Vorlesung Geomatik Teil II – Fernerkundung
Historischer Abriss
Fernerkundung als junge Wissenschaft (Beginn durch Luftaufnahmen aus Heißluftballons)
viele Entwicklungen vor dem Hintergrund militärischen Wettrüstens
anfangs wichtige Entwicklungen in Frankreich & Deutschland, später in den USA & der Sowjetunion
zunehmende Bedeutung der zivilen & kommerziellen Fernerkundung
seit Ende des Kalten Kriegs wichtige Rolle Deutschlands & der EU
Copernicus zum Aufbau einer fernerkundungsbasierten Servicelandschaft & Geoinformationswirtschaft
Fernerkundung Definition
selbstständige Wissenschaft, die versucht, durch kontaktlose Messung Informationen über Objekte und
Prozesse zu erhalten
Dreischritt: Datenerfassung – Datenanalyse – Interpretation der Ergebnisse
Grundlage der Fernerkundung: elektromagnetische Strahlung, die sich entsprechend der Wellenlänge im
elektromagnetischen Spektrum anordnet
Vorteile: Nachteile:
große räumliche Abdeckung häufig indirekte Messung
anwendbar auch bei schlechter Zugänglichkeit technologische Limitierungen
wiederholte Aufnahmen komplexe Datenverarbeitung
objektive Messung hohe Entwicklungs- und Launchkosten
relativ geringe Betriebskosten
hoher Automatisierungsgrad
Archivfunktion
Elektromagnetische Strahlung
Form der Energieausbreitung
sich periodisch änderndes elektromagnetisches Feld, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet
hohe Frequenz = kurze Wellenlänge
niedrige Frequenz = lange Wellenlänge
λ = c/f
λ Wellenlänge
c Ausbreitungsgeschwindigkeit f Frequenz (Hz)
→die Wellenlänge charakterisiert die elektromagnetische Strahlung
→unterschiedliche Oberflächen haben jeweils charakteristische Reflexionseigenschaften
, Sensorik
→Erdbeobachtung mittels Sensoren auf Distanz
→ständige elektromagnetische Wechselwirkung jedes Körpers mit seiner Umgebung:
->absorbiert, strahlt ab, reflektiert
->Identifikation über spektrale Eigenschaften
→Sensoren zeichnen Elektromagnetische (EM) Strahlung und EM-Wellen auf
Feld Sensorik (Fotografie, TLS, Feldspektrometer)
• Blatt-/ Einzelpflanzen-/ Pflanzengesellschaftsmaßstab
• wenige cm bis m über dem Boden
• Unmanned Aerial Systems (UAS) (Drohnen)
• multi- bis hyperspektral
• Einzelpflanzen- bis Teilschlag-/ Feldmaßstab
• wenige 10er – 100er m über dem Boden
Flugzeuge, Gyrocopter, Helicopter
• hyperspektral (optisch), Lidar, SAR, thermal
• Teilschlag-/ Feldmaßstab bis lokale Anwendung
• Ca. 2000 m über dem Boden
Erdumlaufende Satelliten im Low Earth Orbit (LEO) & die ISS
• multispektral, hyperspektral, Lidar, SAR, thermal
• lokale, regionale, kontinentale bis globale Anwendung
• 500-850 km Höhe (ISS ca. 400 km)
• geostationäre Satelliten
• multispektral, thermal
• kontinentale bis globale Anwendung
• ca. 36000 km Höhe
Fernerkundungssysteme (Remote Sensing
System)
->Strahlungsquelle
->Strahlungsweg (z.B. Atmosphäre)
->Objekt (z.B. Erdoberflächenmaterialien, Geo-
Objekt etc.)
->Sensor (z.B. Scanner, Kamerasystem,
Radarsender etc.)
Art der Stralungsquelle (Source)
1. natürliche Strahlung-Solarstrahlung-Terrestrische Strahlung
2. künstliche Strahlung
, Das elektromagnetische Spektrum
Jeder Körper mit einer Temperatur von größer 0 Kelvin (oder –273 °C) sendet elektromagnetische Strahlung
aus und steht in ständiger Wechselwirkung mit seiner Umgebung.
Bezeichnung
Sichtbares Licht (VIS)
→0,4qm-0,7qm
Nahes Infrarot (NIR)
→0,7qm-1qm
Mittleres Infrarot (MIR)
→1qm-7qm
Fernes Infrarot (FIR)
→>7qm
Wellenlänge
nm (nanometer) & μm (micrometer) sind übliche Einheiten für das sichtbare, nahe infrarote und thermale
Spektrum
1nm=0.001μm
cm & m für Mikrowellen
Frequenz (1/sec=Hz)
1012 Hz = THz (Terahertz)
109 Hz = GHz (Gigahertz)
106 Hz = MHz (Megahertz)
103 Hz = kHz (Kilohertz)
gebräuchliche Einheit für Radio- und Mikrowellen
->Haupteinheiten zur Beschreibung elektromagnetischer Wellen
->Sensoren nutzen EM-Wellen von VIS, NIR, MIR, VIR, thermischem Infrarot und von 1mm bis 1m
(Mikrowellenbereich)
, Strahlungsweg
Alle für die Fernerkundung verwendeten Strahlungen durchlaufen die Atmosphäre, bevor und nachdem sie
mit der Erdoberfläche in Wechselwirkung getreten ist.
Dadurch ändern sich die Eigenschaften der Strahlung (Geschwindigkeit, Frequenz, Intensität, Richtung).
->wichtige atmosphärische Fenster liegen im VIS und nahen IR (300-2500nm), im mittleren IR (3000-
5000nm) und im thermalen IR (800-1300nm)
Strahlengang in der Atmosphäre
1. direkter Strahlungspfad von der Sonne zum Zielobjekt P und Rückstrahlung zum Sensor
2. Sonnenstrahlung wird im Aufnahmebereich des Sensors in der Atmosphäre gestreut und gelangt zum
Sensor.
3. Strahlung wurde außerhalb des Zielobjekts reflektiert und gelangt durch Streuung in den Sichtbereich des
Sensors
Objekt
wenn EM-Strahlung mit der Erdoberfläche in Wechselwirkung tritt:
reflektiert (eng. Reflected)
absorbiert (eng. Absorbed)
transmietiert (eng. Transmitted)
Reflexionseigenschaften unterschiedlicher Oberflächen
Jedes Objekt hat eine spezifische spektrale Charakteristik (Reflexion, Absorption und Transmission), die
eine eindeutige Spektralsignatur (eng. Spectral Signature) produziert.
graue Schattierung: Landsat-5 TM
Kanäle
Historischer Abriss
Fernerkundung als junge Wissenschaft (Beginn durch Luftaufnahmen aus Heißluftballons)
viele Entwicklungen vor dem Hintergrund militärischen Wettrüstens
anfangs wichtige Entwicklungen in Frankreich & Deutschland, später in den USA & der Sowjetunion
zunehmende Bedeutung der zivilen & kommerziellen Fernerkundung
seit Ende des Kalten Kriegs wichtige Rolle Deutschlands & der EU
Copernicus zum Aufbau einer fernerkundungsbasierten Servicelandschaft & Geoinformationswirtschaft
Fernerkundung Definition
selbstständige Wissenschaft, die versucht, durch kontaktlose Messung Informationen über Objekte und
Prozesse zu erhalten
Dreischritt: Datenerfassung – Datenanalyse – Interpretation der Ergebnisse
Grundlage der Fernerkundung: elektromagnetische Strahlung, die sich entsprechend der Wellenlänge im
elektromagnetischen Spektrum anordnet
Vorteile: Nachteile:
große räumliche Abdeckung häufig indirekte Messung
anwendbar auch bei schlechter Zugänglichkeit technologische Limitierungen
wiederholte Aufnahmen komplexe Datenverarbeitung
objektive Messung hohe Entwicklungs- und Launchkosten
relativ geringe Betriebskosten
hoher Automatisierungsgrad
Archivfunktion
Elektromagnetische Strahlung
Form der Energieausbreitung
sich periodisch änderndes elektromagnetisches Feld, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet
hohe Frequenz = kurze Wellenlänge
niedrige Frequenz = lange Wellenlänge
λ = c/f
λ Wellenlänge
c Ausbreitungsgeschwindigkeit f Frequenz (Hz)
→die Wellenlänge charakterisiert die elektromagnetische Strahlung
→unterschiedliche Oberflächen haben jeweils charakteristische Reflexionseigenschaften
, Sensorik
→Erdbeobachtung mittels Sensoren auf Distanz
→ständige elektromagnetische Wechselwirkung jedes Körpers mit seiner Umgebung:
->absorbiert, strahlt ab, reflektiert
->Identifikation über spektrale Eigenschaften
→Sensoren zeichnen Elektromagnetische (EM) Strahlung und EM-Wellen auf
Feld Sensorik (Fotografie, TLS, Feldspektrometer)
• Blatt-/ Einzelpflanzen-/ Pflanzengesellschaftsmaßstab
• wenige cm bis m über dem Boden
• Unmanned Aerial Systems (UAS) (Drohnen)
• multi- bis hyperspektral
• Einzelpflanzen- bis Teilschlag-/ Feldmaßstab
• wenige 10er – 100er m über dem Boden
Flugzeuge, Gyrocopter, Helicopter
• hyperspektral (optisch), Lidar, SAR, thermal
• Teilschlag-/ Feldmaßstab bis lokale Anwendung
• Ca. 2000 m über dem Boden
Erdumlaufende Satelliten im Low Earth Orbit (LEO) & die ISS
• multispektral, hyperspektral, Lidar, SAR, thermal
• lokale, regionale, kontinentale bis globale Anwendung
• 500-850 km Höhe (ISS ca. 400 km)
• geostationäre Satelliten
• multispektral, thermal
• kontinentale bis globale Anwendung
• ca. 36000 km Höhe
Fernerkundungssysteme (Remote Sensing
System)
->Strahlungsquelle
->Strahlungsweg (z.B. Atmosphäre)
->Objekt (z.B. Erdoberflächenmaterialien, Geo-
Objekt etc.)
->Sensor (z.B. Scanner, Kamerasystem,
Radarsender etc.)
Art der Stralungsquelle (Source)
1. natürliche Strahlung-Solarstrahlung-Terrestrische Strahlung
2. künstliche Strahlung
, Das elektromagnetische Spektrum
Jeder Körper mit einer Temperatur von größer 0 Kelvin (oder –273 °C) sendet elektromagnetische Strahlung
aus und steht in ständiger Wechselwirkung mit seiner Umgebung.
Bezeichnung
Sichtbares Licht (VIS)
→0,4qm-0,7qm
Nahes Infrarot (NIR)
→0,7qm-1qm
Mittleres Infrarot (MIR)
→1qm-7qm
Fernes Infrarot (FIR)
→>7qm
Wellenlänge
nm (nanometer) & μm (micrometer) sind übliche Einheiten für das sichtbare, nahe infrarote und thermale
Spektrum
1nm=0.001μm
cm & m für Mikrowellen
Frequenz (1/sec=Hz)
1012 Hz = THz (Terahertz)
109 Hz = GHz (Gigahertz)
106 Hz = MHz (Megahertz)
103 Hz = kHz (Kilohertz)
gebräuchliche Einheit für Radio- und Mikrowellen
->Haupteinheiten zur Beschreibung elektromagnetischer Wellen
->Sensoren nutzen EM-Wellen von VIS, NIR, MIR, VIR, thermischem Infrarot und von 1mm bis 1m
(Mikrowellenbereich)
, Strahlungsweg
Alle für die Fernerkundung verwendeten Strahlungen durchlaufen die Atmosphäre, bevor und nachdem sie
mit der Erdoberfläche in Wechselwirkung getreten ist.
Dadurch ändern sich die Eigenschaften der Strahlung (Geschwindigkeit, Frequenz, Intensität, Richtung).
->wichtige atmosphärische Fenster liegen im VIS und nahen IR (300-2500nm), im mittleren IR (3000-
5000nm) und im thermalen IR (800-1300nm)
Strahlengang in der Atmosphäre
1. direkter Strahlungspfad von der Sonne zum Zielobjekt P und Rückstrahlung zum Sensor
2. Sonnenstrahlung wird im Aufnahmebereich des Sensors in der Atmosphäre gestreut und gelangt zum
Sensor.
3. Strahlung wurde außerhalb des Zielobjekts reflektiert und gelangt durch Streuung in den Sichtbereich des
Sensors
Objekt
wenn EM-Strahlung mit der Erdoberfläche in Wechselwirkung tritt:
reflektiert (eng. Reflected)
absorbiert (eng. Absorbed)
transmietiert (eng. Transmitted)
Reflexionseigenschaften unterschiedlicher Oberflächen
Jedes Objekt hat eine spezifische spektrale Charakteristik (Reflexion, Absorption und Transmission), die
eine eindeutige Spektralsignatur (eng. Spectral Signature) produziert.
graue Schattierung: Landsat-5 TM
Kanäle
