Luftbildanalyse und Fernerkundung 3. Einheit - 21. Oktober 2004 + Beginn pünktlich 14:00 Uhr

1. Luftbildanalyse und Fernerkundung 3. Einheit - 21. Oktober 2004 + Beginn pünktlich 14:00 Uhr + Folien zur Vorlesung unter http://homepage.univie.ac.at/thomas.engleder

2. 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

3. 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

4. Einteilung von Fernerkundungssensoren: nach der Quelle der empfangenen Strahlung + passive und + aktive Systeme E = Empfänger od, Sensor, S = Sender Strahlungsfluss bei aktiven & passiven FES

5. Bei passiven Systemen geht die Strahlung von einer natürlichen Quelle aus (z.B. Sonne), erreicht dann ein Geo-Objekt 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).

6. 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.

7. unterschiedliche optische Wahrnehmung bei Tieren

8. 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).

9. 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.

10. 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.

11. 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!

12. Reflexionsvermögen von verschiedenen Bodenbedeckungsarten im Bereich von 0,4 µm bis 2,6 µm und die schematische Lage der reflektiven Landsat-TM Kanäle

13. Determinanten der Wiedergabe der Erdoberfläche im Luft- und Satellitenbild 1. Elektromagnetische Strahlung 2. Einflüsse der Atmosphäre 3. Reflexionseigenschaften der Objekte (materialspezifisch)

14. 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.

15. Elektromagnetische Strahlung

16. 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

17. 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).

18. Das elektromagnetische Spektrum= Gesamtheit der Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung

19. Das elektromagnetische Spektrum 2

21. 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)

22. 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).

23. 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

24. 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.

25. Emissionsgrad verschiedener Oberflächen(Schwarzer Körper = 1) 8 – 14 µmWellenlänge

26. Reflexionsgrad verschiedener Oberflächen (VIS, NIR - pan)

27. Reflexionsgrad verschiedener Oberflächen

28. Reflexionsgrad von Eichenblättern in der Vegetationsperiode

29. 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.

30. 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).

31. 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.

32. 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.

33. 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).

34. 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-weißlicheHimmelsfarbe).

35. Strahlungs- und Streuungsverhältnisse über einem Gelände

36. 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)!

37. 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.

38. 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.

39. 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.

40. Erzeugung von Luftlicht, Global- und Himmelstrahlung durch Streuungseffekte in der Atmosphäre

41. 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.

42. Der Planet Venus betrachtet im sichtbaren Spektrum (links) und im Mikrowellenbereich (rechts) als MAGELLAN-SAR Mosaik, 1994

43. 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.

44. Verhältnis: Sonnen-, Himmelsstrahlung + Sonnenhöhe

45. Für sichtbares Licht (0,4 – 0,7 Mikrometer) Durchschnittswerte der Remission (= Albedo)

46. 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!

48. Ideales Bildflugwetter • Geringe Lufttrübung • Bewölkung < 1/8 • Sonnenhöhe >30 Grad • Verhältnis Sonnen- : Himmelsstrahlung sollte mindestens 3:1 sein

49. 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.

50. 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.