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Geo-Fernerkundung – was ist das? - Schulbuchzentrum Online

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Geo-Fernerkundung –
was ist das?
Carsten Jürgens
Fernerkundung beschäftigt sich –
allgemein ausgedrückt – mit der
Foto: DigitalGlobe
berührungslosen Bildaufnahme von
Objekten. Die Geo-Fernerkundung hat
die Erdoberfläche, die Meeresoberfläche, wie auch die Atmosphäre im
Visier.
S
elbstverständlich wird die Erde bzw.
die Atmosphäre nicht immer als
Ganzes aufgenommen, wie z. B. bei
Meteosat-Satellitenbildern, sondern je
nach Aufgabenstellung existieren zahlreiche Optionen für die Wahl eines geeigneten Aufnahmeinstruments und eine
entsprechende Aufnahmeplattform, auf
der das Aufnahmeinstrument montiert
wird. Damit verknüpft ist die Größe des
Areals, das in einem Bild aufgezeichnet
wird.
Als Informationsträger zwischen Aufnahmeinstrument, auch Sensor genannt,
und aufzunehmendem Objekt fungiert
die elektromagnetische Strahlung. Jedes
Objekt mit einer Eigentemperatur über
0 °Kelvin (–273 °C) gibt elektromagnetische Energie ab (Emission). Wichtiger
ist allerdings die Energie, die die Sonne
zur Erde strahlt und die von Objekten auf
der Erdoberfläche teilweise absorbiert,
transmittiert oder reflektiert wird. Von
den Emissions-, ebenso wie von den Reflektions- und Absorptionseigenschaften
der Objekte bzw. ihrer Oberflächen
hängt es ab, in welchen Wellenlängenbereichen des elektromagnetischen Spektrums man mithilfe der Fernerkundung
Daten gewinnen kann. Nutzt man zur
Datengewinnung im Weltraum befindliche Satellitensysteme, so muss man gewisse Einschränkungen durch die At-
4
Aufnahme des Satelliten Quickbird. Der Bildausschnitt zeigt einen Teil der
Innenstadt von San Francisco, USA. Durch die Schrägperspektive werden viele
Straßenzüge und Gebäudeteile verdeckt.
mosphäre berücksichtigen. Nur in Bereichen so genannter „atmosphärischer
Fenster“ ist die Atmosphäre derartig
durchlässig, dass eine Aufzeichnung mit
satellitengestützten Sensoren gelingen
kann. In allen anderen Bereichen ist die
Atmosphäre mehr oder weniger undurchlässig, da diverse Absorptionsprozesse die Durchlässigkeit für elektromagnetische Energie reduzieren, beziehungsweise völlig unterbinden.
Aktive und
passive Aufnahmesysteme
Generell unterscheidet man die Aufnahmesysteme in aktive und passive Systeme. Aktive Systeme, wie RADAR (Radio
Detecting and Ranging) oder Lasersysteme verwenden eine eigene Energiequelle,
senden also gezielt bestimmte Wellenlängen aus und registrieren die zurückkehrenden „Echos“ von der Erdoberfläche.
Passive Systeme nutzen dagegen die
Sonne als Energiequelle. Sie sendet elektromagnetische Energie jeglicher Wellenlänge aus. Die „Echos“, also die reflektierten Anteile dieser Energie, werden
von passiven Aufnahmesystemen in verschiedenen Wellenlängenbereichen, sogenannten Kanälen, aufgezeichnet.
Das bekannteste passive System ist
das Luftbild, ein analoges fotografisches
Bild. Analoge Luftbilder werden seit
mehr als 100 Jahren gemacht, zunächst
vereinzelt aus Ballonen und anderen
frühen Luftfahrzeugen, später systematisch in Form von sogenannten BildflugKampagnen. Noch heute ist das analoge
Luftbild eine wichtige Grundlage der
deutschen Landesvermessung und zeichnet sich durch große Detail-Erkennbarkeit sowie lange Zeitreihen (Archive) aus.
In jüngster Zeit kommen verstärkt digitale Luftbildkameras zum Einsatz. Dies
ist im Zeitalter digitaler Medien nicht
weiter verwunderlich; zudem beschleunigen und erleichtern digitale Daten die
Weiterverarbeitung ebenso wie die Auswertung der Bilder. Auf die Luftbild-Aufnahmetechnik wird hier nicht weiter eingegangen. Weitere Hinweise sind einschlägigen, verständlichen Lehrbüchern
zu entnehmen (vgl. z. B. Albertz 2001).
Weitere passive Aufnahmesysteme
sind Multispektralscanner, die ebenso
wie die Luftbilder, das von der Erdoberfläche und den darauf befindlichen Objekten reflektierte Sonnenlicht aufzeichnen. Die Aufzeichnung erfolgt simultan
in mehreren Wellenlängenbereichen
(Kanälen) in digitaler Form.
Als Aufnahmeplattformen bestehen
im Wesentlichen drei Möglichkeiten: Satellit, Flugzeug (inkl. Hubschrauber oder
Ballon) und terrestrische Plattformen
Praxis Geographie 3/2003
Abb. 1: Kombination von drei einzelnen Aufnahmekanälen zu einem
Farbkomposit. Die Kanäle Landsat
TM 3, 5, 4 (reflektiertes rot, mIR,
nIR) werden mit Rot, Grün, Blau
kodiert dargestellt.
(Hebebühnen, Steigerwagen). Prinzipiell
ist jeder Sensor bzw. jedes Aufnahmegerät auf jeder Plattform einsetzbar. Satelliten haben den Vorteil einer kontinuierlichen Datenerfassung. Je nach Satellitensystem haben sie die Erdoberfläche in
einer gewissen Zeitspanne (soweit es ihre Bahnparameter ermöglichen) vollständig aufgezeichnet. Danach beginnt ein
weiterer Aufnahmezyklus. Erdbeobachtungssatelliten nutzen zumeist eine sonnensynchrone, fast-polare Umlaufbahn,
die gewährleistet, dass Aufnahmen des
selben Gebiets möglichst zur gleichen
Ortszeit stattfinden.
Grundlagen der
Multispektraltechnik
Reflektiertes Sonnenlicht wird vom Sensor empfangen und gelangt auf Detektoren, die jeweils für den Empfang einer bestimmten Wellenlängenregion (Kanal)
konzipiert sind. In der Regel sind mehrere baugleiche Detektoren nebeneinander
montiert. Auf diese Weise lassen sich
größere Geländeabschnitte gleichzeitig
aufnehmen. Jeder Detektor misst die reflektierte Sonnenenergie für kurze Zeit
von einem kleinen Bodenareal und speichert die Stärke der Reflexion an dieser
Stelle als Digitalwert eines Bildpunktes.
Aus der Vielzahl der Bildpunkte (Pixel)
setzt sich anschließend das Bild zusammen. Durch die digitale Speicherung
wird das Bild in Zeilen und Spalten definiert; demzufolge findet durch die Rasterung eine Generalisierung der Realität
statt (vergleichbar der Körnung eines fotografischen Films). Je kleiner die Pixel
bzw. je feiner das Raster, desto geringer
Praxis Geographie 3/2003
ist der Generalisierungseffekt und damit
steigt die Detail-Erkennbarkeit von Objekten.
Während des Überflugs mit einem
Multispektralscanner entstehen gleichzeitig mehrere Bilder vom gleichen
Geländeausschnitt: Nach Wellenlängenbereichen (Kanälen) getrennt werden
Daten zum Beispiel im sichtbaren, nahinfraroten oder thermal-infraroten Wellenlängenbereich vom selben Areal aufgezeichnet. Dies bedeutet, dass pro Pixel
so viele Reflexionsechos registriert und
gespeichert werden, wie es der Anzahl
der Aufnahmekanäle entspricht. Es entsteht ein mehrdimensionaler Datensatz
des selben Geländeausschnitts.
Zur bildhaften Visualisierung und zur
Auswertung z. B. am Computer stehen allerdings nur die drei Grundfarben (Rot,
Grün, Blau) zur Verfügung. Daher muss
bei mehr als drei Aufnahmekanälen eine
Auswahl der darzustellenden Kanäle erfolgen. Vorteil dieser Multispektraltechnik ist, dass auch für den Menschen unsichtbare Sachverhalte, z. B. im InfrarotBereich, durch Farbcodierung mit den
Grundfarben sichtbar gemacht werden
können (vgl. Abb. 1). Gängige Farbdarstellungen sind z. B. die Naturfarben-
Darstellung und die Falschfarben-Rotversion.
Da sich Oberflächen bzw. Objekte in
ihrem Reflexionsverhalten sehr unterschiedlich verhalten, kann man bei
Kenntnis der Reflexionscharakteristik
und bei Aufnahmekanälen die im elektromagnetischen Spektrum an geeigneter
Stelle platziert sind, entsprechende Objekte identifizieren. In diesem Zusammenhang wurde der Begriff des „Spektralen Steckbriefs“ geprägt. Jedes Material, jede Landnutzung hat über das elektromagnetische Spektrum verteilt eine
charakteristische Reflektionskurve. An
bestimmten Stellen im Spektrum unterscheidet sich eine Landnutzung von einer
zweiten Landnutzung (vgl. Abb. 2). Sind
an diesen Stellen Aufnahmekanäle verfügbar, so ist eine Differenzierung der
verschiedenen Landnutzungen möglich.
Zusätzlich spielt insbesondere bei Vegetationsoberflächen der Aufnahmetermin eine entscheidende Rolle zur gezielten Vegetationsdifferenzierung, da sich
das Reflektionsverhalten biotischer
Oberflächen im Jahresverlauf ständig verändert (Phänologie).
Grundlagen der Radar-Technik
Radar-Systeme nutzen den Bereich der
Mikrowellen (ein Millimeter bis ein
Meter Wellenlänge) des elektromagnetischen Spektrums. Selbstverständlich
emittiert die Erdoberfläche selbst Mikrowellen in diesem Bereich. Auf Grund ihrer geringen Intensität lassen sie sich nur
schlecht aufzeichnen. Daher nutzt man
aktive Mikrowellen-Systeme, die genau
definierte Mikrowellen selbst erzeugen
und mit hoher Intensität abstrahlen. Im
Unterschied zur Multispektraltechnik,
wo im Wesentlichen in verschiedenen
Kanälen (multispektral) die Stärke der
reflektierten Sonnenenergie aufgezeichnet wird, registrieren Radar-Systeme neben der Stärke des reflektierten RadarEchos auch die Laufzeit, die zwischen
dem Aussenden eines Radar-Impulses bis
zum Auffangen des Echos verstreicht.
Dies dient der Entfernungsbestimmung
zwischen Aufnahmeobjekt und Sender
bzw. Empfänger.
Name
Spektrum
Geom. Auflösung Start
Internet-Adresse
Landsat-7
SPOT-5
IRS-1C
ASTER
IKONOS-2
Quickbird
PAN/MS
PAN/MS
PAN/MS
MS
PAN/MS
PAN/MS
15/30 m
2,5/10 m
5,8/23 m
15-30 m
1/4 m
0,61/2,44 m
Landsat.gsfc.nasa.gov
www.spotimage.fr
www.euromap.de/doc_004.htm
Asterweb.jpl.nasa.gov
www.spaceimaging.com
www.digitalglobe.com
15. 04. 1999
04. 05. 2002
28. 12. 1995
22. 12. 1999
24. 09. 1999
18. 01. 2001
Anmerkung: PAN = Panchromatisch, MS = Multispektral
Ausgewählte Satellitensysteme und ihre wichtigsten Parameter
5
6
60
Sichtbar
1 2
NIR
3
Mittleres Infrarot
4
5
7
50
Trockener Boden
40
30
20
10
Vegetation
Wasser
0
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
Wellenlänge [µm]
1,9
2,1
2,3
2,5
© westermann
Reflektion [%]
aus: FAO 1993
Abb. 2: Reflektionskurven unterschiedlicher Materialien. In grauen Balken sind die
Aufnahmekanäle von Landsat TM dargestellt. Im Kanal 4 lassen sich die
dargestellten Materialien bzw. Objekte gut trennen.
Abb. 3: Radarrückstreuung natürlicher Oberflächen im X-, C- und L-Band.
aus: FAO 1993
Bedingt durch die langen Wellenlängen, die zur Aufnahme verwendet werden, sind Radar-Systeme weitgehend unbeeinflusst von atmosphärischen Absorptionsprozessen. Sie sind im Gegensatz zu optischen Multispektral-Sensoren
sogar in der Lage, Wolken und Regen zu
durchdringen. Während Wolkenbedeckung die Aufnahmen der multispektralen Scanner im optischen und infraroten Wellenlängenbereich unmöglich
macht, können Radar-Systeme somit
selbst unter derartig ungünstigen Witterungsbedingungen Bildmaterial der Erdoberfläche liefern. Zudem sind sie auf
Grund ihrer eigenen Energiequelle auch
nachts einsetzbar. In Abhängigkeit von
der eingesetzten Wellenlänge können die
Radarwellen sogar in gewisse Oberflächen eindringen, z. B. in Pflanzenbestände oder Böden und werden in diesem
Fall nicht an der Oberfläche reflektiert,
sondern in der Tiefe.
Die Abbildung 3 verdeutlicht diesen
wellenlängenabhängigen Rückstreuungsprozess, bei dem mit zunehmender Wellenlänge die Eindringtiefe steigt. Das
kurzwellige X-Band wird beispielsweise
an der Oberfläche der Baumkronen
reflektiert, während das langwellige LBand die gesamte Krone durchdringt und
am Boden bzw. am Stamm reflektiert. Es
ist unübersehbar, dass das X-Band somit
eine völlig andere Information liefert als
das L-Band.
Die Stärke eines Radarechos hängt
ganz wesentlich von der elektrischen
Leitfähigkeit des reflektierenden Objektes (z. B. feucht oder trocken), der geometrischen Ausrichtung des Objektes relativ zur Radarantenne und von der Rauhigkeit der Objektoberfläche ab. Wird ein
Radar-Signal beispielsweise zweifach reflektiert, wie in Abb. 4, so wird die Mikrowellenstrahlung genau in Richtung
der Radar-Empfangsantenne reflektiert;
dies entspricht einer spiegelnden Reflektion und verursacht starke Radar-Echos.
Die Rauhigkeit von Oberflächen ist in der
Radar-Fernerkundung ein relativer Begriff. Eine Oberfläche mit 10 cm ReliefUnterschieden erscheint dem X-Band
mit 3 cm Wellenlänge als rauh, während
sie dem L-Band mit 15 cm Wellenlänge
als glatt erscheint, da die Wellenlänge
größer ist als die Höhenunterschiede der
betrachteten Oberfläche.
Ebenso wie es zur spiegelnden Reflektion hin zum Sensor kommt, kann bei
glatten Oberflächen die gesamte Einstrahlung vom Sensor weg gerichtet werden, sodass kein Signal aufgezeichnet
wird. In den meisten Fällen kommt es zu
diffuser Reflektion in verschiedene Richtungen.
Abb. 4: Beiträge der Radarrückstreuung in Waldgebieten
A: Direkte Rückstreuung am Kronendach
B: Vielfachstreuung und Volumenstreuung im Kronenraum
C: Direkte Streuung am Boden
D: Stamm/Boden (oder Wasser) Interaktionen
E: Schattenwurf von Bäumen
Praxis Geographie 3/2003
Die CD-ROM zum Heft
Festzuhalten bleibt hier, dass sich die
gesamte Radar-Aufnahmetechnik ebenso wie die Parameter, die die Radar-Bildentstehung steuern, vollständig von den
zuvor erläuterten Aufnahmetechniken
und Reflektionsmechanismen im optischen und infraroten Bereich unterscheiden.
Anwendungsmöglichkeiten
Die Datensätze der Geo-Fernerkundung
sind nicht-generalisierte Bilder. Im Gegensatz zu Landkarten existiert kein fester Maßstab oder eine fest definierte Legende. Im Gegenteil: Jedes Bild ist ein
Unikat, das einen Geländeausschnitt zu
einem bestimmten Zeitpunkt darstellt.
Zur Auswertung derartiger, flächenhafter Momentaufnahmen bedarf es spezieller Computer-gestützter Auswerte-Routinen (Digitale Bildverarbeitung) bzw. geeigneter Interpretationsverfahren zur Informationsextraktion. Ein elementarer
Verarbeitungsschritt ist die Geocodierung. Das bisher koordinatenlose Bildprodukt wird in ein kartographisches Referenzsystem mit Koordinaten überführt.
Dies ermöglicht z. B. den multitemporalen Vergleich von Bilddaten des gleichen
Raumes zu unterschiedlichen Zeitpunkten (vgl. Keil, Hochschild in diesem
Heft), aber auch die Überlagerung und
Verschneidung mit Zusatzdaten eines
GIS (vgl. Beitrag Grenzdörffer).
Die Beiträge in diesem Heft zeigen anhand der gewählten Beispiele, dass sich
Geo-Fernerkundung sowohl für anthropo- als auch für physisch-geographische
Fragestellungen einsetzen lässt. In der
Agrargeographie wird Fernerkundung
nicht mehr allein zu agrarstatistischen
Fragen oder zu Ernte-Prognosen verwendet – der Beitrag von Grenzdörffer
zeigt auf, wie Bilder hoher Aktualität direkt kurzfristige Entscheidungen in der
Pflanzenproduktion unterstützen können.
Auch Fragestellungen des urbanen
Raumes lassen sich mit Hilfe der Fernerkundung gezielt bearbeiten (Beitrag Jürgens). Vor dem Hintergrund einer global
zunehmenden Verstädterung, helfen Fernerkundungsdaten bei der Analyse der
im urbanen bzw. sub-urbanen Raum ablaufenden Prozesse. Aufbauend auf den
gewonnenen Erkenntnissen kann dann
die Planung problem-orientiert ansetzen.
Im Bereich der physischen Geographie setzt man die Fernerkundung ebenso als Monitoring-Instrument ein wie in
der Anthropogeographie, um aus Zeitreihenaufnahmen Prozesse wie z. B. die Regenwald-Zerstörung zu dokumentieren
und Schutzabkommen zu überwachen.
Praxis Geographie 3/2003
Inhalte und Materialien der Fernerkundung benötigen, wenn sie auf LayoutRichtlinien einer etablierten Zeitschrift
treffen, gelegentlich abweichende Wege der Präsentation. Der hohe Anteil
von notwendigen farbigen Abbildungen ließ die Kombination des Heftes
mit einer CD-ROM als Medienträger
notwendig und sinnvoll erscheinen.
Auf diese Weise können Abbildungen
sowohl über Farbdrucker, über Computerpräsentationen als auch in Form von
Internetmaterial auf Schulservern zugänglich gemacht werden. Auf Grund
der „Zusammenarbeit“ von Praxis-Heft
und CD-ROM wird dabei – wo es sinnvoll erscheint – von der bewährten
ausschließlichen Präsentation von
Materialien in Form von Kopiervorlagen innerhalb des Heftes abgewichen.
Den Materialienteil des Heftes können
so gelegentlich Erklärungen und Interpretationen zu Medien auf der CDROM bilden, was durch ein CD-Symbol
neben den Materialköpfen kenntlich
gemacht ist.
Auf der CD-ROM befinden sich
neben den Heftmaterialien zusätzliche
Medien und Präsentationen zur Thematik die sich hervorragend als „Steinbruch“ für vielfältige Themen im
Unterricht nutzen lassen.
Die tropischen Regenwälder sind in ihrer
Artenvielfalt einzigartig und haben darüber hinaus zentrale Bedeutung für das
globale Klima. Der Beitrag Keil zeigt, wie
die Fernerkundung mittels einzelner Momentaufnahmen die lückenlose und objektive Dokumentation der Landnutzungsveränderungen im tropischen Regenwald ermöglicht. Vor dem Hintergrund hoher Wolkenbedeckung sind hier
die Radarsensoren gegenüber optischen
Sensoren deutlich im Vorteil.
Auch in aktuellen Hochwasser-Situationen liefern Radarsensoren meist
schnell Informationen über die Überflutungsflächen wie der Beitrag Hochschild
zeigt. Zudem eignen sich Fernerkundungsdaten als Input für hydrologische
Modelle, die verschiedenste (auch hypothetische) Szenarien veranschaulichen,
sodass Entscheidungsträger im Katastrophenfall vorbereitet sind oder zukünftig
für eine hochwasserverträgliche Raumplanung sorgen können.
Der Beitrag Hoppe demonstriert den
Wert von Zeitseriendaten. Nutzungsveränderungen z. B. auf Grund des Strukturwandels im Ruhrgebiet lassen sich mit
Luftbildern verschiedener Aufnahmetermine dokumentieren. Mithilfe eines
Geographischen Informations-Systems
lassen sich die Veränderungen analysieren und quantifizieren.
Die Beispiele verdeutlichen, dass insbesondere die Aktualität das Charakteristikum der Momentaufnahmen die Fernerkundung in vielen Fällen unverzichtbar
macht. Die Objektivität des Datenmaterials ist ebenso für zahlreiche Fragenstellungen wichtig. Die Beiträge dieses Heftes
verdeutlichen aber auch, dass die Informationen, die aus Fernerkundungsdaten
gewonnen wurden, zumeist mit weiteren
Datensätzen eines GIS verarbeitet werden müssen, um komplexe Fragen beantworten zu können.
Ausblick
Die Geo-Fernerkundung ist nach wie vor
eine sich sehr dynamisch entwickelnde
Disziplin. Seit dem Start des ersten Erdbeobachtungssatelliten Landsat-1 im Juli
1972 nimmt die Zahl neuer satellitengetragener Sensoren ständig zu. Neben
Multispektral-Scannern kommen panchromatische ebenso wie HyperspektralSensoren (bis zu 200 Kanäle) zum Einsatz. Auch stereofähige Systeme, die die
Erstellung von 3-D-Ansichten und Ableitung von digitalen Oberflächenmodellen
ermöglichen, werden genutzt. Die zunehmend höhere geometrische Auflösung der eingesetzten Systeme ebenso
wie die sich deutlich verkürzenden Repetitionszyklen eröffnen neue Anwendungsfelder für die Geo-Fernerkundung.
Zudem erleichtern Online-Tutorials im
Internet (z. B. Remote Sensing Tutorial:
http://rst.gsfc.nasa.gov.), die in die Datenverarbeitung, Datenauswertung etc.
einführen, die Arbeit mit dem Bildmaterial. Der sich ständig reduzierende Preis
der ehemals sehr teuren Satellitenbilddaten trägt ebenso dazu bei, dass neue Anwendungen entstehen. Selbst kostenlose
bzw. sehr preisgünstige Daten sind mittlerweile in hervorragender Qualität vorhanden. Zum einen kann man Quicklooks nutzen, wie das Hassenpflug in seinem Beitrag demonstriert. Zum anderen
bieten die Amerikaner ihre ASTER-Daten nahezu kostenlos zum Download im
Internet. Dies dürfte auch für die Arbeit
an Schulen eine interessante Datenquelle sein (http://asterweb.jpl.nasa.gov). ■
Literatur
Albertz, J.: Einführung in die Fernerkundung – Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern.
Darmstadt 2001
FAO: Radar Imagery: Theory and Interpretation – Lecture Notes, S. 8, RSC Series No 67. Rome 1993
Jürgens, C. (1998): Satellitenfernerkundung – Ein
Überblick über derzeitige und zukünftige Aufnahmeinstrumente. Geoökodynamik, Band XIX, S. 119–137
Swain, P. H. und Davis, S. M.: Remote Sensing: The
quantitative approach. McGraw-Hill, New York 1978
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