Fernerkundung 1

Arbeitsblätter zur Vorlesung
Fernerkundung 1
WS 2008/09, 7. Vorlesung
Professur Fernerkundung
erstellt Oktober 2008
Inhalt der 7. Vorlesung
●
spektrale Signatur
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●
●
●
Sensorsignal und spektrale Signaturen
●
●
●
atmosphärische Einflüsse
Umrechung Strahldichtewerte in Reflektanzen
spektrale Signaturen und Objektspezifikation
●
●
●
Professur Fernerkundung
Definition des Begriffs
ausgewählte Signaturen
●
Wasser, Schnee
●
Vegetation
●
Gesteine, Minerale, Böden
Mischsignaturen
●
Gesteine / Böden
●
Vegetation / Wasserflächen
Vegetation im photographischen Bild
Einfluß der Atmosphäre
Vegetation in Satellitenaufnahmen
2
spektrale Signatur
●
●
Sensor mißt die gerichtet reflektierte Strahldichte Lr(Θ‘,Φ‘) für eine
konkrete Einstrahlungssituation (Θ,Φ,Θ‘,Φ‘).
neben atmosphärischen Einflüssen ist Lr eine Funktion des
gerichteten Reflexionsgrades der Oberfläche.
=> der Reflexionsgrad einer Oberfläche findet sich als Helligkeit
(Grauwert) in Fernerkundungsaufnahmen wieder.
●
●
gemessene Signalstärke (d.h. reflektierter Anteil der Strahlung) ist
sowohl objekt- als auch wellenlängenabhängig
Objektabhängigkeit:
einzelne Objektarten (Wasserflächen, Vegetation,
Böden/Gesteine) weisen spezifische Reflexionsgrade in
den jeweiligen Spektralbereichen auf
=> „Reflexionscharakteristika“ einer Objektart.
=> „spektrale Signatur“ (spectral signature)
Professur Fernerkundung
3
aus: Christiansen, Uni Giessen
spektrale Signatur
spektrale Signatur
eine Definition ...
bezeichnet das für ein
Objekt bzw. Material
charakteristische Frequenzmuster der elektromagnetischen
Strahlung, die vom Material / Objekt reflektiert wird.
●
●
●
Professur Fernerkundung
liefert einen “spektralen Fingerabdruck“ des Objektes
bildet Grundlage für die spektrale Klassifikation von Objekten
bzw. die Interpretation von FE Bilddaten
wird i. allg. graphisch dargestellt unter Verwendung des
Reflexionsgrades als Funktion der Wellenlänge
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ausgewählte spektrale Signaturen
(nach KRAUS Bd. 1, 1988)
Spektraler Reflexionsgrad
von Gewässern und Schnee
Professur Fernerkundung
(nach HAN, 1997)
(nach HALL, et. al., 1985)
5
ausgewählte spektrale Signaturen
Spektraler Reflexionsgrad eines grünen Laubblattes
spektrale Signatur von Vegetation
wird bestimmt durch
●
●
●
Professur Fernerkundung
Pigmentabsorption
Zellstruktur
Wasserabsorption
(VIS)
(NIR)
(mIR)
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ausgewählte spektrale Signaturen
Absorptionsspektrum von Chlorophyll
reflektierte (R), absorbierte (A) und
transmittierte (T) Strahlung
als Anteil der auf ein Laubblatt
auftreffenden Strahlung
Absorptionsspektren der
Blattpigmente Chlorophyll A
und Chlorophyll B
Professur Fernerkundung
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ausgewählte spektrale Signaturen
cu
Cuticula
st
Stomata
sz
Schließzellen
Anatomie eines
Laubblatts (oben)
(o,u) e
obere, untere
Epidermis
hd
Hydrodermis
und
(p,s,f) p (Palisaden-,
Schwamm-,
Faden-) Parenchym
Zellstruktur
Nadelblatts (unten)
Professur Fernerkundung
ch
Chloroplasten
kr
Zelle mit
Kristallsand
hk
Harzkanal
a
Atemhöhle
ed
Endodermis
tg
Transfusionsgewebe
lb
Leitbündel
ph
Phloem
xy
Xylem
8
ausgewählte spektrale Signaturen
spektrale Reflexion, spektrale Transmission,
spektrale Absorption:
reflektierte, absorbierte und transmittierte Strahlung als Anteil
der auf ein Laubblatt auftreffenden Strahlung
Professur Fernerkundung
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ausgewählte spektrale Signaturen
spezifische spektrale Signaturen für verschiedene
Baumarten
Spektrale Reflexion von
Kiefer (1)
Fichte (2)
Birke (3)
Buche (4)
Eiche (5)
Wellenbereich 0,4 µm bis 1,0 µm
Reflexion von Licht- und
Schattenblättern des
Avocadobaumes
(1) Lichtblatt jung
(2) Lichtblatt alt
(3) Schattenblatt jung
Professur Fernerkundung
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ausgewählte spektrale Signaturen
Vegetationsarten
Vegetationsschäden
Spektrale Signatur für
Laubbaumblätter in
Abhängigkeit der
Vegetationsart (links)
und ihre Veränderung
durch Schädigung der
Vegetation
(Vergleich der
Kennlinie im rechten
Schaubild mit der
ausgezogenen Linie
im linken Schaubild)
Professur Fernerkundung
Reflexion eine grünen (1)
bzw. eines alternden (2)
Wildkirschenblattes
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ausgewählte spektrale Signaturen
Vegetation – Einfluß der Vitalität auf die spektrale
Signatur
Spektrale Signatur eines
grünen Laubblattes
Bei zunehmender Schädigung der Vegetation:
1. Zunahme der Reflexion im sichtbaren Bereich;
insbesondere im roten Spektralbereich, da durch
eingeschränkte Photosynthese auch verminderter
Chlorophyllgehalt
2. Abnahme des Reflexionsgrades im nahen Infrarot
durch Veränderung der Zellstruktur
3.
Professur Fernerkundung
Zunahme der Reflexion im mittleren Infrarot durch
Abnahme des Wassergehaltes (weniger Absorption)
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ausgewählte spektrale Signaturen
Vegetation – Zusammenfassung
Faktoren, die zur Veränderung der spektralen Signatur
von Vegetation führen können:
Professur Fernerkundung
●
Species
●
Lage
●
Ausbildungsgrad von Pflanze und Blattwerk
●
Nährstoffversorgung
●
Blattstellung
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ausgewählte spektrale Signaturen
80
sichtbarer
Bereich
nahes IR
Reflexion (%)
60
0
0.4
0.6
0.8
1.0
Wellenlänge µm
1.2
Quelle: Sabins 1978, S. 47 (modifiz.),
Originalabb. Goetz 1976
Gestein
• keine Transmission, Strahlung wird also absorbiert oder reflektiert
• Reflexionsstärke hängt stark von der Mineralzusammensetzung ab
• charakteristisch ist allmähliche, relative Zunahme der Reflexion mit
zunehmender Wellenlänge
Professur Fernerkundung
• die absolute Stärke des Signals variiert, abhängig von der Helligkeit
des Gesteins; relative Zunahme bleibt aber erhalten
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aus Christiansen, Uni Giessen
ausgewählte spektrale Signaturen
Minerale
Im Labor ermittelte hochauflösende Spektren von
Mineralen im Wellenlängenbereich 2,0 bis 2,4 µm
Professur Fernerkundung
(1)
Kaolinit
(2)
Kalzit
(3)
Montmorillonit
(4)
Alunit
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ausgewählte spektrale Signaturen
Böden
• keine Transmission, Strahlung wird absorbiert oder reflektiert
• reflektierte Strahlung hängt von den obersten cm der
Bodenoberfläche ab
• Boden besteht aus verwittertem Gestein, Wasser und
organischer Substanz
=> Resultat ist ein Mischsignal
• Refl.-charakter von grobkörnigem, steinigem, trockenem
Boden ohne organische Substanz ähnelt dem des
Ausgangsgesteins
• bei feiner werdender Körnung und zunehmender
Bodenfeuchte wird Refl.-charakter vom Bodenwasser
beeinflußt (Reflexionsminima bei 1,45 und 1,9 µm)
• weitere Faktoren: organische Substanz, Rauhigkeit der
Bodenoberfläche, Eisengehalt etc.
Professur Fernerkundung
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ausgewählte spektrale Signaturen
Böden
Infrarotbereich
Reflexion (%)
30
1.3 µm
20
1.6 µm
10
0
0.4
0.7
0.8
1.0
Wellenlänge (µm)
1.8
2.0
2.2
2.4
a = organische Materialien dominieren
b = kaum verwittert
c = Eisen verwittert
d = organisch beeinflusst
e = Eisen dominierend
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aus Christiansen, Uni Giessen
ausgewählte spektrale Signaturen
Spektraler Reflexionsgrad von vegetationslosem
Boden (als Vergleich: Schnee)
Professur Fernerkundung
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Mischsignaturen
Mischsignaturen: Gestein mit variablem Vegetationsanteil
Einfluss von Grasbewuchs (1- 0%, 2-10%, 3- 30%, 4- 50%) auf die
spektrale Reflexion von Sandstein
 Gestein/ Boden: hoher Reflexionsanteil im sichtbaren und im mittleren IR
Professur Fernerkundung
 Vegetation:
Dominanz im NIR
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Mischsignaturen
Mischsignaturen:
Vegetation / Wasser
Wassergehalt in Böden
Einfluss einer Überflutung auf die
Professur Fernerkundung
spektrale Reflexion von Vegetation
Spektrale Signaturen für einen Boden
(1) nicht überflutet, (2) überflutet
bei unterschiedlichem Wassergehalt
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am Sensor registrierte Strahlung versus spektrale Signaturen
Atmosphäreneinfluß
Die spektrale Signatur einer natürlichen Oberfläche ist
durch atmosphärische Einflüsse überlagert, weshalb das
am Sensor registrierte Signal aus mehreren Anteilen
besteht
RA ... Strahlungsanteil zufolge atmosphärischer Streuung
RS ... Strahlungsanteil zufolge Reflexion an der Erdoberfläche
Professur Fernerkundung
RSA ... Strahlungsanteil zufolge Reflexion an der Erdoberfläche und
anschließender atmosphärischer Streuung
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am Sensor registrierte Strahlung versus spektrale Signaturen
Der Sensor mißt die gerichtet reflektierte
Strahldichte L r(Θ‘,Φ‘) für eine konkrete
Einstrahlungssituation (Θ,Φ,Θ‘,Φ‘)
•
Signal am Sensor ist abhängig von der Strahldichte L(Θ,Φ) der
Quelle im Zeitpunkt der Aufnahme!
•
Die solare Strahldichte variiert im Verlauf eines Jahres u. a. auf
Grund des schwankenden Abstandes Sonne – Erde.
•
Das Signal eines Sensors muß auf einen mittleren Abstand (und
damit auf eine mittlere Strahldichte) „normiert“ werden, wenn aus
den gemessenen Strahldichtewerten Lr vergleichbare Werte
(Reflexionsgrade) abgeleitet werden sollen.
Professur Fernerkundung
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am Sensor registrierte Strahlung versus spektrale Signaturen
Umrechnung gemessener Strahldichtewerte L r(Θ‘,Φ‘)
in Reflektanzen ρ
 Lr ' ,  '
1
=
Li  , k cos S 
●
L r (Θ‘,Φ‘) ... vom Sensor gemessene Strahldichte
●
L i (Θ‘,Φ‘) ... Strahldichte der Sonne (solar flux) für den vom Sensor
erfaßten Spektralbereich
●
Θs
... Zenitwinkel der Sonne
●
k
... Korrekturfaktor für den variablen Abstand Sonne – Erde
●
J
… Tage des Jahres [1, …, 365]
k =
Professur Fernerkundung
  360


1 + 0.0334 * cos 
* J − 0.04748  * 2π

360

  365.25

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Jahresgang des Abstandes Sonne - Erde
Darstellung der Korrektur des Abstandes Sonne –
Erde für den Verlauf eines Jahres
Min: 0.9666 (04.07.2006)
Max: 1.0334 (03.01.2006)
360
336
312
288
264
240
216
192
168
144
120
96
72
48
24
1,04
1,02
1
0,98
0,96
0,94
0,92
0
Korrekturfaktor
Jahresverlauf der Korrektur auf den mittleren Abstand Sonne - Erde
Tag des Jahres 2006
Jahresverlauf der Korrektur auf den mittleren Abstand Sonne - Erde
Professur Fernerkundung
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spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Normalfarbfilm
Farbinfrarotfilm
Spektrale Signatur eines
Laubblattes und
Relation zur Farbbildung für
Normalfarbfilm (links) und
Farbinfrarotfilm (rechts)
Professur Fernerkundung
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spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Vegetation im photographischen Bild
• Belichtung der 3 Schichten des Normalfarb- bzw. Farbinfrarotfilmes in Abhängigkeit von der spektralen Signatur von
Vegetation.
• je nach Intensität der Belichtung entstehen durch KupplerFarbstoffkomponenten auf dem Film die Komplementärfarben
in reziprok-proportionalem Ausmaß (hohe Belichtung =>
geringe Farbintensität)
Normalfarbfilm
Farbinfrarotfilm
blau sensibilisierte
Schicht
grün sensibilisierte
Schicht
rot sensibilisierte
Schicht
grün sensibilisierte
Schicht
rot sensibilisierte
Schicht
NIR sensibilisierte
Schicht
Farbkuppler
gelb
magenta
cyan
Professur Fernerkundung
• Farbinfrarotfilm: Das blaue Licht beeinflusst alle drei Schichten,
es muss durch einen vorgeschalteten Orange-Filter gefiltert 26
werden.
spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Normalfarbfilm
Farbinfrarotfilm
Farbkuppler
gelb
blau sensibilisierte grün sensibilisierte
Schicht
Schicht
magenta
grün sensibilisierte rot sensibilisierte
Schicht
Schicht
cyan
rot sensibilisierte
Schicht
• Grünes Blatt im Normalfarbfilm:
blau- und rotempfindliche Schicht kaum beeinflusst, die
grünempfindliche Schicht hingegen sehr stark;
NIR sensibilisierte
Schicht
in der Umkehrfarbentwicklung (Negativ):
dicke Schichten Gelb und Cyan, dünne Schicht Magenta
im Film;
im weißen Durchlicht:
Farbschichten wie subtraktive Filter: => dünne
Magentaschicht kaum wirksam  resultierender
Farbeindruck Grün (Komplementärfarbe zu Magenta)
•
Professur Fernerkundung
Grünes Blatt im Farbinfrarotfilm:
Verschiebung der Sensibilitätsbereiche berücksichtigen
dicke Schicht Magenta und Gelb, dünne Schicht Cyan
=> resultierender Farbeindruck Rot (entspricht dem
Sspektralbereich NIR)
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spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Reaktion des Farbinfrarotfilms auf Änderungen der
spektralen Reflexion eines Laubblattes zufolge Schädigung
Professur Fernerkundung
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spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Atmosphäreneinfluß im photographischen Bild
Zum Zeitpunkt der Belichtung des Luftbildfilms wirksame
spektrale Rückstrahlung von Vegetation
1.
2.
3.
Professur Fernerkundung
4.
5.
Reflexionskurve bei Sonnenstrahlung
zusätzliche Streulichtwirkung für sonnenbestrahlte Flächen
Gesamtreflexion von sonnenbestrahlter Vegetation mit
Streulichtüberlagerung
Lichtdurchlässigkeit eines minus-blue-Filters
auf die photographische Schicht auftreffende Strahlung
sonnenbestrahlter Vegetation
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spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Vegetation und Satellitenaufnahmen
Spektrale Bandbreiten der Kanäle von (A) Landsat MSS, (B) Landsat
TM, (C) SPOT HRV und (D) NOAA-AVHRR in Vergleich mit den
spektralen Signaturen von Vegetation bzw. Boden
Professur Fernerkundung
30
Spektrale Signaturen und Objektspezifikation
Professur Fernerkundung
IKONOS Farbinfrarotaufnahme Innenstadt Dresden (rechts August 2002)
31
Objektwiedergabe im Farbinfrarot-Luftbild
Ausschnitt eines CIR-Luftbildes
(Guttauer Teiche)
Professur Fernerkundung
Spektrale Signaturen für Wasser, Vegetation und Boden
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