Einführung in die Fernerkundung Leopold Haimberger

1. Einführung in die FernerkundungLeopold Haimberger Sommersemester 2014

2. Über den Vortragenden … • Ao. Prof. Leopold Haimberger • leopold.haimberger@univie.ac.at • http://homepage.univie.ac.at/leopold.haimberger/ • Zimmer 2F512, Tel. 4277-53712 • “Sprechstunde”: nachden UE Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

3. Vorlesung • Fr, 9.00-11.00, Raum 2E206 • ÜbungenFr 12-13 und 13-14, Raum2F513 • Prüfung: mündlich, nachEndeder VO • Termine: nachVereinbarung • Unterlagen: • ftp://srvx7.img.univie.ac.at/pub/Fernerkundung/ Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

4. Aus dem Studienplan ECTS Gesamt: 5 NPI: 3 PI: 2 Beschreibung/Inhalt Das Modul führt in das Gebiet der Fernerkundung ein und hat folgende Schwerpunkte: − Elektromagnetisches Spektrum − Radianz, Strahlungsgesetze − Wechselwirkung: elektromagnetische Strahlung und Materie − Das Vorwärts- und das Retrievalproblem − Elektrooptische Systeme − Temperatur- und Spurenstoffprofile − Limb-sounding − Passive und aktive Mikrowellensysteme − RADAR/LIDAR − Streuungsmesssysteme − Plattformen für remote sensing (Satellit, Flugzeug, …) − Grundzüge der Datenauswertung Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

5. Zeitplan-Vorlesung Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

6. Kenntnisse, die vorausgesetzt oder nur kurz wiederholt werden • Lineare Algebra • Matrizen und Matrixfaktorisierungen • Vektorräume • Normen, Projektionen • Orthogonalität • Eigenwerte und -funktionen • Analysis • Reihen harmonischer Funktionen • Taylorreihen • Komplexe Zahlen und Funktionen • Lineare Differentialgleichungen und Wellengleichungen • Theoretische Meteorologie • Elektronische Datenverarbeitung • Elementare MATLAB-Kenntnisse Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

7. Literatur • Stephens, G. L., 1994: Remote Sensing of the Lower Atmosphere • Reese, W. G. 2001: Physical Principles of Remote Sensing • Bauer, P.,2002: Introduction to Microwave radiative transfer • http://www.ecmwf.int/training/ Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

8. 1. Einleitung 1.1 Definition: Die Fernerkundung (englisch: Remote Sensing) ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder anderer nicht direkt zugänglicher Objekte durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-)Felder. Als Informationsträger dient dabei meist die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

9. 1.2 Geschichtliches: Fotos und Luftaufnahmen Die erste Luftbildaufnahme von Gaspard Felix Tournachon (Nadar) aufgenommen von einen Fesselballon 1,700-ft. über Paris (Frankreich, 1858). Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

10. 1.2 Geschichtliches: Im 19.Jh Entdeckung der elektromagnetischen Wellen: IR durch Herschel UV durch Ritter Radiowellen durch Hertz1863 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwell) 1886 Radiowellen werden an metallischen Gegenständen reflektiert (Hertz) Luftfotographie ab Mitte 19.Jh zunächst noch von Ballonen und Drachen, dann von Flugzeugen 1904 Ortung von Schiffen, Zügen mit Radiowellen Ziviler Nutzen der neuen Technik in der Zwischenkriegszeit in der Kartografie, Geologie, Land- und Forstwirtschaft. Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

11. 1.2 Geschichtliches – Satelliten und digitale Bildverarbeitung Zweite Weltkrieg brachte Entwicklungsschub (IR-Geräte, Radar) Falschfarbenfilme entwickelt in den 50er Jahren wurden zur Erstellung von Vegetationskarten verwendet 60er Jahre: Erste Sensoren im All (TIROS-1, April 1960) Juli 1972: Start des ERST Satelliten durch die NASA (Landsat). 1979: Assimilation von TOVS Satellitendaten in die numerische Wettervorhersage 1985: Earth Radiation Budget Experiment – Beginn des Klimamonitoring mit Satellitendaten Seither: Ein enormer Boom von Satelliten und bodengestützten Fernerkundungssystemen für ein breites Anwendungsspektrum Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

12. Hurricane Mitch, 271098 Buschfeuer Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

13. Satellitengestütztes Wetter- und Klimabeobachtungssystem Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

14. 1.3 Anwendungen: • Hohe Kosten der Entwicklung und des Betriebes gerechtfertigt durch globale Bedeckung, hohe Frequenz und digitale Echtzeitverfügbarkeit von Daten. • Atmosphäre: • Temperatur • Niederschlag • Verteilung und Art der Wolken • Windgeschwindigkeiten • Konzentrationen von Spurenstoffen Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

15. 1.3 Anwendungen an Oberfläche: • Topographie • Temperatur • Albedo • Bodenfeuchtegehalt • Vegetationstypen • Energiespektra der Meereswellen • Farbe • Dynamisches Verhalten v. Meereis,Eisbergen • etc Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

16. European Centrefor Medium WeatherForecasts 13 co-operating states Czech Republic Croatia Estonia Hungary Latvia Iceland Lithuania Morocco Romania Slovakia Serbia Slovenia Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

17. SYNOP/SHIP/METAR Ps, Wind-10m, RH-2m AIREP Wind, Temp DRIBU Ps, Wind-10m TEMP/DropSONDE Wind, Temp, Spec Humidity PILOT Wind profiles ATOVS and AIRS HIRS, AIRS and AMSU radiances SSM/I Microwave radiances (clear-sky) TCWV in rain and clouds Meteosat/MSG/GOES Water VapourIR-channel, AMVs QuikSCAT and ERS-2 Ambiguous winds-10m GOME/SBUV Ozone retrievals GPS-RO/ COSMIC Bending angle SSMIS TMI AMSR-E ASCAT IASI Am ECMWF assimilierte Daten Satellite Conventional Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

18. Fernerkundungsdatentypen am ECMWF Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

19. Spurenstoffe Ultraviolet sensors Sub-mm, and near IR plus Visible (e.g. Lidar) Polar IR + MW sounders Masse Radar and GPS total path delay Feuchte Radio occultation Geo IR Sounder Geo IR and Polar MW Imagers Feature tracking in imagery (e.g. cloud track winds), scatterometers and doppler winds IR = InfraRed MW = MicroWave Wind

20. Zunahme assimilierter Satellitendaten Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

21. Einfluss auf Vorhersagequalität Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

22. FC-Qualität steigt durch verbesserte Assimilation von Satellitendaten Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

23. Zwei dumme Fragen: • Wie nutzt ein Vorhersagezentrum Satellitendaten? • Wie kann man den atmosphärischen Zustand (real oder in einem Modell) • d.h. thermodynamische Zustandsgrößen in einem atmosphärischen Volumen • mit Satellitendaten • meist spektrale Radianzen • vergleichen? Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

24. Zwei Vergleichsmöglichkeiten • Man berechnet die beobachtete Radianzyaus dem atmosphärischen Zustand x • Das Vorwärtsproblem: Y=H(x) • Man berechnet den atmosphärischen Zustand x aus der Radianzy • Das Retrieval-Problem x=HT(y), auch als Inverses Problem bezeichnet • Das Retrieval Problem ist fast immer unterbestimmt! • H ist der Beobachtungsoperator. In ihm steht die Meß- und Strahlungsphysik Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

25. Model T and q Observed satellite radiance Model radiance H compare Aus Vorhersage berechnetes Meteosat-Bild Meteosat imagery Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

26. Near-IR satellite observations – CH4 and CO Retrievals Near-infrared (Sciamachy) and infrared (AIRS) instruments provide estimates of CH4, CO, and CO2. These observations show, among other things, clearly the effect of wetlands, rice paddies, pollution, and biomass burning on atmospheric concentrations. Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

27. Retrieval aus visible channel - Aerosol Aerosol is usually measured as the total impact on the radiation observed by the satellite. This does not account for the various types of aerosols (e.g., sea salt, desert dust). Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

28. Formaldehyde total column GEMS HCHO: Mean 20030715-30 Unit: 1015 molec/cm2 GOME: July 2001 GEMS HCHO is of the right order of magnitude http://www.gse-promote.org/ Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

29. Systematik der Vorlesung • Einführung Strahlungstransfer • Einführung eines relevanten satelliten-gestützten Messverfahrens • Erklären des Messprinzips, Formulierung des Beobachtungsoperators • Lösung des Retrievalproblems • Weitere Meßsysteme Einführung in die Fernerkundung, SS 2014

30. Strahlungstransfer • Wiederholung der Grundlagen • Radianz und Irradianz • Optischer Weg • Planck‘sches Gesetz • Strahlungsübertragungsgleichung • Anwendung für passive remote sensing • Anwendung für Energiehaushalt • Skriptum/Buch Theoretische Meteorologie I (em. Prof. Hantel) Einführung in die Fernerkundung, SS 2014