Picture: ESA/Eumetsat Jena-Optronik GmbH. 1

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1 Picture: Jena-Optronik ESA/Eumetsat GmbH. 1

2 Optische Sensoren in der Raumfahrt: Beiträge aus Jena Dietmar Ratzsch, Geschäftsführer Jena-Optronik GmbH, Jena-Optronik GmbH. 2

3 Umweltmonitoring Wer beobachtet? Picture: RapidEye AG - Dead Sea, Israel (CIR) November 5, 2009 Jena-Optronik GmbH. 3

4 Die Erde beobachten Unser heutiges Leben verlangt ein viel umfassenderes Wissen als noch vor einer Generation. Optische Messtechnik in der Raumfahrt Einführung ins Thema Aus dem All können wir unseren Heimatplaneten erkunden, vermessen und verstehen. Quelle: DLR Jena-Optronik GmbH. 4

5 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Erdbeobachtung Die satellitengestützte Erdbeobachtung ist neben satellitengestützter Kommunikation und Navigation eine Säule der operativen Raumfahrt. Erdbeobachtung Die Hauptanwendungsfelder: Erfassung der festen Landoberfläche, dem Überwachen der Ozeane sowie, der Ermittlung des Wettergeschehens und der Zusammensetzung der Atmosphäre. Kommunikation Ziel ist es, die Erde, ihre Elemente (Atmosphäre, Hydrospähre, Geosphäre, Biosphäre, Kryosphäre) und deren Zusammenwirken besser verstehen zu lernen. Navigation Jena-Optronik GmbH. 5

6 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Erdbeobachtung Erdbeobachtungssatelliten arbeiten nach verschiedenen Prinzipien: Die meisten Instrumente empfangen elektromagnetische Strahlung (Licht, Radiowellen etc.). Erdbeobachtung Passive Instrumente empfangen elektromagnetische Strahlung, die von der Sonne stammt und von der Erdoberfläche, von Atmosphärenbestandteilen und Wolken reflektiert oder von diesen selbst abgestrahlt wurde. Aktive Systeme tasten mit Radar- oder Laserlichtstrahlen die Oberfläche beziehungsweise die Atmosphäre ab und beziehen aus den zurückgestreuten Echos ihre Informationen. Daneben werden zur Erdbeobachtung auch andere Instrumente eingesetzt, welche z. B. das Magnetfeld und die Gravitation der Erde vermessen. Quelle: ESA, Lexikon der Fernerkundung Quelle: DLR Raumfahrtmanagement Jena-Optronik GmbH. 6

7 Umweltmonitoring Was wird beobachtet? Picture: RapidEye AG - West Coast of South Africa - Acquired by CHOROS - RapidEye 4 - Dec Jena-Optronik GmbH. 7

8 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Nutzen von Satellitenbildern Erderkundung von Satelliten hat besonderen Vorteile: Innerhalb kurzer Zeit können große Gebiete der Erde beobachtet werden, auch schwer zugängliche Regionen und über nationale Grenzen hinweg. Dieser globale Blickwinkel ist unverzichtbar für viele Aspekte der Umwelt- und Klimaforschung und mit keiner anderen Methode erreichbar. Da alle Gebiete mit dem gleichen Instrument beobachtet werden, sind die Daten verschiedener Orte gut untereinander vergleichbar. Rodung in Brasilien (NASA) Abgasfahnen von Kraftwerken (EUMETSAT 2007) Ölspur eines lecken Tanker vor der spanischen Küste Satellitenfotos liefern Bilder zur Beobachtung und Überwachung der Umwelt Aber optische Instrumente können noch viel mehr... Jena-Optronik GmbH. 8

9 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Optische Instrumente zur Erdebeobachtung: Stoffe und ihre Zustände können anhand ihrer optischen Spektren erkannt werden Optische Instrumente messen dazu in jedem Bildpunkt die Lichtintensität, unterschieden nach Spektralkanälen Grüne Vegetation Trockene Vegetation Erde Spektralkanäle Sichtbares Licht Infrarot Jena-Optronik GmbH. 9

10 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Satelliteninstumente liefern präzise Messdaten, aus denen hochwertige und komplexe Informationen gewonnen werden: Wasserdampfkonzentration Spurengaskonzentration (z. B. Ozon, Stickoxid, Kohlendioxid, Methan...) Aerosole Wärmeabstrahlung der Erde Arten und Höhe von Wolken Biomasse Vegetationszustand: grün, trocken, Bodenzustand: Typ, Feuchte,... Gewässerzustand: Verschmutzung, Algen, Feuer Umwelt- und Naturschutz Klimawandel Wettervorhersagen Katastrophen bewältigen Landwirtschaft präzisieren Verkehr sichern helfen Bodenschätze finden Die Erde vermessen Änderungen erfassen Water Vapour (SWIR) Surface Temperature (LWIR) Cloud Properties (Multichannel) EUMETSAT 2007 EUMETSAT 2007 EUMETSAT 2007 Jena-Optronik GmbH. 10

11 Umweltmonitoring Wie wird beobachtet? Picture: RapidEye AG - Izmir in Turkey - Acquired by CHOROS - RapidEye 4 - December Jena-Optronik GmbH. 11

12 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring In Europa werden große, aufwändige Satellitenprogramme betrieben, die Daten für Bereiche wie Umweltschutz und Klimaforschung liefern: Die europäische Raumfahrtagentur ESA und die EU verfolgen das Programm Copernicus mit bis zu 30 Satelliten EUMETSAT, die europäische Organisation zur Nutzung von Wettersatelliten, entwickelt derzeit die Nachfolgegeneration ihrer derzeitigen METEOSAT und METOP Wetter-Satelliten Dies sind sogenannte operative Programme, die langfristig (über Jahrzehnte) mit hoher Zuverlässigkeit unverzichtbare Satellitendaten bereitstellen. (ESA) (ESA) (ESA) Für alle diese Programme kommen wesentliche Beiträge aus Jena! Jena-Optronik GmbH. 12

13 Satellit Sentinel-2 beobachtet der Landoberfläche Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Sentinel 2 hat das Multispectral Instrument (MSI) an Bord: Dies hat eine Beobachtungsbreite von 280 km. 10 Spektralkanälen im Wellenlängenbereich von 443 bis 2190 nm nehem Bilder in einer räumlichen Auflösungen von 10 oder 20 m auf. Drei schmalbandige Spektralkanäle mit 60 m räumlicher Auflösung stehen zur Messung der atmosphärischen Eigenschaften zur Verfügung. Video Compression Unit (VCU) In Jena wurde der Digital- Prozessor zur Bilddatenverarbeitung mit 115 Millionen Pixel pro Sekunde und die Multispektralfilter gebaut 156 Detektoren 8x Front End Elektronik 115 Mio. Pixel / Sekunde (10 normale Fernseher parallel bzw. 3x HDTV) Jena-Optronik GmbH. 13

14 Sentinel-3 beobachtet die Ozeane Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Die Nutzlast der Sentinel-3-Satelliten besteht aus fünf Instrumenten: Hauptinstrument ist das SLSTR (Sea and Land Surface Temperature Radiometer) Es hat 1420 km Aufnahmestreifen in Nadir-Richtung, 750 km rückwärts 9 Spektralkanäle zwischen 550 nm und 12 µm Wellenlänge haben eine räumliche Auflösung von 500 m im sichtbaren und nahinfraroten Bereich, 1000 m im mittleren und thermalen Infrarot Jena baut die Struktur, die Optik und den Scanner für das Instrument zur Infrarot-Messung der Meerestemperatur mit einer Genauigkeit von 0,3 C (ESA) Jena-Optronik GmbH. 14

15 Sentinel-4 beobachtet die Atmosphäre Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Sentinel-4 will be on board of the Meteosat Third Generation (MTG) Sounder satellite. Coverage is achieved by scanning with a fast repeat cycle over Europe and North Africa (Sahara) of 60 minutes (goal 30 minutes). The Sentinel-4 UVN instrument is a high resolution spectrometer covering the > ultraviolet ( nm), > visible ( nm) > near-infrared ( nm) bands. The spatial sampling is 8 km and a spectral resolution between 0.12 nm and 0.5 nm (depending on the band). Jena verantwortet wesentliche Elemente des Spektrometers UVN (Ultraviolet Visible Nearinfrared): NIR, UV VIS und Teleskop-Optiken sowie FPA. Jena-Optronik GmbH. 15

16 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring In Europa werden große, aufwändige Satellitenprogramme betrieben, die Daten für Bereiche wie Umweltschutz und Klimaforschung liefern: Die europäische Raumfahrtagentur ESA und die EU verfolgen das Programm GMES (Global Monitoring for Environment and Security), mit bis zu 30 Satelliten EUMETSAT, die europäische Origanisation zur Nutzung von Wettersatelliten, entwickelt derzeit die Nachfolgegeneration ihrer derzeitigen METEOSAT und METOP Wetter-Satelliten EUMETSAT METOP Second Generation für Wetter- und Klimadaten METimage liefert in 22 Kanälen vom Sichtbaren bis ins thermische Infrarot präzise optische Messdaten und das über einen Bildstreifen von 2800 km Breite. Jena-Optronik GmbH. Dr. Rolf Hartmann, JeTT, 11. November Optische Messtechnik in der Raumfahrt: Beiträge aus Jena. 16

17 Umweltmonitoring Warum wird beobachtet? Picture: RapidEye AG - Naples and Vesuvius in Color Infrared - Acquired by TROCHIA - RapidEye 3 - Dec Jena-Optronik GmbH. 17

18 Neben den Satelliten und Instrumenten zur Erdbeobachtung bildet die Verarbeitung der daraus gewonnenen Daten die dritte Säule bei der Nutzung von Satellitendaten für den Umweltschutz Die Bereitstellung von Daten liefert wichtige Informationen für politische Entscheidungsträger. Koordinierte und kontinuierliche Satellitendaten um Umweltinformation auf internationaler, nationaler und regionaler Ebene zusammenzuführen um bessere und vergleichbare Daten über die Umwelt und ihre Veränderungen zu erhalten Auch hier kommen wesentliche Beiträge aus Jena! Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring Verbindet man unterschiedliche Satellitendaten mit anderen Informationen, etwa über Klima, Hangneigung oder Böden etc., können komplexe Einschätzungen erstellt werden. Damit kann politischen Entscheidern insbesondere in den Bereichen Umwelt und Naturerbe eine qualifizierte Informationsgrundlage gegeben werden. Jena-Optronik GmbH. 18

19 Satellitendaten als Grundlage für die Standortplanung von Windkraftanlagen: Projekt im Auftrag des Thüringer Wirtschaftsministeriums Kriterien für die Planung von Windkraftanlagen Winderwartung in Thüringen, abgeleitet aus Satellitendaten und Bodenmessungen bisherige Standorte von Windkraftanlagen Standorte der Hochspannungsleitungen Landbedeckung, abgeleitet aus Satellitendaten Abstand zu Siedlungsflächen Ausschluss von Wasser- und Waldflächen Beachtung der Struktur landwirtschaftlicher Nutzflächen Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring regional Landbedeckung in Thüringen Jena-Optronik GmbH. 19

20 Optische Messtechnik in der Raumfahrt Anwendung: Umweltmonitoring international GlobWetland II: Pilotprojekt zur Entwicklung eines globalen Wetland-Überwachungs- Systems für die RAMSAR Convention. RAMSAR ist eine weltweite Konvension und dient dem Schutz von Wetlands nach einheitlichen Standarts. Sie wurde 1971 in der iranischen Stadt Ramsa gegründet und ihr gehören 168 Länder an. Feuchtgebiete spielen eine entscheidende Rolle für die Biodiversität und den Wasserhaushalt/Frischwasser Bereitstellung in den jeweiligen Gebieten der Erde. Im Rahmen des GlobWetland Projektes wurde eine Methodik entwickelt, mit deren Hilfe der Status und Trend des ökologischen Charakters von Wetlands überwacht werden kann. Satellitendaten spielen dabei eine entscheidende Rolle. Jena-Optronik GmbH. 20

21 Ausgezeichnete Beispiele von Projektpartnerschaft German Optical Valley: Tradition und Zukunft Jena ist Kooperation & Innovation. Jena-Optronik GmbH. 21

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Jena-Optronik GmbH. 22