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Titel der Pr

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... Aktivit t und ist stark mit Dichte und Vitalit t der Vegetationsdecke korreliert December 1998 InfoTerra/TerraSAR GL-Vorlage Fernerkundung ... – PowerPoint PPT presentation

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Title: Titel der Pr


1
Einführung in die Prinzipien der
Satellitenbildauswertung
2
Fernerkundung - Objekterkennung über
elektromagnetische Strahlung
  • In der Fernerkundung werden Informationen über
    Objekte ohne direkten Kontakt zwischen den
    Objekten und den Meßinstrumenten gewonnen.
  • Die Informationen erhält man durch die Messung
    und Auswertung der von den Objekten reflektierten
    bzw. ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung.
  • Das sichtbare Licht ist der Bereich des
    elektromagnetischen Spektrums, der vom
    menschlichen Auge wahrgenommen wird, das
    elektromagnetische Spektrum umfaßt jedoch viele
    weitere Bereiche
  • Die Fernerkundung nutzt zwar nicht alle Formen
    elektromagnetischer Strahlung, jedoch übertrifft
    sie die spektralen Möglichkeiten des menschlichen
    Auges bei weitem.
  • Außer dem sichtbaren Licht können auch das
    Infrarot und Mikrowellen von den
    Fernerkundungssystemen genutzt werden. Diese drei
    Strahlungsbereiche sind u.a. deswegen besonders
    für die Fernerkundung geeignet,weil hier die
    atmosphärische Durchlässigkeit am größten ist.

3
Elektromagnetische Strahlung
  • Die Sonne ist die wichtigste Quelle
    elektromagnetischer Strahlung. Sie sendet mit
    unterschiedlicher Intensität Wellen aller
    Frequenzen aus.
  • Die Atmosphäre ist für bestimmte Strahlen fast
    völlig undurchlässig, für andere dagegen nahezu
    völlig durchlässig.
  • Bereiche, für die die Atmosphäre durchlässig ist,
    sind für die Fernerkundung von besonderer
    Wichtigkeit.
  • Sie werden als atmosphärische Fenster bezeichnet.
  • Die größten dieser Fenster befinden sich im
    Bereich des sichtbaren Lichts und des
    reflektierten (auch nahen oder solaren)
    Infrarots.
  • Die folgende Abbildung zeigt, daß das größte
    Fenster im Bereich des sichtbaren Lichts liegt
    hier ist auch die Ausstrahlung der Sonne am
    stärksten. Dieses Fenster ist daher für die
    Fernerkundung das wichtigste.
  • Strahlen mit kürzeren Wellenlängen, wie das
    Ultraviolett und der Bereich der sehr
    kurzwelligen Röntgenstrahlen, werden von der
    Atmosphäre absorbiert und sind daher für die
    Fernerkundung weitgehend ungeeignet

4
Elektromagnetische Strahlung und atmosphärische
Fenster
5
Das Infrarot-Spektrum
  • Der als Infrarot bezeichnete Wellenlängenbereich
    zwischen 0,78 und 1000 µm (1 mm) besteht aus zwei
    grundsätzlich verschiedenen Strahlungen.
  • Das nahe Infrarot und das mittlere Infrarot
    zwischen 0,78 und etwa 3,5 µm, die unmittelbar an
    das sichtbare Licht anschließen
  • Sie werden auch als reflektiertes Infrarot
    (Reflected IR) bezeichnet, da es von der
    Reflexion der Sonnenstrahlung herrührt.
  • Das ferne Infrarot stellt dagegen die von der
    Erde ausgestrahlte Wärmestrahlung (Wärmeemission)
    dar.
  • Es wird daher auch als thermales Infrarot
    (Thermal IR) bezeichnet

6
Infrarot und atmosphärische Durchlässigkeit
  • Strahlen im infraroten Bereich verhalten sich
    beim Durchdringen der Atmosphäre unterschiedlich.
  • Strahlen von 2,5 - 3,5 µm und 5,0 -7,5 µm werden
    absorbiert.
  • Strahlung zwischen 0,78 und 2,5 µm im Bereich des
    reflektierten Infrarot, zwischen 3,5 und 4 µm und
    zwischen 8 und 12 µm im Bereich des thermalen
    Infrarot werden nicht absorbiert

7
Mikrowellen (Radarsensorik)
  • Die längeren Wellenlängen im Mikrowellenbereich
    werden atmosphärisch kaum gestört.
  • Mikrowellen können
  • Wolken,
  • Nebel,
  • Rauch,
  • Dunst
  • und Schnee durchdringen
  • lediglich starke Regenschauer verursachen bei
    kürzeren Wellenlängen deutliche Störungen.
  • Zur Reflexion der Sonnenstrahlung kommt im
    Mikrowellenbereich noch die Eigenstrahlung der
    Objekte auf der Erdoberfläche ( natürliche
    Emission) hinzu. Beide Strahlungen werden in der
    passiven Mikrowellenerkundung genutzt.
  • Da die Reflexionen von der Erdoberfläche und die
    natürlichen Emissionen im Mikrowellenbereich
    jedoch sehr gering sind, wird dieser
    Spektralbereich überwiegend in der aktiven
    Radarerkundung untersucht.
  • Hier wird die Strahlung vom Radarsystem selbst
    erzeugt und zur Erde gesendet. Die Reflexion
    (Radarecho) wird dann vom Radarsystem aufgefangen
    und als Meßwerte digital gespeichert.

8
Radarerkundung
  • Radarwellen können auch in eine lockere Bedeckung
    der Erdoberfläche mit Vegetation, Schnee, Eis und
    Sand eindringen.
  • Im Bereich der Bodenkunde weist die Erkundung mit
    aktiven Radarsystemen daher Vorteile gegenüber
    anderen Systemen auf. Im Bereich von 5 bis 10 cm
    Wellenlänge dringt die Strahlung weit genug in
    den Boden ein, sie kann auch an bewachsenen
    Standorten durchgeführt werden und kann damit
    z.B. die Ermittlung der Bodenfeuchte
    unterstützen.
  • Mit entsprechenden Frequenzen und Polarisationen
    lassen sich Mikrowellenaufnahmen auch speziell
    für vegetationskundliche Fragestellungen nutzen.

9
Spektrale Signaturen
  • Wie beschrieben werden nicht nur Reflexionen des
    sichtbaren Lichts auch Strahlungen aus weiteren
    Spektralbereichen gemessen
  • Dabei hängen die Reflexionseigenschaften der
    Geländeobjekte vor allem von dem
  • jeweiligen Material,
  • seinem physikalischen Zustand (z.B.
    Feuchtigkeit),
  • der Oberflächenrauhigkeit und
  • den geometrischen Verhältnissen (Einfallswinkel
    der Sonnenstrahlung, Beobachtungsrichtung)
  • ab.
  • Jedes Objekt auf der Erdoberfläche weist einen
    bestimmten spektralen Reflexionsgrad in
    Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung
    auf.
  • Werden nur die Intensitäten der reflektierten
    Strahlung in eng begrenzten Spektralbereichen
    (den Kanälen) erfaßt, so spricht man von
  • Spektralsignaturen.

10
Die wichtigsten spektralen Signaturen
Die Balken 1,2,3,4,5,7 stellen die Bereiche der
entsprechenden Bild-Kanäle des Landsat-TM
dar. Jeder Sensor eines Satelliten nimmt genau
definierte Bereiche des elektromagnetischen
Spektrums auf und speichert diese digital. Diese
Bereiche nennt man Kanäle
11
Kanäle wichtiger Satelliten
12
Zusammenfassung Spektrum und optische
Satellitenkanäle
Der aufgenommenen Strahlungsintensität in jedem
Kanal sind Werte von 0 bis 255 zugeordnet.
Ordnet man nun jedem Wert eines Kanals einen
bestimmten Grauwert zwischen schwarz (0) und
weiß (255) zu, so kann man ein Bild der
aufgenommenen Strahlung erhalten.
13
Umlaufbahnen von Satelliten
14
Informationsgehalt Landsat TM - Kanal 1-7
Weser-Mündung
15
Die Farbdarstellung von Satellitenbildern
  • Der meisten optischen Satellitensensoren erfassen
    u.a. unter anderem jeweils getrennt rotes, grünes
    und blaues Licht, d.h. der Bereich des sichtbaren
    Lichts wird in drei Farbbereichen bzw. in drei
    Kanälen getrennt aufgenommen.
  • Durch additive Farbmischung dieser drei Kanäle
    (blaugrünrotweiß) entsteht ein scheinbar
    natürliches Bild. Gleichzeitig können immer nur
    drei Kanäle dargestellt werden.
  • Diese Daten sind allerdings nur skalare Werte,
    also Zahlenangaben ohne Einheit, d.h. man kann
    sie natürlich auch anders zuordnen und erhält so
    Falschfarbendarstellungen.
  • Wenn man z.B. die Zahlenwerte des Kanals 1, der
    Strahlung aus dem blauen Bereich des Spektrums
    aufnimmt,bei der Farbwiedergabe dem grünen
    Bereich zuordnet, die Werte aus dem Kanal 2
    (Grün) dem blauen Bereich zuordnet und nur die
    Werte des Kanals 3 (Rot) tatsächlich in Rot
    darstellt, so erhält man ein Bild, das die
    Zahlenwerte korrekt wiedergibt, aber von unserer
    gewohnten Farbzuordnung abweicht.

16
Die Eigenschaften und Anwendungsbereiche
unterschiedlicher Kanäle am Beispiel Landsat TM.
17
Beispiele für Kanalkombinationen Landsat TM
Die ersten 3 Bildkanäle kombiniert zu
einer naturnahen Farbgebung Die Art der
Farbgestaltung hängt hierbei vom subjektiven
Empfinden bei der Bildaufbereitung ab.
18
Beispiele für Kanalkombinationen Landsat TM
Standard Falschfarben- kombination
für Vegetationsdarstellungen. Bildkanäle 3 - 5 -
4 d.h. Rot-mittl.Infrarot-nah.Infr.
19
Vegetationszustand und Reflexion
  • Die Ursache der unterschiedlichen Reflexion des
    Sonnenlichts auf Vegetation hängt ab von
  • der Blattoberfläche und der Bauweise der Blätter
  • Durch
  • Streuung,
  • Brechung
  • und Reflexion
  • legt das Licht im Blatt ein Vielfaches des
    direkten Weges zurück
  • Die wesentlichen physikalischen und
    physiologischen Eigenschaften von Pflanzen und
    ihre Reflexion in verschiedenen Kanälen

Ursache Wellenlänge Kanal Blattpigmente etwa
0,4 bis 0,7 ?m Sichtbarer Bereich, überwiegend
im Grünkanal Zellstruktur etwa 0,7 bis 1,2
?m Nahes Infrarot (Kanal 4 Landsat
TM) Wassergehalt etwa 1,2 bis 2,4 ?m Mittleres
Infrarot (Kanal 5 Landsat TM)
20
Spezielle Vegetationsanalyse - Vegetationsindex
  • Biomassegehalte und Zustand der Vegetation lassen
    sich durch die Bildung von Indizes aus zwei oder
    mehr Kanälen hervorheben
  • Der bekannteste Index ist der NDVI (Normalized
    Difference Vegetation Index).
  • Die spektrale Signatur vitaler Vegetation zeigt
    einen sprunghaften Anstieg des Reflexionsgrades
    bei 0,7 µm, während unbewachsener Boden je nach
    Art einen stetigen, geradlinigen Verlauf
    aufweist.
  • Je aktiver das Chlorophyll der Pflanzen
    ist, desto größer ist der Anstieg des
    Reflexionsgrades im nahen Infrarot (0,78 - 1 µm).
  • Neben der Unterscheidung der Vegetation von
    anderen Objekten läßt sich somit die Stärke (und
    Vitalität) der Vegetation folgern.
  • Diesen Umstand nutzt man bei der Berechnung
    des NDVI.

21
Vegetationsindex NDVI
  • Der NDVI ergibt sich allgemein aus
  • NDVIallg nahes IR - Rot / nahes IR Rot
  • Im Bereich des Rot wird einfallende
    Sonnenstrahlung weitgehend durch die im Mesophyll
    der Blätter enthaltenen Pigmente, vor allem durch
    das Chlorophyll, absorbiert.
  • Im nahen Infrarot dagegen wird der Großteil
    der auftreffenden Strahlung vom Blattgewebe
    reflektiert.
  • Der NDVI bildet ein Maß für die photosynthetische
    Aktivität und ist stark mit Dichte und Vitalität
    der Vegetationsdecke korreliert
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