Einführung in die Satellitenbildauswertung

Einführung in die Prinzipien
der Satellitenbildauswertung
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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.
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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
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Elektromagnetische Strahlung und atmosphärische Fenster
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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
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Kanäle wichtiger Satelliten
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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.
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Umlaufbahnen von Satelliten
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Informationsgehalt Landsat TM - Kanal 1-7
Weser-Mündung
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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 (blau+grün+rot=weiß) 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.
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Die Eigenschaften und Anwendungsbereiche unterschiedlicher Kanäle
am Beispiel Landsat TM.
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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.
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Beispiele für Kanalkombinationen
Landsat TM
„Standard“ Falschfarbenkombination für
Vegetationsdarstellungen.
Bildkanäle 3 - 5 - 4
d.h.
Rot-mittl.Infrarot-nah.Infr.
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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
Blattpigmente etwa 0,4 bis 0,7 m
Zellstruktur
etwa 0,7 bis 1,2 m
Wassergehalt etwa 1,2 bis 2,4 m
Kanal
Sichtbarer Bereich, überwiegend im Grünkanal
Nahes Infrarot (Kanal 4 Landsat TM)
Mittleres Infrarot
(Kanal 5 Landsat TM)
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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.
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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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