Grundlagen Fernerkundung - 1 - UZH€¦ · Photoelektrischer Effekt), genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr

GEO123.1 17.02.14

Department of Geography

Grundlagen Fernerkundung - 1

GEO123.1, FS2014 18. 2. 2014 Mathias Kneubühler


Alaska Dust (MODIS)

GEO123.1 17.02.14



GEO123.1 17.02.14



Zielsetzung – Grundlagen Fernerkundung

Grundlegende Kenntnisse der Fernerkundung vermitteln Querverbindungen zu anderen Disziplinen und Fachbereichen aufzeigen Begeisterung wecken für ein faszinierendes Forschungs- und Anwendungs-

Thema Perspektiven vermitteln

Kenntnisse konsolidieren in Hinblick auf die schriftliche Prüfung am –  KW23/2014 (3.6.2014; 10:00) –  insgesamt 1 Std. (Gewichtung Grundlagen FE/GZGI = 50/50%, d.h. je 30

Min.)

–  Alle anderen Kohorten (ETH, Nebenfachstudierende, etc.) erhalten eine angepasste Prüfung (d.h. immer 1 Stunde)

GEO123.1 17.02.14


Global Forest Cover (from MODIS data)

Robert Simmon, based on data from the MODIS Land Cover Group, Boston University.


GEO123.1 17.02.14



Definition der Fernerkundung

Die Fernerkundung 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 die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung.

[DIN 18716/3] & wiki

GEO123.1 17.02.14



Im Gegensatz zu anderen Erfassungsmethoden, die den direkten Zugang zum Objekt erfordern, versteht man unter Fernerkundung die berührungsfreie Erkundung der Erdoberfläche einschließlich der Erdatmosphäre. Eine berührungsfreie Beobachtung wird zum Beispiel durch flugzeuggetragene oder satellitengetragene Sensoren ermöglicht (d.h. Fernerkundungssensoren wie Kameras und Scanner). Vereinzelt kommen aber auch Drohnen und Ballons als Plattform zum Einsatz. Der Fernerkundung zugeordnet sind Photogrammetrie und Satellitengeodäsie. Dagegen sind Planetologie und Astronomie nicht der Fernerkundung zugeordnet, obwohl auch hier Fernerkundungssensoren zum Einsatz kommen.



Bei der Fernerkundung finden passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können. Passive Systeme zeichnen die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung auf (zum Beispiel Multispektralscanner) sowie die von der Erdoberfläche emittierte Eigenstrahlung (zum Beispiel Thermalbildkamera). Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflektierte Anteile (zum Beispiel Radarsysteme und Laseraltimeter).

Fernerkundungsdaten sind insbesondere in den Geowissenschaften/Geographie von großer Bedeutung, da eine globale Beobachtung der Erdoberfläche/Atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung nur mit Hilfe von Fernerkundungssensoren möglich ist. Neben dem synoptischen Überblick über große Räume ermöglichen satellitengestützte Fernerkundungssensoren zudem eine wiederholte (zum Teil tägliche) Abdeckung ein und desselben Gebietes.

GEO123.1 17.02.14


weitere Definitionen ...

In remote sensing it is sought to image or locate, to characterize, and to identify objects versus a certain background, and eventually to measure quantitatively their reflected or emitted radiant energy.

The term “remote sensing” is broadly defined as measuring the properties of

objects without direct contact between measuring device and object.

Remote sensing is the small or large-scale acquisition of information of an object or phenomenon, by the use of either recording or real-time sensing device(s) that are wireless, or not in physical or intimate contact with the object (such as by way of aircraft, spacecraft, satellite, buoy, or ship). In practice, remote sensing is the stand-off collection through the use of a variety of devices for gathering information on a given object or area.


Systematik in der Fernerkundung

Systematisch dient uns die Fernerkundung in einem 5-stufigen Prozess: –  Entdecken, “reconnaissance” –  Abbilden/Kartieren, “mapping” –  Inventarisieren, “inventorying” –  Überwachen, “monitoring” –  Vorhersagen, “forecasting”

GEO123.1 17.02.14


Literatur & Unterlagen

–  http://www.geo.uzh.ch/en/units/rsl/studying/bachelor-studium/current/geo-1231-grundlagen-fernerkundung/


Literatur

Grundlagenliteratur –  Lillesand, T.M., Kiefer, R.W. and Chipman, J.W. (2008). Remote Sensing

and Image Interpretation. 6. Auflage, pp. 768; ISBN-10: 0-470-05245-7; ISBN-13: 978-0-470-05245-7 - John Wiley & Sons.

GEO123.1 17.02.14


Vorlesung GEO 123.1 Grundlagen Fernerkundung


Literatur

Weiterführende Literatur –  Warner, T.A., Wellis, M.D., and Foody, G.M. (2009). The SAGE

Handbook of Remote Sensing. SAGE

–  Liang, S. (2004). Quantitative Remote Sensing of Land Surfaces. John Wiley and Sons, Inc., 534 pages.

–  Ustin, S. (2004). Manual of Remote Sensing. Wiley-VCH, 768 pages.

GEO123.1 17.02.14


Literatur

Oft empfohlen wurde auch –  Albertz, J. (2009). Einführung in die Fernerkundung. WBG. 254 p.


http://earthobservatory.nasa.gov

Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 4 TM 5. Februar 1987

GEO123.1 17.02.14



Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 5 TM 24. Februar 1991



Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 5 TM 12. März 2000

GEO123.1 17.02.14



Saudi Arabien Wadi As-Sirhan Basin Landsat 7 ETM+ 17. Januar 2012


http://svs.gsfc.nasa.gov

Aral See

GEO123.1 17.02.14


30. Juli 2000 Rondonia – West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung http://earthobservatory.nasa.gov


11. August 2001 Rondonia – West Brasilien, 10 Jahre Waldrodung http://earthobservatory.nasa.gov

GEO123.1 17.02.14





GEO123.1 17.02.14




17.02.14

Landsat 5 TM Honduras / Nicaragua

19. Januar 1986


GEO123.1 17.02.14


17.02.14


23. Januar 1999



17.02.14


08. Januar 2011


GEO123.1 17.02.14


Sibirische Tundra, Jenissei

15. Juli 1966, Gambit Satellit

8. Juli 2009, GeoEye-1



Konzepte in der Fernerkundung

Lillesand et al. (2008). Concepts and Foundations of Remote Sensing. Chapter 1 (p. 1-60)

GEO123.1 17.02.14


Strahlungspfade der Fernerkundung


Prozessierungskette der Fernerkundung

GEO123.1 17.02.14


Produktekette in der Fernerkundung

Instruments

Increased accuracy through advancements in technology.

Pre-‐Processing

Increased accuracy through advancements in terminology, standardization, calibration, physical models.

Analysis

Increased accuracy through remote sensing science innovations (e.g., models, computational efforts, etc.).

Variables Increased

accuracy through improved models (empirical, physical), use of expert systems, and sum of instrumented efforts.

Products

Increased accuracy through Earth Observation science innovation. Increased awareness and through multidisciplinary cooperation and international programs.

Instruments Spectral

Spatial Angular Polarization Temporal

Pre-‐Processing Calibration

Atmospheric compensation Standardization Albedo An

alysis Combinations of

inverted canopy/ leaf reFlectance models Feature Fitting Optimized vegetation indices ArtiFicial neural networks Spectral matching

Variables Leaf Area Index

Leaf Chlorophyll content Leaf or canopy water content Bio-‐indicators Canopy chemistry Pigment ratio Fractional cover fAPAR Biomass

Products Plant functional

traits Snow cover Gross primary production Yield forecast Phenology Nitrogen deFiciency

Currently the greatest challenge

From Measurements to Products

Challenges


Energy sources and radiation principles

Als elektromagnetische Welle bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Dazu gehören Radiowellen, Licht und Gammastrahlung. Die Wechselwirkung elektromagnetischer Wellen mit Materie hängt von ihrer Frequenz ab, die über viele Größenordnungen variieren kann.

c = νλ wobei c = Lichtgeschwindigkeit (3x108 m/s), ν = Frequenz, λ = Wellenlänge

17.02.14 Page 44

GEO123.1 17.02.14


Das elektromagnetische Spektrum

17.02.14 Page 45


Wellenlängenbenennung / Bereiche (generell)

< 0.3 µm Ultraviolet / UV 0.4 µm – 0.5 µm ‘blue’ / VIS 0.5 µm – 0.6 µm ‘green’ / VIS

0.6 µm – 0.7 µm ‘red’ / VIS

0.7 µm – 1.3 µm ‘near IR’ / NIR 1.3. µm – 3 µm ‘shortwave IR’ / SWIR

3 µm – 14 µm ‘thermal IR’ / TIR 1 mm – 1 m ‘microwave’

17.02.14 Page 46

GEO123.1 17.02.14


Radiated Energy from Blackbodies

17.02.14 Page 47


Eigenschaften elektromagnetischer Wellen

Physikalisch betrachtet handelt es sich bei elektromagnetischen Wellen um sich ausbreitende Schwingungen des elektromagnetischen Feldes. Hierbei stehen elektrisches und magnetisches Feld bei linear polarisierten Wellen senkrecht aufeinander und haben ein festes Größenverhältnis.

Erscheinungen wie Kohärenz und Interferenz lassen sich nur mit dem Wellenmodell erklären, weil die Mindestabmessungen der entsprechenden Versuche deutlich größer sind als die Wellenlänge des Lichts.

Für bestimmte Eigenschaften elektromagnetischer Wellen (z. B. Photoelektrischer Effekt), genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr treten die Teilcheneigenschaften einzelner Photonen, der Quanten des elektromagnetischen Feldes, in den Vordergrund.

Die Erzeugung von Laserlicht beruht auf den Eigenschaften einzelner Atome, die jeweils erheblich kleiner sind als die erzeugte Wellenlänge. Deshalb muss man für die Erklärung der Herstellung auf das Photonenmodell zurückgreifen.

17.02.14 Page 48

GEO123.1 17.02.14


Plancksches Wirkungsquantum

Das plancksche Wirkungsquantum h ist eine fundamentale Naturkonstante der Quantenphysik. Es tritt bei der Beschreibung von Quantenphänomenen auf, bei denen physikalische Eigenschaften nicht jeden beliebigen kontinuierlichen Wert, sondern nur bestimmte diskrete Werte annehmen können.

Das plancksche Wirkungsquantum verknüpft Teilchen- und Welleneigenschaften, es ist das Verhältnis von Energie und Frequenz eines Photons oder eines Teilchens.

Das plancksche Wirkungsquantum h hat die Dimension von Energie mal Zeit, welche Wirkung genannt wird. Der Wert beträgt h = 6.626x10-34 Js.

Elektromagnetische Strahlung besteht mit einer Frequenz ν aus teilchenartigen Objekten, wobei jedes dieser Energiequanten eine Energie E = hv besitzt.

17.02.14 Page 49


Das elektromagnetische Spektrum

GEO123.1 17.02.14


Räumliche, spektrale und zeitliche Auflösung


Zeitliche Au5lösung

GEO123.1 17.02.14


Räumliche und zeitliche Auflösung


Räumliche Auflösung

GEO123.1 17.02.14


Räumliche Auflösung

Pixel size (m) Spatial resolution Example satellite-borne sensors

1000 Very Coarse AVHRR, GOES, METEOSAT


Räumliche Auflösung - Bildszenen

GEO123.1 17.02.14


Spektrale Auflösung

Solarkonstante 1’361 W/m2


Spektralbereiche und Systeme

Überblick über Fernerkundungssensoren und Systeme System Spektralbereich

Photographische Kameras UV – NIR

Solid State Kameras VIS – IR Multispektralscanner UV – IR

Abbildende Spektrometer VIS – IR Radiometer UV – MW

Radar, SAR MW Lidar VIS – NIR

Sonar Audiowellen

GEO123.1 17.02.14


Spektrale Auflösung


Full width half maximum sensor spectral bands Sensor Blue (nm) Green (nm) Red (nm) NIR (nm) SWIR-1 (nm) SWIR-2 (nm) NDVI

QuickBird 446-512 494-590 614-682 755-874 0.1230 – 0.7350

IKONOS 421-516 506-596 632-698 757-853 0.1002 – 0.7088

ASTER 512-601 628-691 754-859 1607-1702 2146-2184 0.1084 – 0.7471

2187-2228 2240-2287 2298-2369 2363-2431

LANDSAT-7 441-514 519-601 630-692 771-898 1547-1749 2065-2346 0.1220 – 0.7638

LANDSAT-5 452-518 438-610 626-693 776-905 1567-1784 2097-2349 0.1194 – 0.7638

IRS 520-590 620-680 770-860 1550-1700 0.1244 – 0.7571

SPOT-5 499-588 619-686 782-883 1585-1683 0.1214 – 0.7237

MODIS 456-475 544-564 620-670 837-876 1230-1254 2086-2140 0.1462 – 0.7577

1616-1644

VIIRS 600-680 846-885 1580-1683 0.1287 – 0.7819

AVHRR-14 575-705 720-1000 0.1571 – 0.7249

AVHRR-18 588-680 732-995 1577-1637 0.1502 – 0.6888

MERIS 407-417 505-515 615-625 750-757 0.1215 – 0.7700

437-447 555-565 660-670 758-765 485-495 677-685 773-780

703-713 855-875 880-890 895-905

GEO123.1 17.02.14


Thank you for your attention!

Documents

Grundlagen Fernerkundung - 1 - UZH€¦ · Photoelektrischer Effekt), genügt das oben beschriebene Wellenmodell nicht mehr, um alle beobachtbaren Phänomene zu beschreiben, vielmehr