Luftbildanalyse und Fernerkundung

Luftbildanalyse und Fernerkundung
3. Einheit - 21. Oktober 2004
+ Beginn pünktlich 14:00 Uhr
+ Folien zur Vorlesung unter
http://homepage.univie.ac.at/thomas.engleder
Fernerkundungssystem & Physikalische Grundlagen
Bild =
Ergebnis eines Abbildungsprozesses mit zugrunde liegenden
geometrischen + physikalischen Aspekten
d.h. in jedem Bild sind stets geometrische (räumliche) +
physikalische (radiometrische) Informationen gespeichert
geometrischer Aspekt
besagt, dass eine Information aus einer bestimmten
räumlichen Richtung kommt
physikalischer Aspekt
sagt etwas über die Intensität + spektrale
Zusammensetzung der Strahlung aus
1
Jedes System zur Aufnahme von Luft- und Satellitenbildern
ermittelt somit
+ die Richtung aus der die Strahlung kommt und
+ die Intensität der Strahlung
Bei der Aufnahme wird dann
+ die von der Erdoberfläche ausgehende und am
+ Flugzeug oder Satelliten ankommende elektromagnetische
Strahlung durch einen Empfänger in Messsignale umgesetzt
und gespeichert.
Fernerkundungs-Sensor
Einteilung von Fernerkundungssensoren:
nach der Quelle der empfangenen Strahlung
+ passive und
+ aktive Systeme
E = Empfänger od, Sensor, S = Sender
Strahlungsfluss bei aktiven & passiven FES
2
Bei passiven Systemen geht die Strahlung von einer
natürlichen Quelle aus (z.B. Sonne), erreicht dann ein GeoObjekt und wird von diesem reflektiert und/oder absorbiert.
Absorbierte Strahlung führt zu einer Erwärmung des Objektes,
welches dann wiederum thermale Strahlung emittiert
(thermales IR).
Die von dem Objekt ausgehende reflektierte und/oder
emittierte Strahlung wird dann vom passiven Sensor in
Abhängigkeit seiner spektralen Empfindlichkeit aufgezeichnet
(Kamera, TM-Scanner, Wärmesensor).
Bei aktiven Systemen sendet der Sensor selbst
elektromagnetische Strahlung aus und empfängt diese
nachdem sie mit dem Geo-Objekt wechselgewirkt hat.
Das System ist somit gleichzeitig künstliche Quelle der
Strahlung (Sender) und ihr Empfänger (z.B. Radar).
Das menschliche Auge gilt als passiver Sensor mit einer
spektralen Empfindlichkeit von etwa 400 bis 700 nm (Blau bis
Rot).
Man bezeichnet diesen Intervall des elektromagnetischen
Spektrums deshalb auch als sichtbares Licht
(VIsible Spectra = VIS).
Insektenaugen sind für einen ins Nahe Infrarot (IR)
verschobenen Intervall empfindlich. Sie können also auf das
spektrale Reflexionsmaximum der Pflanzen im IR gezielt
reagieren.
Hunde oder Katzen besitzen nur 'Schwarz-Weiß-Sensoren',
nehmen ihre Umwelt also panchromatisch und daher
andersartig war als der Mensch.
3
unterschiedliche
optische Wahrnehmung
bei Tieren
Es ist also verständlich, daß alle technischen
Fernerkundungssysteme (unabhängig von ihrer spektralen
Empfindlichkeit) die bildhafte Verarbeitung der Daten an das
Farbsystem des menschlichen Auges in den Farbtönen Blau,
Grün und Rot (RGB) anpassen müssen.
Bei einer entsprechende Farbzuweisung von Kanälen können
auch Meßwerte aus uns fremdartigen Spektralbändern sichtbar
gemacht werden (z.B. als sog. Falschfarbenbilder).
4
Ein CIR-Falschfarbenbild
(CIR=Colored InfraRed)
gibt Aufschluss über das Alter
von Biomasse, z.B. Gras,
Blätter von Büschen, etc.
Der dazu verwendete Kanal 4
ist das sog. Nahe Infrarot
(NIR).
Diese Strahlung wird von
Zellen je nach derer
Beschaffenheit gut oder
weniger gut reflektiert.
Junge Zellen sind prall gefüllt mit Flüssigkeit, sie haben also eine glatte Oberfläche; deswegen wird
das NIR beinahe vollständig reflektiert. Bei alten Zellen hingegen ist die Oberfläche runzlig,
deswegen wird nur ein geringer Teil des NIR reflektiert.
Hier wird das NIR rot dargestellt. Je heller also die rote Farbe ist, um so jünger ist in diesem
Bereich die Biomasse.
Die dunklen Flecken in der linken unteren Hälfte des Bildes zeigen ein Waldgebiet mit altem
Baumbestand.
CIR-Falschfarbenbilder sind vor allem in der Forstindustrie sehr wertvoll.
Echtfarbenbild
(3, 2, 1 – RGB)
Wie der Name schon sagt, gibt ein Echtfarbenbild die Originalfarben wieder und sieht so einem
Foto täuschend ähnlich.
Das Bild besteht aus den Graustufenbildern der Kanäle 3, 2 und 1. Die Originalfarben können
wiedergegeben werden, da der rote Kanal mit roter Farbe dargestellt wird, der grüne Kanal grün
und der blaue Kanal blau. Die Farbe jedes einzelnen Pixels wird aus dem Verhältnis der
Intensitätsstufen aus den Graustufenbildern ermittelt.
5
Spektrale Sensibilität
Die Sensiblität eines Fernerkundungssystems ist durch die
spektrale Empfindlichkeit der Sensoren definiert.
Die entsprechenden Spektralbereiche werden häufig als
Kanäle oder Bänder bezeichnet.
Wenn gleichzeitig mehrere Wellenlängenbereiche getrennt
erfaßt werden, spricht man von einem multispektralen System.
Die multispektrale Erfassung von Strahlung ist deshalb
sinnvoll, weil verschiedene Geo-Objekte (z.B. Vegetation,
Wasser, Böden, Gesteine..) in unterschiedlichen
Wellenlängenbändern auch unterschiedlich stark reflektieren –
sie sind somit multispektral differenzierbar!
Reflexionsvermögen von verschiedenen
Bodenbedeckungsarten im Bereich von 0,4 µm bis 2,6 µm
und die schematische Lage der reflektiven Landsat-TM Kanäle
6
Determinanten der Wiedergabe der Erdoberfläche im
Luft- und Satellitenbild
1. Elektromagnetische Strahlung
2. Einflüsse der Atmosphäre
3. Reflexionseigenschaften der Objekte (materialspezifisch)
1. Elektromagnetische Strahlung
Bei den folgenden physikalischen Betrachtungen wollen wir
uns auf die elekromagnetische Strahlung beschränken, da sie
die meist genutzte Energieform der Geofernerkundung zur
Erzeugung von Luft- und Satellitenbildern ist.
Die elektromagnetische Strahlung ist eine …
+ Form der Energieausbreitung,
die als Wellenstrahlung oder Photonenstrahl (Teilchenstrahl)
aufgefaßt werden kann. Eine Wellenstrahlung wird als ein sich
+ periodisch änderndes elektromagnetisches Feld, das sich mit
+ Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, interpretiert.
7
Elektromagnetische Strahlung
Gekennzeichnet ist die elektromagn. Strahlung durch die
Frequenz und die Wellenlänge .
Letztere ist üblicherweise die entscheidende Größe in der
Fernerkundung, da alle Sensoren über ihre Sensibilität bzgl.
der Wellenlänge definiert sind.
Als Einheiten der Wellenlänge werden folgende Größen
benutzt:
1 nm (Nanometer) = 0,000 000 001 m
1 µm (Mikrometer) = 0,000 001 m
1 mm (Millimeter) = 0,001 m
8
Die Gesamtheit der bei der elektromagnetischen Strahlung
auftretenden Wellenlängen wird im elektromagnetischen
Spektrum (EMS) dargestellt.
Es reicht im Falle der Sonne als Energiequelle vom
ultravioletten Bereich (UV, 300-380 nm), über das sichtbare
Band (VIS, 380-720 nm), das nahe bis mittlere, reflektierte
Infrarot (IR, 720-3000 nm) bis in das emittierte, thermale IR
(7000-14000 nm).
In Richtung der kürzeren Wellenlängen schließen sich
Röntgenstrahlen, die Gammastrahlen und die extrem
kurzwellige kosmische Hintergrundstrahlung an.
Auf der langwelligeren Seite folgt dem IR die passive
Mikrowellenstrahlung und die Radiostrahlung. Neben den sog.
solaren Bändern benutzt die Fernerkundung auch die aktive
Mikrowellenstrahlung (z.B. Radarsysteme).
Das elektromagnetische Spektrum
= Gesamtheit der Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung
9
Das elektromagnetische Spektrum 2
10
Die Wärmestrahlung der Erde kann nur im thermalen Infrarot
genutzt werden (dort liegt auch ihr Strahlungsmaximum). In
diesem Bereich ist die Datenaufnahme von reflektiertem
Sonnenlicht praktisch unbeeinflußt.
Die Sensoren wurden so gebaut, daß sie für einen bestimmten
Wellenlängenbereich innerhalb eines atmosphärischen
Fensters sensibilisiert sind:
Photographische Systeme ( 0,3 - 1,2 µm )
Thermal-Scanner ( 3 - 14 µm )
Multispektral-Scanner ( 0,3 - 14 µm )
Radarsysteme (1 mm - 1 m ) (Sensoren senden aktiv Strahlung)
Jeder Körper befindet sich durch die Bestrahlung in ständiger
physikalischer Wechselwirkung mit seiner Umgebung.
Von dort wirkt Strahlung auf ihn ein und er gibt Strahlung an
seine Umgebung ab. Auf den material- bzw. objektspezifischen
Eigenschaften dieser Wechselwirkung beruhen alle
Fernerkundungsmethoden.
Die elektromagnetische Strahlung, die auf den Körper trifft,
wird zu einem Teil an seiner Oberfläche reflektiert , z.T.
absorbiert oder durchdringt den Körper (transmittiert).
Die einzelnen Anteile variieren je nach Material und
auftreffender Wellenlänge der Strahlung stark.
Die quantitative Beschreibung des Strahlungsflusses erfolgt
über die dimensionslosen Größen Transmission (T), Reflexion
(R) und Absorption (A).
11
Was passiert mit der elektromagnetische Strahlung, die auf
einen Körper trifft?
Sie wird z. T. an seiner Oberfläche:
• reflektiert
• absorbiert
• geht durch den Körper durch (Transmission)
Die einzelnen Anteile bei diesen Vorgängen variieren sehr
stark. Sie hängen ab von:
– der Beschaffenheit des Körpers
– von der Wellenlänge der Strahlung
Transmissionsgrad + Reflexionsgrad + Absorptionsgrad = 1
Für die in der Regel strahlungsundurchlässigen Körper auf der
Erdoberfläche gilt also A + R = 1.
Die Strahlung, die ein Körper aufgrund seiner
Oberflächentemperatur an die Umgebung abgibt, wird über
den Emissionsgrad (E) definiert. Dieser beschreibt das
Verhältnis der Thermalemission des realen Körpers bei einer
bestimmten Temperatur gegenüber einem theoretischen,
perfekten Wärmestrahler, dem Schwarzkörper bei gleicher
Temperatur (Schwarzkörper absorbieren die gesamte
Strahlung und setzen sie 1:1 in Wärmestrahlung um, d.h. E =
1).
Das Kirchhoffsche Gesetz besagt, daß der Emissionsgrad
eines Körpers stets gleich dem Absorptionsgrad ist (E = A);
demnach ist ein Körper, der stark absorbiert auch ein guter
Strahler (entsprechend umgekehrt: vgl. z.B. Schnee).
Dieses Gesetz gilt für jede Wellenlänge.
12
Emissionsgrad verschiedener Oberflächen (Schwarzer Körper = 1)
8 – 14 µm Wellenlänge
Reflexionsgrad verschiedener Oberflächen (VIS, NIR - pan)
13
Reflexionsgrad verschiedener Oberflächen
Reflexionsgrad von Eichenblättern in der Vegetationsperiode
14
Bei der Wahl eines Aufnahmesystems muß
+ die Art, die Stärke und die spektrale Komposition der
Strahlungsquelle
+ das Vorhandensein eines atmosphärischen Fensters und
+ die spektrale Empfindlichkeit des Sensors
berücksichtigt werden.
15
2. Atmosphärische Einflüsse
Da die reflektierte elektromagnetische Strahlung immer eine
Wegstrecke 'Sonne-Objekt-Sensor' vor ihrer Messung
durchwandert hat, ist sie bereits zweimal von der Atmosphäre
beinträchtigt worden.
Der Informationsgehalt über das Objekt ist somit in vielerlei
Hinsicht modifiziert.
Zusätzlich ist die Atmosphäre nicht in allen
Wellenängenbereichen durchlässig; es können nur gewisse
atmosphärische Fenster zur Fernerkundung mittels reflektierter
Sonnenstrahlung genutzt werden.
Wichtige atmosphärische Fenster liegen im VIS und nahen IR
(300-2500 nm), im mittleren IR (3000-5000 nm) und im
thermalen IR (8000-13000 nm).
Die von der Sonne ausgehende extraterrestrische Strahlung
erreicht zunächst die oberen Schichten der Atmosphäre, wo
sie z.T. in den Weltraum reflektiert wird.
Der Rest unterliegt auf dem Weg zur Erdoberfläche der
Refraktion (Brechung), Streuung und Absorption.
Die Refraktion ist eine Folge der Dichtänderungen der Luft. Sie
führt zu Strahlungskrümmung und muß bei sehr genauen
photographischen Auswertungen korrigiert werden, wird aber
sonst vernachlässigt.
16
Absorption und Streuung spielen jedoch eine große Rolle,
denn beide Prozesse beinhalten Energieumwandlungen, bei
denen ein Teil der elektromagnetischen Strahlung in Wärme
oder andere kinetische Energieformen überführt wird.
Streuungsprozesse generieren weitere Energieeinbußen und
führen damit zu einer Beeinträchtigung des möglichen
Reflexionsgrades.
Intensität der Absorption und Streuungscharakteristik hängen
in starkem Maße von der Wellenlänge der Strahlung und der
Aerosol-Teilchengröße (Dunst, Staub, Wassertröpfchen) ab.
Beide Vorgänge werden auch unter dem Begriff Extinktion
zusammengefaßt.
Die Streuung in der Atmosphäre ist von großer Bedeutung für
die Beleuchtungsverhälnisse auf der Erdoberfläche und damit
auch für die Fernerkundung.
Ohne sie wäre der Himmel so schwarz wie während einer
klaren Nacht und die Sonne würde sich von ihm extrem hell
und scharf abheben.
Durch Streuung wird jedoch der ganze Raum mit einer diffusen
Strahlung erfüllt, so das er zur sekundären Energiequelle wird
und in jede Richtung Strahlung abgibt.
Diese natürliche diffuse Himmelsstrahlung hat ihr Maximum im
kurzwelligen Bereich, im ultravioletten und blauen Band (blauer
Himmel).
17
Mit zunehmender Trübung der Atmosphäre
(Dunst, Staub, Wasserdampf, etc.)
nimmt die Streuung und damit die Intensität der
Himmelstrahlung zu, der Relativanteil der kurzwelligen
Strahlung jedoch ab
(grau-weißliche Himmelsfarbe).
Strahlungs- und Streuungsverhältnisse über einem Gelände
18
Die Durchlässigkeit der Atmosphäre wird gekennzeichnet
durch den Transmissionsgrad (T) und ist stark
wellenlängenabhängig.
Atmosphärischen Gase haben unterschiedliche
Absorptionseigenschaften in Bezug zur jeweiligen
Wellenlänge.
Insbesondere Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon stellen
erhebliche atmosphärische 'Energiefilter' dar.
So wird z.B. die schädliche, harte ultraviolette Strahlung (< 300
nm) stark durch O3 absorbiert (siehe auch Problem des
'Ozonlochs').
Für Mikrowellen ist die Atmosphäre jedoch vollständig
durchlässig (ein Umstand, der die Bedeutung von Radar für
Fernerkundung wolkenverhangener Regionen unterstreicht)!
Was bedeuten obige Ausführungen für die Fernerkundung
eines Geländeabschnittes ?
Auf eine Geländeoberfläche fallen demnach immer zwei Arten
von Strahlung, nämlich die trotz Absorption und Streuung
verbleibende
+ direkte (gerichtete) Sonnenstrahlung und die
+ indirekte (diffuse) Himmelsstrahlung.
Ihre Summe wird Globalstrahlung genannt und hängt in erster
Linie von Sonnenstand, Trübungsgrad der Atmosphäre,
Geländeexposition und Höhe über NN ab.
19
Diese Globalstrahlung beleuchtet also das Geo-Objekt ,
welches wiederum Wechselwirkungen mit ihr auslöst und
bestimmte Anteile der Gesamtstrahlung reflektiert.
Auf dem Weg zum Sensor wird die reflektierte Strahlung erneut
gestreut, absorbiert und gebrochen.
Nur ein reduzierte Anteil der ursprünglichen Strahlung erreicht
als direkt reflektierte Strahlung den Sensor.
Dieser Strahlungsanteil ist meist kontrastärmer und etwas
blaustichig, so dass man bei photographischen Luftaufnahmen
aus großer Höhe oft Gelb- oder Orangefilter zur Korrektur
dieses so genannten Luftlichtes einsetzt.
Bei der visuellen Interpretation von Bildern stört dies am
wenigsten, da sich das menschliche Auge schnell an
Kontrastschwankungen anpasst.
Bei der teilautomatisierten Klassifikation von Multispektraldaten
(z.B. LANDSAT TM) können Luftlichteffekte die Qualität der
Klassifikation stark verfälschen.
Man ist dann gezwungen, diesen negativen Einfluß durch
numerische Korrekturen weitgehend zu eleminieren.
20
Erzeugung von Luftlicht, Global- und Himmelstrahlung durch
Streuungseffekte in der Atmosphäre
21
Ein bedeutender atmosphärischer Faktor hinsichtlich der
Geofernerkundung ist die Bewölkung.
Zur Aufnahmen von Luft- und Satellitenbildern im reflektiven
Spektralanteil des elektromagnetischen Spektrums ist man auf
einen wolkenfreien Himmel angewiesen.
Lediglich Mikrowellen, die zur Aufnahme von Radardaten
eingesetzt werden erlauben einen wetterunabhängigen Einsatz
von Fernerkundungsmethoden, da sie Wolken durchdringen.
Besondere spektakuläre Bedeutung haben diese Verfahren zur
planetaren Erkundung unseres wolkenverhangenen
Nachbarplaneten Venus erlangt.
22
Der Planet Venus betrachtet im sichtbaren Spektrum (links)
und im Mikrowellenbereich (rechts)
als MAGELLAN-SAR Mosaik, 1994
Globalstrahlung
• Bei wolkenlosem Himmel erzeugen
Direkte Sonnenstrahlung (S)
Himmelsstrahlung (H)
– Globalstrahlung
• Für die Befliegung ist das Verhältnis S:H ausschlaggebend
• Sie ist von der Bewölkung + vom Sonnenstand abhängig
Befliegung erfolgt meist bei wolkenlosem Himmel + einer
Sonnenhöhe >30 Grad
Die Geländebeleuchtung (=Spektralverteilung der
Globalstrahlung) ist bei dieser Bedingung für eine
waagrechte Fläche konstant
Bei hoher leichten Wolkendecke (Cirren) ist der Rotanteil
des Spektrums durch die Absorption des Wassers
geschwächt, der Blauanteil dagegen erhöht.
23
Verhältnis: Sonnen-, Himmelsstrahlung + Sonnenhöhe
Sonnenhöhe
S:H
G (S+H) in Lux
15 °
1,8 : 1
22.000
25 °
2,6 : 1
40.000
30 °
3:1
50.000
45 °
4,5 : 1
77.000
60 °
6:1
97.000
Durchschnittswerte der Remission (= Albedo)
Für sichtbares Licht (0,4 – 0,7 Mikrometer)
dunkler Wald, Hecken
Teerstraße
1–3%
8%
grünes Gras
14 %
nasser Sand (gelb)
18 %
Trockener Sand (gelb)
31 %
Altschnee
42 – 70 %
Neuschnee
80 – 85 %
24
Atmosphärische Störungen
Mit zunehmenden Trübungsgrad der Luft, z.B. durch Aerosole
(Dunst, Industrieabgase etc.), gewinnt die Himmelsstrahlung
an Bedeutung
Geschlossene Wolkendecke: Erleuchtung nur durch die
Himmelsstrahlung
Über Gebieten mit hoher Luftverschmutzung
(Industriegebiete, Großstädte, Beckenlagen) sind
Hochbefliegungen wegen des starken Luftlichtes (= starke
Kontrastminderung) nicht sinnvoll
Schlagschatten (vgl. Berge, Häuser etc.) bei wolkenlosem
Himmel: Ausleuchtung nur durch Himmelsstrahlung.
Stereoskop. Auswertung nicht möglich!
Wolken: Schattenwurf. Stereoskop.Auswertung nicht möglich!
25
Ideales Bildflugwetter
Geringe Lufttrübung
Bewölkung < 1/8
Sonnenhöhe >30 Grad
Verhältnis Sonnen- : Himmelsstrahlung sollte
mindestens 3:1 sein
3. Reflexionseigenschaften der Objekte (materialspezifisch)
Von den Objekten wird immer nur ein Teil der auftreffenden
Sonnenstrahlung reflektiert.
Über die Art der Reflexion entscheidet die Rauhigkeit der
Grenzfläche; ist sie im Vergleich zur Wellenlänge klein, findet
eine spiegelnde Reflexion statt (z.B. ruhiges Wasser).
Spiegelnde Reflexionen gelten in der Fernerkundung als
störend und werden deshalb durch geeignete Aufnahmewinkel
vermieden.
26
An Oberflächen, an denen die Rauhigkeit (Textur) etwa gleich
der Wellenlänge ist, findet diffuse Reflexion statt (z.B. eine
Lambertsche Fläche, die aus allen Richtungen gleich hell
erscheint).
In der Natur kommt es meist zu einer Vermischung beider
Effekte, so daß man von einer gemischten Reflexion sprechen
muß.
Von zentraler Bedeutung ist deshalb der Refelxionsgrad, oder
auch die sog. Albedo der Materialien in Abhängigkeit der
Wellenlänge;
seine graphische Darstellung ist von großem praktischen
Nutzen für die Fernerkundung.
Diese Reflexionskurven weisen jedoch häufig starke
Schwankungen auf, die durch die unterschiedlichen
Aufnahmeparameter hervorgerufen werden
(Laborbedingungen oder Außenmessungen, atmosphärische
Einflüsse...).
Dennoch läßt sich für viele Oberflächenarten ein
charakteristischer Verlauf angeben, welcher dann zur
Interpretationshilfe der eigenen Reflexionsdaten dient.
27
Reflexionsgrad verschiedener Oberflächen (VIS, NIR - pan)
Besonders wichtig ist die Unterscheidung zwischen dem VIS
und IR Spektrum, da viele natürliche Materialien markante
Unterschiede innerhalb dieser Bänder aufweisen.
Ein gutes Beispiel sind grüne Pflanzen, bei denen der
Reflexionsgrad mit Erreichen des IR stark anwächst (> 700
nm) und auf die spezifischen Reflexionsmerkmale des
zellulären Blattgefüges und der internen Wasserversorgung
zurückzuführen ist.
Beide sind bei geschädigter oder absterbender Vegetation oft
gestört und wirken sich so auf den Reflexionsgrad der Pflanze
aus.
28
Besonders wichtig sind die Blattpigmente Chlorophyll A und B
mit unterschiedlichen Reflexionsgraden im Bereich zwischen
400 und 700 nm.
Das Maß der Reflexion im IR kann also als Vitalitätsfaktor
gesehen werden;
IR-Aufnahmen sind somit für die Fernerkundung unter
biologisch/landschaftsökologischen Aspekten besonders
geeignet.
Alaska, Ikonos, IR-Falschfarben, 4-3-2, Kartierung vitaler Vegetation
29
Absorption und Reflexion
an grünen Blättern.
Die Chloroplasten absorbieren
rotes und blaues Licht,
während grünes und IR Licht
reflektiert wird (IR>>Grün).
Absorption des
Chlorophylls A und B
in grünen Blättern in
Abhängigkeit zur
Wellenlänge.
30
Ursachen der unterschiedlichen Absorption und Reflexion in
grünen Blättern.
Reflexionsgrad von Eichenblättern in der Vegetationsperiode
31
Ähnliche Schwankungen zwischen dem VIS und mittleren IR
können auch bei anderen Materialien festgestellt werden, so
z.B. bei Mineralen, aus denen sich Gesteine und Böden
zusammensetzen.
Verantwortlich sind meist OOH-haltige Komponenten innerhalb
der Kristallgitter von Tonmineralen oder anderen
Phyllosilikaten (z.B. Montmorillonit) sowie eingeschlossenes
Kristallwasser (H2O) oder Fe-Anteile in oxidierten
Gesteinsoberflächen.
Im Gegensatz zu einem anfänglichen Anstieg des
Reflexionsgrades im nahen IR kommt es nämlich zu einem
rapiden Abfall der Reflexion im mittleren IR. Man bezeichnet
diese Reflexionseinbußen auch als charakteristische
Absorptionsbanden, die durch eine Energieumwandlung
aufgrund von Gitterschwingungen oder angeregten
Elektronenübergängen im Kristall verursacht werden.
Einige der Minerale sind für Erzlagerstätten typisch, so daß
man mit ihrer Hilfe in der geologischen Fernerkundung
mögliche oberflächennahe Lagerstätten in ariden Regionen
mittels Fernerkundungsdaten kartieren kann (z.B. Kupfer- oder
Goldlagerstätten in den Anden oder Australien).
Bodentypen verhalten sich spektral ähnlich wie Gesteine,
jedoch spielen hier zusätzlich der Humusgehalt und die
Bodenfeuchte eine wichtige Rolle
(je feuchter und humusreicher der Boden desto geringer der
Reflexionsgrad).
32
Auch die Objektform, der Bestrahlungswinkel und die
räumliche Oberflächenstruktur beeinflußen die
Reflexionsverhältnisse.
Je nach Kombination der Faktoren treten so
+ Mitlichtbereiche ohne viel Schlagschatten oder
+ Gegenlichtbereiche mit viel Schlagschatten auf.
Diese Erscheinungen führen zum Beispiel aufgrund der
Oberflächentextur zu sehr unterschiedlichen Wahrnehmungen
von Vegetationsflächen (z.B. Wälder) aus verschiedenen
Beobachtungsrichtungen heraus.
Mitlicht- und Gegenlichtbereich bei schräg einfallender
Beleuchtung einer Baumgruppe
33
Ein weiterer wesentlicher Faktor, der die
Reflexionseigenschaften der Materialien beinflußt, ist ihr
Feuchtigkeitsgrad.
In der Regel nimmt die Reflexion mit zunehmender
Feuchtigkeit über den ganzen Spektralbereich ab.
Deshalb werden feuchte Materialien in Luft- oder
Satellitenbildern stets dunkler wiedergegeben als trockene.
Andere Aggregatzustände des Wassers, wie Schnee, Wolken
und Nebel können fast nur über den Schlagschatten oder
Thermaldaten differenziert werden.
Im VIS, NIR und IR besitzen diese Geo-Objekte eine
annähernd gleichartige Albedo.
34
Besonders kompliziert sind die Reflexionsverhälnisse bei
Wasserflächen.
Der Reflexionsgrad hängt u.a. vom kinetischen Zustand des
Wasserkörpers, seiner organischen bzw. anorganischen
Schwebstofffracht wie z.B. Algen, Phytoplankton, der
Wellenlänge der Strahlung bzw. der Durchdringungstiefe
(maximal 40 m bei 450 nm im klaren Wasser blau), dem
Gewässerboden und von der Beleuchtungsrichtung ab.
Schematische Strahlungsverhälnisse an Wasserflächen
35
JERS-1 IR-Farbkombination von St. Marie, Provence
(Eurimage, 1998)
Thermale Emission (rot = warm, blau = kühl) unterschiedlicher Bebauungstypen
36
Aufgabe:
Suchen Sie ein Luftbild ihres Wohnhauses, des Hauses ihrer
Eltern oder Bekannten im Internet.
d.h. hochauflösendes Bild ist gefragt!
+
+
+
+
Was finden Sie?
Welche Maßstäbe & Ausschnitte sind möglich?
Qualität der gefundenen Daten?
Probleme?
Tipp:
www.geoland.at
www.eama.at (nur mit Zugang, Landwirtschaft)
37
38