Grundlagen Fernerkundung - 5

Transkript

1 Grundlagen Fernerkundung - 5 GEO123.1, FS2015 Michael Schaepman, Erich Meier, Hendrik Wulf 3/11/15 Page 1

2 Aqua / MODIS - Image NASA

3 Aqua / MODIS - Image NASA NOAA-17 / AVHRR Image NOAA

4 Envisat / MERIS & AATSR - Image ESA

5 Electromagnetic Spectrum Gamma Röntgen UV NIR TIR FIR Mikrowellen Radiowellen µm nm 1 µm 1 mm 1 cm 1 dm 1 m 10 m blau grün rot

6 Electromagnetic Spectrum Strahlungsenergie Sonne 6000 K Erde 300 K 100% Atmosphärische Durchlässigkeit 0 Gamma Röntgen UV NIR TIR FIR Mikrowellen Radiowellen µm nm 1 µm 1 mm 1 cm 1 dm 1 m 10 m blau grün rot RGB und S/W-Pan-Film CIR-Farbfilm Multispektral-Scanner Thermal-Scanner

7 30 MHz 300 MHz 3 GHz 30 GHz 300 GHz Radiowellen Mikrowellen FIR TIR NIR UV Röntgen Gamma µm 10 m 1 m 1 dm 1 cm 1 mm 1 µm 1 nm rot grün blau RGB und S/W-Pan-Film CIR-Farbfilm Multispektral-Scanner Thermal-Scanner

8 High Frequency HF 30 MHz 10 m Very High Frequency VHF 300 MHz 1 m P Ultra High Frequency UHF L 3 GHz 10 cm Super High Frequency SHF C X Ku S K GHz 1 cm Ka Extremely High Frequency EHF Q V W GHz 1 mm Band f (GHz) Radiowellen Mikrowellen FIR TIR NIR UV Röntgen Gamma µm 10 m 1 m 1 dm 1 cm 1 mm 1 µm 1 nm rot grün blau RGB und S/W-Pan-Film CIR-Farbfilm Multispektral-Scanner Thermal-Scanner

9 Literature: Microwave Remote Sensing Lillesand et al. (2015), Chapter 6: Microwave and Lidar Sensing. p Woodhouse, I.H. (2015): Introduction to Microwave Remote Sensing, Speckled Press.

10 Learning goals! Microwave remote sensing!! Explain basic terms!! Knowledge of basic concepts! Imaging microwave systems!! Geometric and radiometric characteristics!! Main applications and limitations

11 Begriffe Mikrowellen: Elektromagnetische Wellen - Wellenlängen:1 m - 1 mm - Frequenzen: 300 MHz GHz Radiometer: Instrument zur (passiven) Messung elektromagnetischer Strahlung - Imager: Bildgebender passiver Sensor - Sounder: Instrument zur Messung von Profilen Radar: RAdio Detection And Ranging - aktives System, Detektion und Distanzmessung - SAR: Synthetic Aperture Radar - SLAR: Side-Looking Airborne Radar - Altimeter: Höhenmessung (nicht abbildend) - Scatterometer: Messung der Rückstreuung (nicht abbildend) Sonar: SOund Navigation And Ranging - Aktives System analog zu Radar, arbeitet mit Schallwellen

12 Passive Mikrowellen - Fernerkundung Passive Mikrowellen-Radiometrie Messung von EMISSIONS - EIGENSCHAFTEN

13 Image Google

14 Radioteleskop Effelsberg (D) Max Plank Institut für Radioastronomie (MPIfR) 0.3 GHz GHz Durchmesser 100 m Image Google Image Google

15 Strahlengang bei einem passiven Mikrowellen- System

16 Ursprung von passiven Mikrowellenstrahlen Emitted from object:!! z.b. Wärme-Abgabe, radioaktive Strahlung, Sonnenenergie Emitted by atmosphere:!! z.b. Polarlicht, chemische Prozesse wie Ozon-Abbau Reflected from Surface:!! Sonnenenergie Transmitted from subsurface:!! Erdstrahlen, radioaktive Strahlung, elektromagnetische Wellen hervorgerufen durch seismische Phänomene

17 Funktionsschema eines passiven Mikrowellen- Systems

18 (Animation NASA) Department of Geography Applications: (1) Sea Surface Temperature Sea Surface Temperature: Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E) auf Aqua 6.9, 10.6, 18.7, 36.5 und 89 GHz

19 Sea Surface Salinity, Aquarius Instrument on SAC-D-Mission 1.41 und 1.26 GHz Radiometer, polarimetrisch (Animation NASA) Department of Geography Applications: (2) Sea Surface Salinity

20 (Animation NASA) Department of Geography Applications: (3) Sea Ice Concentration Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2), Global Change Observation Mission 1st-Water (GCOM-W1) 89 GHz Brightness Temperature

21 Applications: (4) Global Water Vapor Image Univ. of Wisconsin Special sensor microwave/imager (SSM/I): linearly polarized passive microwave radiometer that measures surface/atmospheric microwave brightness temperatures at 19.4, 22.2, 37.0 and 85.5 GHz

22 Applications: (5) Snow Melt Data from:! Scanning Multichannel Microwave Radiometer (SMMR),! Special Sensor Microwave/Imager (SSM/I),! Special Sensor Microwave Imager/ Sounder (SSMIS) Images NASA

23 Summary: Passive Microwaves Applications Oceans:!! Sea Surface Temperature & Salinity!! Sea Ice!! Surface wind velocities Land:!! Soil moisture!! Snow melt & water equivalent Atmosphere:!! Water vapor

24 Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Aktive Sensoren!! Radar!! Altimeter!! Scatterometer!! SLAR / SAR (abbildend) Quelle der Strahlung!! System selber Vorteile!! Unabhängig von Beleuchtung (Sonne) und somit Zeit (Tag/Nacht)!! System-Design (Art der Quellstrahlung) ist definierbar

25 Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Systeme mit realer Apertur (Real Aperture Radar RAR) Systeme mit synthetischer Apertur Tracking Radars Altimeter Scatterometer SLAR Side-Looking Airborne Radar Abbildende Verfahren SAR Synthetic Aperture Radar

26 Konzept eines aktiven Mikrowellensystems (reale Apertur) Distanzmessung über!! Laufzeit!! Azimut!! Elevation

27 Aktive Mikrowellensysteme: Altimeter Konzept: kommt dem klassischen Radar sehr nahe Ziel: möglichst genaue Distanz-Messung (kurze Impulse, hohe Bandbreite) Anwendung: Vermessung von Erd-, Meeresund Eisoberflächen v.a. Ozeanographie

28 Applications: (1) Sea Surface Height Sea Surface Height Anomaly (SSHA), TOPEX/Poseidon, JASON-1, El Niño La Niña 2010 (Animation NASA)

29 Aktive Mikrowellensysteme: Scatterometer Ziel: möglichst genaue Messung der zurückgestreuten Leistung Konzept: Messungen in mehrere Richtungen Mittelungen über mehrere Pulse Winkelabhängigkeit Rückstreuung Laufzeit, Doppler-Verschiebungen Anwendung: Rauigkeit der Meeresoberfläche Windstärke, -Richtung Windfelder

30 Applications: (2) Near Surface Wind Velocities Near Surface Wind Velocity data by JPL QuikSCAT and Indian OceanSat-2 missions (Animation NASA)

31 Department of Geography 3/11/15 Grundlagen Fernerkundung FS2011 Page 31

32 Department of Geography 3/11/15 Grundlagen Fernerkundung FS2011 Page 32

33 Aktive Mikrowellensysteme: Seitensichtradar

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35 Aufnahmeprinzip eines SLAR

36 Beispiel einer SLAR Szene: Gurnigel BE Gute Auflösung in Blickrichtung schlechte Auflösung quer dazu, bzw. in Flugrichtung Bild RSL / Fraunhofer FHR

37 Konzept-Vergleich: Synthetischen vs. Reale Apertur Ein Radar mit synthetischer Apertur erlaubt eine sehr gute Auflösung in Flugrichtung (Bewegungsrichtung des Sensors). Dies wird durch synthetisches Zusammenfügen vieler Radarechos erreicht, welche ein Objekt aus verschiedenen Winkeln zeigen.

38 Konzept-Vergleich: Synthetischen vs. Reale Apertur

39 Auflösungsfaktoren eines Radars mit synthetischer Apertur

40 Vergleich SLAR- vs. SAR Gurnigel, BE Gute Auflösungen in beiden Bilddimensionen Bilder RSL / Fraunhofer FHR

41 Department of Geography Darstellung der Reflektion im Bild Normalerweise werden im SAR-Bild hohe empfangene Intensitäten hell und tiefere dunkel dargestellt. Es kann aber auch umgekehrt sein, oder völlig willkürlich.

42 Envisat-1 ASAR Gibraltar: Falschfarben Bild ESA

43 Effekte der Geländegeometrie auf das SAR- Radarbild I

44 Effekte der Geländegeometrie auf das SAR- Radarbild II Alaska SAR Facility

45 Effekte der Geländegeometrie auf das SAR- Radarbild III University of California, Santa Barbara

46 Department of Geography Foreshortening Radarsat :22:32 Bild CSA / MDA

47 Layover ERS :33:46 Off-Nadir: 23 Grad Bild ESA Fronalpstock Riemenstalden Rophaien

48 Schatten Bilder RSL / Fraunhofer FHR

49 Geokodierung Umrechnung des SAR-Bildes auf Karten-Geometrie Bilder RSL / Fraunhofer FHR

50 Geokodierung Umrechnung des SAR-Bildes auf Karten- Geometrie Envisat / ASARmit Envisat / MERIS Bilder RSL / ESA

51 Department of Geography SAR Interferometrie Sichtbarmachen von zusätzlicher Information (z.b. Höhe) durch mehrere SAR Sensoren. Vergleichbar mit räumlichem Sehen mit zwei Augen. Ziel: Mittels der gemessenen Phasendifferenz des Radarpulses relative Höhenunterschiede herleiten. Bilder RSL / Fraunhofer FHR

52 Interferometrie Aufnahmegeometrie B B B!"!" Phasendifferenz zwischen 2 SAR-Antennen single-pass / multi-pass Phasendifferenz

53 Differentielle Interferometrie Differenzbild zweier oder mehrerer Interferogramme Anwendung!! Messung seismischer Deformation!! Erosion!! Topographie Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake

54 Interferometrie Resultate: DSMs Bilder RSL / Fraunhofer FHR / ESA

55 Interferometrie: SRTM mission STS-99, Orbiter Endeavour Bilder NASA Start: Missionsdauer: 11 Tage Payload: 13.6 t Mastlänge: 60 m Datenrate: 270 Mbit/sec Datenmenge: 9.8 TByte

56 Interferometry: SRTM mission SRTM data coverage Antelope Valley, California Images NASA Data: Coverage: Latest version: Next version: Absolut height error: Geolocation error: 30m - 90m DEM 60 N-54 S SRTM plus (V3) 2017 NASADEM <16 m <20 m Further information:

57 Diff. Interferometrie: Vulkanismus ERS, > 100 Szenen Region Aetna

58 Department of Geography SAR Polarimetrie: Sichtbarmachen von Streueffekten Rot: Oberflächenstreuung Grün: Volumenstreuung (Wald) Blau: Double Bounce (Gebäude)

59 Reflektionseigenschaften von Radarwellen

60 Reflexionseigenschaften und Eindringtiefen Volumen-Streuung volume scattering Doppelreflexion double bounce Oberflächen-Streuung Surface scattering

61 Scattering mechanisms Department of Geography X-Band, 9.6 GHz, # = 3 cm L-Band, 1.3 GHz, # = 23 cm P-Band, 350 MHz, # = 85 cm

62 Summary Terms and basic concepts -> <- Active and passive microwave systems Applications and limitations ->

63 Thank you for your attention!