite Bild durch Farbzuordnung erkannt werden: Grün... Wald mit geschlossenem Blattdach, Hellgelb... Busch und einzelne Bäume, Goldgelb... Gras. Dunkelblau und Purpur kennzeichnen vegetationslose Bereiche. Quelle: Dateninterpretation

22 Als Basis für chorologischen Vorlagen können Radiometrische Informationen (Helligkeit, Intensität, Ton) Spektrale Informationen (Farbe) Oberflächenstrukturen Geometrische Zusammenhänge dienen. Links ein Beispiel für Struktur und rechts ein Beispiel für ein Muster einer Ölplantage Quelle: Dateninterpretation

23 Zusammenfassung Zeitliche Änderungen können mit Hilfe der Satellitenfernerkundung leicht erkennbar gemacht werden Änderung des globalen Blattflächen index (leaf-area-index) zur Bewertung der photosynthetischen Aktivität von Pflanzen. Zusammenfassung