Beobachtung der Biosphärendynamik

Globale Ökologie Beobachtung der Biosphärendynamik Wintersemester 2010/2011 Tobias Kuemmerle

Heute... Beobachtungen der Biosphäre und ihrer Dynamik Beobachtungen des aktuellen Zustandes mit Fernerkundung Aus dem Weltraum Aus der Luft

Fernerkundung Beobachtung eines Objekts (spektral, räumlich, zeitlich), Gebiets, Naturerscheinung ohne direkten Kontakt Sehen, Fotografie, Luftbilder, Satellitenbilder Basiert auf der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie Reflektion, Absorption, Transmission

Elektromagnetische Strahlung (EMS) Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 K) sendet EMS aus (Stefan-Boltzmann-Gesetz) EMS: UV Strahlung, sichtbares Licht, Radio, Radar http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/spektrum.pn g

Elektromagnetische Strahlung (EMS) Die Wellenlänge der größten Strahlungsleistung ist abhängig von der Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz) Erde Sonne http://www.geographie.unimuenchen.de/iggf/multimedia/klimatologie/kl_hauptseite.htm

Elektromagnetische Strahlung (EMS) Wichtigste Quelle von EMS auf der Erde ist die Sonne Streuung der Strahlung in Abhängigkeit der Aerosolverteilung (Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung) Absorption von langwelliger Strahlung an Gasmolekülen (Treibhauseffekt) Aufwendige Aufbereitung von Satellitendaten vor der Nutzung notwendig (Atmosphärenkorrektur, geometrische Korrektur) http://landsat7.usgs.gov/resources/remote_sensing/ images/solar_radiation_effects.jpg

Elektromagnetische Strahlung Einfluss der Atmosphäre http://www.geographie.uni-muenchen.de/iggf/multimedia/klimatologie/kl_hauptseite.htm

Spektrale Signaturen Enstehen durch unterschiedliche Reflexion, Absorption und Transmission http://www.icimod-gis.net/web/training_cd/menriscd/basicsgeo/theory/ch04/graphics/f4_4a.gif

Vegetationsspektrum Green peak Red edge Wasser absorptionsbanden

Vegetationsindizes NIR NDVI NIR Rot Rot NDVI FPAR Grüne Vegetation 0.8 0.95 Vegetationsfreier Boden 0.1-0.2 0 Zur Klassifizierung der beobachteten Objekte können verschiedene Indizes aus den Reflektionsspektren berechnet werden (z.b. Vegetationsindex NDVI normalized difference vegetation index) Typisch sind Verhältnisgrößen aus Reflektion im NIR und dem roten Bereich des sichtbaren Lichts Unempfindlicher gegenüber äußeren Strahlungsbedingungen)

Jahresgang http://earthobservatory.nasa.gov/globalmaps/view.php?d1=mod13a2_m_ndvi#

Ableitung von Vegetationsparametern Zeitlicher Verlauf von Vegetationsindizes gibt Aufschluss über viele Parameter, z.b. Beginn, Ende und Dauer der Vegetationsperiode NPP (net primary production) Landnutzung NDVI korreliert mit verschiedenen Vegetationsparametern PAR (photosynthetically active radiation) FPAR (fraction of PAR absorbed by green canopy) FPAR=a*NDVI+b APAR (absorbed photosynthetically active radiation) LAI (leaf area index)...

Jährliche NPP (1997) (g C m -2 )

Fernerkundungssysteme zur Erdbeobachtung Wellenlängenbereich: sichtbares Licht, IR, thermisches IR, Mikrowellen Aufnahme meist in mehreren Frequenzbereichen (Kanäle, Bänder) Strahlungsquelle: Passive (Detektion reflektierter und emittierter Strahlung) und aktive Systeme (mit eigener Strahlungsquelle, z.b. Antennen, Laser) Plattform: Flugzeug, Satellit

Fernerkundungssysteme zur Erdbeobachtung räumliche Auflösung: Größe der kleinsten unterscheidbaren Objekte AVHRR Landsat ETM+ SPOT IKONOS Keyhole 1km 15 m 2,5 m 1 m 5 cm (geschätzt) zeitliche Auflösung: Zeit zwischen Aufnahmen des selben Gebietes spektrale Auflösung: Fähigkeit feinste Strahlungsunterschiede zu erkennen radiometrische Auflösung: Detailgrad der Aufzeichnung (Anzahl der Grauwerte, z.b. 8bit = 256 Grauwerte)

Erdbeobachtung in verschiedenen Spektralbereichen Solare Strahlung von der Erdoberfläche reflektiert Strahlung von der Erdoberfläche emittiert

Spektrale und räumliche Auflösung Röder 2006

Geostationäre Sateliten Schwerpunkt: Wetterbeobachtung Beispiel: METEOSAT

Polar orbitting satellites Beispiel: NOAA AVHRR POES (polar orbitting environmental satellite) tägliche Erfassung der gesamten Erdoberfläche lange Datenreihe verfügbar (1981-2005) mittlere geometrische Auflösung (1-8 km) http://goespoes.gsfc.nasa.gov/poes/project/index.html

NOAA AVHRR Landnutzungsänderungen Degradationserscheinungen

Verlängerung der Vegetationsperiode nördlich von 45 ºN 1993/94 1991/92 1989/90 1987/88 1985/86 1983/84 1981/82 Mai September 6 Tage früher im Frühling 4 Tage später im Herbst 10.12.2010 Quelle: R. Myneni, Boston University Tagesnummer Beobachtung der Biosphärendynamik

Greening of the North Quelle: R. Myneni, Boston University

MODIS (Terra/Aqua) Orbit: 705 km, 10:30 a.m. descending node (Terra), sun-synchronous, near-polar, circular Scan Rate: 20.3 rpm, cross track Swath Dimensions: 2330 km (cross track) by 10 km (along track at nadir) Size: 1.0 x 1.6 x 1.0 m Weight: 228.7 kg Power: 162.5 W (single orbit average) Spatial Resolution: 250 m (bands 1-2), 500 m (bands 3-7), 1000 m (bands 8-36) Design Life: 6 years Revisiting time: 1 day http://www.space.gc.ca/asc/img/apogee_0205_mopitt-eosam1.jpg http://www.envi.com.br/sensor/satelites/ terra/modis/imagens/modis.jpg

MODIS Datenprodukte MOD01 Level-1A Radiance Counts MOD02 Level-1B Calibrated Relocated Radiances -also Level 1B 5kmX5km product MOD03 Relocation Data Set MOD04 Aerosol Product MOD05 Total Precipitable Water MOD06 Cloud Product MOD07 Atmospheric profiles MOD08 Gridded Atmospheric Product (Level-3) MOD09 Atmospherically-corrected Surface Reflectance MOD10 Snow Cover MOD11 Land Surface Temperature & Emissivity MOD12 Land Cover/Land Cover Change MOD13 Vegetation Indices MOD14 Thermal Anomalies, Fires & Biomass Burning MOD15 Leaf Area Index & FPAR MOD16 Surface Resistance & Evapotranspiration MOD17 Vegetation Production, Net Primary Productivity MOD18 Normalized Water-leaving Radiance MOD19 Pigment Concentration MOD20 Chlorophyll Fluorescence MOD21 Chlorophyll_a Pigment Concentration MOD22 Photosynthetically Active Radiation (PAR) MOD23 Suspended-Solids Conc, Ocean Water MOD24 Organic Matter Concentration MOD25 Coccolith Concentration MOD26 Ocean Water Attenuation Coefficient MOD27 Ocean Primary Productivity MOD28 Sea Surface Temperature MOD29 Sea Ice Cover MOD31 Phycoerythrin Concentration MOD32 Processing Framework & Match-up Database MOD35 Cloud Mask MOD36 Total Absorption Coefficient MOD37 Ocean Aerosol Properties MOD39 Clear Water Epsilon MOD43 Albedo 16-day L3 MOD44 Vegetation Cover Conversion MODISALB Snow and Sea Ice Albedo http://edcdaac.usgs.gov/modis/dataproducts.asp

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Windmuster http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/misc/020416/ 020416_MODIS_CH31_ETA_SFC_WIND_LARGE.GIF http://stratus.ssec.wisc.edu/projects/polarwinds/polarwinds.html

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Wasserdampf, Wolken http://veimages.gsfc.nasa.gov//2181/modis_cotc_200104.jpg

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Vegetationsbedeckung [%] Source: DeFries et al. 2004

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Chlorophyll und SST http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/primaryproduction.htm http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/primaryproduction.htm

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Albedo http://veimages.gsfc.nasa.gov//3411/modis_albedo_lrg.jpg

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Schnee, Feuer, LST http://veimages.gsfc.nasa.gov// 2720/Russia_2002135.jpg http://veimages.gsfc.nasa.gov//1600/modis_maxsnow.gif http://veimages.gsfc.nasa.gov// 2571/MODIS_LST.jpg LST Winter Diff 2000-2001

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: LAI, FPAR http://veimages.gsfc.nasa.gov//2386/africa_lai_fpar_dec2000.jpg

Beispiele für MODISDatenprodukte: Land Cover http://earthobservatory.nasa.gov/newsroom/lcc 10.12.2010 Beobachtung der Biosphärendynamik

Beispiel für MODIS-basierte Analyse: Land Cover Change Entwaldung in den Tropen 2000-2005 (Hansen et al. 2008)

ENVISAT Maße: 26m x 10m x 5m (mit ausgefahrenem Solarpanel) Gesamtgewicht: 8140 Kg Nutzlast: 2050 Kg Leistung: 6.5 kw Trägerrakete: Ariane 5 Orbit : 800 km Instrumente: 10 Start: 1.3.2002 http://esamultimedia.esa.int/images/envisat148.jpg http://www-imk.fzk.de/asf/ ame/arianed503.jpg

ENVISAT Instrument: MERIS (ähnlich MODIS) http://www.sflorg.com/earthnews/images/imen110706_01_03.jpg

ENVISAT http://www.physorg.com/news/2010-10-home-envisat.html Jakobshavn Glacier, Greenland Kombination von optischen und RADAR Instrumenten http://farm4.static.flickr.com/3305/4622687873_ca10d4bac5_z.jpg

ENVISAT http://farm4.static.flickr.com/3305/4622687873_ca10d4bac5_z.jpg

ENVISAT - GLOBCOVER Momentan detaillierteste globale Landbedeckungskarte (300m) auf der Basis von ENVISAT (MERIS+RADAR) Bildern http://www.esa.int/esaeo/semgsy2iu7e_index_1.html

Globale Landbedeckungskarten Source: Ramankutty et al. 2006

Landsat Operationeller Einsatz seit 1972 Landsat 7 seit 1999 im Einsatz hohe räumliche Auflösung von bis zu 15m*15m (z.b. Landnutzungskartierung, Desertifikationsmonitoring) zeitliche Auflösung 16 Tage Seit 2009 größtenteils frei verfügbar! Footprint nur 180x180km² http://landsat7.usgs.gov

Landsat - Beispiel Greenhouse development in Almeria, Spain

Landsat - Beispiel Aral Sea, Central Asia 1973: The surface of the sea once measured 66 100 km 2 1987: 60% of the volume had been lost 1999-2004: The sea is now quarter of the size it was 50 years ago

Landsat - Beispiel Impact of logging in British Columbia Canada 1975-1999 All examples from the UNEP 2005 atlas are based on Landsat images Source: UNEP 2006

Landsat - Beispiel Body text Iguazu National Park 1973: Mostly agriculture in Brazil, whereas Paraguay and Argentina are forestdominated First signs of deforestation in Paraguay 2000: forests have disappeared in Brazil and Paraguay but remained protected inside the Argentine National Park Source: UNEP 2005

Landsat mass processing Automatisierung von Prozessierschritten und der nun freie Zugang zu Daten ermöglichen die Rekonstruktion von Landoberfächendynamik in hoher räumlicher Auflösung für große Gebiete http://globalmonitoring.sdstate.edu/people.php?view=8&a=show&id=22

Hyperspektrale Fernerkundung Aufzeichnung der reflektierten Strahlung im sichtbaren bis infraroten Bereich in vielen schmalen Spektralkanälen flugzeuggestützte Sensoren: AVIRIS, CASI, HYMAP, DAIS 7915, GERIS, MIVIS satellitenbasierte Sensoren (noch experimentell): Hyperion (EO-1), CHRIS (PROBA), ENMAP (geplant), http://www.ltid.inpe.br/html/ pub/docs/html/avhalf.gif http://www-eosdis.ornl.gov/boreas/bhs/pictures/general/er-2.jpg

Hyperspektrale Fernerkundung Anwendungen Einsatzgebiete: Geologie (Mineralvorkommen), precision farming, Gewässerqualität,...

Hyperspektrale Fernerkundung Anwendungen Einsatzgebiete: Geologie (Mineralvorkommen), precision farming, Gewässerqualität,... AVIRIS http://www.pc.ruhr-uni-bochum.de/deutsch/ praktikum/f16/lasermikroskopiewebseite/ Leere%20Seite%202-Dateien/image068.gif

Hyperspektrale Fernerkundung Sensoren Sensor Spektrales Intervall (nm) Anzahl der Kanäle AVIRIS 400-2500 224 10.0 CASI 400-1000 228 (bis zu 19 selektierbar) 2.2 DAIS 7915 498-1010 1500-1800 1970-2450 3000-5000 8700-12300 32 8 32 1 6 Kanalbreite (nm) 16.0 100.0 15.0 2000.0 600.0 HYMAP 400-2500 128 15-20 MIVIS 400-800 1100-1500 1900-2500 8200-12700 20 8 64 10 20.0 50.0 9.0 350.0-450.0 http://tncweeds.ucdavis.edu/products/ sensing/images/aviris-data.gif

LIDAR (Light detection and ranging) Aktives system Sendet Laserpulse und unterscheidet zwischen zeitlich verstztem Echo Kann 3D-Strukturen abzubilden http://firecenter.umt.edu/files/images/lidar-agus.jpg

LIDAR (Light detection and ranging) http://nature.berkeley.edu/biometlab/images/lidar%20sample%20tonzi.jpg

LIDAR+ optische Sensoren Kombination von Sensoren bietet neue Möglichkeiten für die Erdbeobachtung Bisher nur flugzeuggestüzt Geplant: DESDynI Asner et al 2010, PNAS

LIDAR (GLAS) + MODIS Lefsky 2010 Erste globale Karte der Vegetationshöhe!

DMSP Nighttime lights Source: NASA Visible Earth

Zusammenfassung Fernerkundliche Systeme zeichnen elektromagentische Strahlung auf Vielzahl von Satelliten und Sensoren Verschiedene Sensoren sensitiv für verschiedene Wellenlängenbereich Unterschiede in spektraler, räumlicher + zeitlicher Auflösung Unterscheidung in aktive und passive Systeme Einige Systeme mit relativ langen Datenreihen Erdbeobachtungsarchive

Zusammenfassung Informationen über den Zustand der Biosphäre (z.b., NPP) Dynamik der Biosphäre (z.b., Jahresgang) Veränderungen der Biosphäre (z.b., Entwaldung) Kombination von Sensoren birgt neue Möglichkeiten für die Erdbeobachtung Verknüpfung von Fernerkundung beim nächsten Mal!

http://www.atmos.ucla.edu/~jrosko/whole_earth.htm

Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Tobias Kuemmerle kuemmerle@pik-potsdam.de