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Womit arbeitet Fernerkundung?

Die Fernerkundung arbeitet mit Sonnenlicht, das von der Erdoberfläche zurückgeworfen wird. Sensoren nehmen dieses Licht auf und speichern es ab. Doch wie funktioniert das? Wir bezeichnen das Licht der Sonne oft als “Sonnenstrahlen”. Eigentlich ist das nicht ganz richtig. Aufgrund von besonderen Eigenschaften müssten wir es eher als “Sonnenwellen” bezeichnen.

Was genau sind eigentlich Wellen?

Eine Welle kannst Du Dir als eine sich bewegende Schwingung vorstellen, die Energie transportiert. Wirfst Du beispielsweise einen Stein ins Wasser, so entstehen Wasserwellen. Eine andere Dir bekannte Form von Wellen sind die beim Sprechen entstehenden Schallwellen.
Das Sonnenlicht ist eine sogenannte elektromagnetische Welle. Im Unterschied zu Schall- und Wasserwellen benötigen elektromagnetische Wellen kein Medium wie z.B. Wasser oder Luft, um sich fortzubewegen.

Wie Du in der Abbildung oben sehen kannst, haben Wellen einen Wellenkamm und ein Wellental. Der Abstand von einem Kamm zum nächsten wird Wellenlänge genannt. Die Häufigkeit von Wellentälern und Wellenkämmen pro Zeiteinheit wird als Frequenz bezeichnet. Generell gilt: Je kleiner die Wellenlänge, desto höher ist die Frequenz und die Energie einer elektromagnetischen Welle.

Versuch zur Wellenenergie:

Willst Du wissen, wie Du die Energie einer Welle spüren kannst? Fülle Dein Waschbecken zur Hälfte mit Wasser und halte eine Hand hinein. Nimm Deine andere Hand und mache Wellen – erst ganz sanft, dann heftiger. Merkst Du, wie unterschiedlich die Kraft ist, mit der die Wellen auf Deine ruhige Hand auftreffen? Diese Kraft ist die Energie der Wellen, die weiter transportiert wird. Je schneller Du Deine Hand bewegst (also je höher die Frequenz ist), desto mehr Energie spürst Du. Je langsamer Du sie bewegst (also je niedriger die Frequenz ist), desto weniger Energie spürst Du.

Fazit:

Die Fernerkundung arbeitet mit Sonnenlicht. Licht ist eine elektromagnetische Welle. Elektromagnetische Wellen lassen sich durch ihre Wellenlänge und durch ihre Frequenz beschreiben.

Elektromagnetisches Spektrum

Wir haben gelernt, dass Licht eine Welle ist und man es mit der Wellenlänge und der Frequenz beschreiben kann. In der Natur gibt es neben dem Licht noch andere Arten von elektromagnetischen Wellen, wie z.B. die Radio- und Mikrowellen. Auch die sogenannte Gamma-, Röntgen- und Wärmestrahlung zählen hierzu. All diese Wellen kann man nach der Größe ihrer Wellenlängen in das elektromagnetische Spektrum einordnen. Radiowellen haben z.B. größere Wellenlängen als Mikrowellen.

Die Abbildung oben zeigt Dir die unterschiedlichen Wellen des elektromagnetischen Spektrums von links nach rechts aufsteigend von kleinen zu großen Wellenlängen. Ganz links im Spektrum befinden sich die kurzwelligen und energiereichen Gammastrahlen. Sie sind für den Menschen gefährlich. In der Mitte siehst Du das sichtbare Licht und ganz rechts die langwelligen Radiowellen. Die Wellenlängen reichen von der Größe eines Atoms (mehrere Milliardstel Millimeter) bis hin zu der einer Großstadt (mehrere Kilometer).

Wenn Du die Wellenlänge des uns bekannten Lichts mit dem Durchmesser eines Haares vergleichst, so müsstest Du ein Haar ca. 100-mal spalten, damit es so groß wie die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist.

Fazit:

Neben dem Sonnenlicht gibt es noch andere elektromagnetische Wellen. Dazu gehören u.a. die kurzwellige Gammastrahlung und die langwelligen Radiowellen. Die verschiedenen elektromagnetischen Wellen werden im elektromagnetische Spektrum nach ihrer Wellenlänge und Frequenz geordnet.

Reflexion und Absorption

Was bedeutet Reflexion?

Reflexion bedeutet, dass etwas zurückgeworfen wird. Wenn Du beispielsweise einen Ball gegen die Wand wirfst und er zurückkommt, wird er sinngemäß reflektiert. Das gleiche passiert mit dem Sonnenlicht, wenn es auf die Erdoberfläche trifft. Es wird reflektiert und kann vom Satelliten aufgenommen werden.
Trifft es auf eine glatte Fläche, z.B. einen Spiegel, so gilt: Einfallswinkel = Ausfallswinkel. Der Einfallswinkel ist dabei der Winkel zwischen einem auftreffenden Lichtstrahl und einer Fläche, der Ausfallwinkel der Winkel zwischen dem reflektierten Lichtstrahl und einer Fläche.

Das Prinzip der spiegelnden Reflexion kannst Du Dir mit der untenstehenden Animation verdeutlichen. Drehe einfach den Laser mit der Maus in eine neue Position und verfolge, wie sich der Winkel und die Reflexion des Laserstrahls verändern.

Man unterscheidet in der Regel drei Arten bei der Reflexion von Licht, wobei die Rauigkeit der Oberfläche des Körpers entscheidend dafür ist, wie der Lichtstrahl reflektiert wird:

1. Spiegelnde Reflexion: Der Lichtstrahl wird in dem Winkel zurückgeworfen, in dem er auf eine glatte Fläche auftrifft.
2. Diffuse Reflexion: Der Lichtstrahl wird von einer angerauten Oberfläche in alle Richtungen gleichmäßig zurückgeworfen.
3. Gemischte Reflexion: Der Lichtstrahl wird von einer sehr rauen Fläche ungleichmäßig in alle Richtungen zurückgeworfen. Diese Art der Reflexion ist in der Natur der Normalfall!

Was bedeutet Absorption?

Licht wird von Oberflächen nicht nur reflektiert, sondern auch aufgenommen. Die aufgenommene Energie des Lichts wird dabei gespeichert und langsam als Wärme wieder abgegeben. Diese Art der Energieumwandlung nennt man Absorption.

In der Animation kannst Du sehen, dass unterschiedliche Objekte unterschiedlich stark absorbieren.

Unten siehst Du Lukas die Strandlinse. Du kannst seine Farbe verändern, indem Du die rechten Farbfelder anklickst. Was kannst Du sehen? Je heller seine Farbe ist, desto weniger warm ist ihm und desto fröhlicher ist er! Er reflektiert mehr Licht als er absorbiert und nimmt somit viel weniger Wärme auf als mit einer dunkleren Farbe!

Das kannst Du auch auf Deinen Alltag übertragen: Ein schwarzes T-Shirt beispielsweise absorbiert viel mehr Sonnenlicht als ein weißes. Dies ist der Grund dafür, dass Du im Sommer in einem schwarzen T-Shirt mehr schwitzt als in einem weißen T-Shirt

Fazit:

Elektromagnetische Wellen wie das Sonnenlicht können reflektiert und absorbiert werden. Bei der Reflexion werden sie von einer Oberfläche zurückgeworfen, bei der Absorption von einer Oberfläche aufgenommen und in Wärmeenergie umgewandelt.

Techniken der Fernerkundung

Man kann die verschiedenen Aufnahmetechniken der Fernerkundung u.a. nach Art der verwendeten elektromagnetischen Strahlung unterscheiden. Hierbei gibt es die Dir bereits bekannten Systeme, die mit den auf der Erdoberfläche reflektierten Sonnenstrahlen arbeiten. Diese Aufnahmesysteme werden als passive Aufnahmesysteme (links) bezeichnet.

Eine andere Vorgehensweise machen sich aktive Aufnahmesysteme zunutze. Diese senden aktiv Mikrowellen auf die Erdoberfläche aus und nehmen anschließend den Strahlungsanteil, der von der Erdoberfläche reflektiert wurde, wieder auf (rechts).

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Aufnahmesystemen der Fernerkundung ist die Transporttechnik. In der flugzeuggetragenen Fernerkundung wird das Aufnahmesystem an Flugzeugen befestigt. Diese Aufnahmesysteme arbeiten sehr genau und haben durch den geringen Abstand zur Erdoberfläche auch eine sehr hohe räumliche Auflösung. Allerdings können sie nur einen kleinen Teil der Erdoberfläche überfliegen, sodass sie meist für spezielle Untersuchungen zum Einsatz kommen.

Bei der zweiten Transportart wird das Aufnahmesystem an Satelliten befestigt. Satellitengestützte Aufnahmesysteme sind zwar sehr teuer in der Entwicklung und haben eine geringere räumliche Auflösung als flugzeuggetragene, dafür können sie über Jahre hinweg kontinuierlich die gesamte Erdoberfläche überfliegen und aufnehmen.

In der Animation unten kannst Du Dir die einzelnen Bestandteile eines Satelliten, wie das Antriebsmodul, das Sonnensegel zur Energiezufuhr oder die Aufnahmesensoren genauer betrachten.

Fazit:

Fernerkundungssensoren können an Satelliten oder an Flugzeugen angebracht werden. Sie arbeiten entweder passiv mit Sonnenlicht oder mit aktiv ausgesendeten Mikrowellen.

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Wellen im Bild

Was ist ein Rasterbild?

Die Fernerkundung macht sich häufig die Reflexion des Sonnenlichts von der Erdoberfläche zunutze. Sensoren, die an Flugzeugen oder Satelliten montiert werden, nehmen das von der Erdoberfläche reflektierte Licht auf, wandeln es in Bilddaten um und speichern diese dann ab. Anschließend können die Bilddaten von Wissenschaftlern ausgewertet werden.

Das Produkt von Fernerkundungssensoren sind also Bilddaten. Dabei handelt es sich nicht um bloße Fotos. Vielmehr stecken hinter einem solchen Bild tausende von Zahlen, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind. Diese Anordnung nennt man Raster. Die Zellen in einem solchen Raster werden Pixel genannt.

Intensität im Raster

Jede Zahl eines Rasters steht für die Stärke (= Intensität) des von der Erdoberfläche reflektierten und vom Sensor aufgenommenen Lichts einer bestimmten Fläche. Unterschiedliche Flächen reflektieren und absorbieren unterschiedlich:

Ist die aufgenommene Fläche weiß, wie in der Abbildung unten links, wird viel Licht reflektiert und vom Sensor aufgenommen. Entsprechend ist dieser Fläche eine hohe Zahl zugeordnet. Bei einer schwarzen Fläche wird dagegen viel Licht absorbiert und geht so für den Sensor verloren. Entsprechend wird dieser Fläche eine kleine Zahl zugewiesen (rechts). Anhand der Zahlen in einem Rasterbild kannst Du Rückschlüsse auf die Eigenschaften der vom Sensor aufgenommenen Fläche ziehen.

Unten siehst Du das Produkt eines Satellitensors, bzw. eines seiner Aufnahmekanäle. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes Grauwertbild (Region Bonn). In einem solchen Bild werden die Flächen, von denen sehr viel Licht beim Satellitensensor ankommt, weiß dargestellt und die Flächen, von denen gar kein Licht beim Sensor ankommt, erscheinen schwarz. Den Flächen, die zwischen wenig und viel reflektiertem Licht liegen, werden Grautöne zugeordnet.

Das Grauwertbild entstammt dem sogennanten roten Aufnahmekanal. Dieser Aufnahmebereich ist empfindlich für den roten Bereich des sichtbaren Lichts. So ein Satellitensensor hat aber auch noch Kanäle, die empfindlich für den blauen oder grünen Bereich des sichtbaren Lichts sind.

Das Bild zeigt Dir anhand eines Grauwertbildes der Freiheitsstatue in New York wie ein digitales Rasterbild aufgebaut ist. Damit jedem Pixel eine genaue Position zugewiesen werden kann ist ein digitales Bild, wie ein Schachbrett, in Spalten und Zeilen aufgeteilt. Dabei ist eine Bildspalte einen Pixel breit und eine Bildzeile einen Pixel hoch. Der Ursprung der Bildkoordinaten befindet sich in der oberen linken Ecke.

Fazit:

Viele Fernerkundungssensoren arbeiten mit von der Erde reflektiertem Sonnenlicht. Sie nehmen es getrennt nach Wellenlängen auf. So gibt es Kanäle speziell für das blaue, grüne, rote und infrarote Licht. Aufgenommen wird die Intensität der Reflexion, abgespeichert wird diese in einem Raster. Je nach Intensität der Reflexion bekommen die jeweiligen Rasterzellen eine hohe oder eine niedrige Zahl zugewiesen. Am Ende steht für jeden Aufnahmekanal ein Grauwertbild.

Auflösung

Nicht alle Satellitenbilder sind gleich! Sie unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht. Am besten lassen sich Satellitenbilder anhand ihrer Auflösung beschreiben. Hierbei kann man die räumliche, die zeitliche und die spektrale Auflösung voneinander unterscheiden. Die räumliche Auflösung gibt die Größe der Erdoberfläche an, die in einem Pixel dargestellt werden kann. Die zeitliche Auflösung bestimmt den zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Aufnahmen des gleichen Gebietes. Die spektrale Auflösung besagt, wie gut ein Satellitensensor die unterschiedlichen Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums unterscheiden kann.

Räumliche Auflösung

Die räumliche Auflösung gibt die Größe des Ausschnitts der Erdoberfläche an, die in einem Pixel dargestellt werden kann. Die Einheit der räumlichen Auflösung ist Meter.

Spektrale Auflösung

Die spektrale Auflösung besagt, wie gut ein spektral-digitaler Satellitensensor die unterschiedlichen Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums unterscheiden kann. Die spektrale Auflösung kann man anhand der Anzahl der Spektralkanäle feststellen.

Zeitliche Auflösung

Die zeitliche Auflösung bestimmt den zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Aufnahmen des gleichen Gebietes. Die Einheit der zeitlichen Auflösung können Minuten, Stunden oder Tage sein.

Räumliche Auflösung

Ein Fernerkundungssensor nimmt die reflektierte Strahlung der Erdoberfläche  auf und speichert sie als Zahlen in einem Raster ab. Jede aufgenommene Fläche findet sich daher in einer Zelle im Raster wieder. Die Rasterzellen werden auch Pixel genannt. Wie groß die Fläche ist, die in einem Pixel abgebildet wird, hängt von der Fähigkeit des Sensors ab, Details aufzunehmen.

Grobe und feine räumliche Auflösung

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Mischpixel

Das Problem bei fast allen Satellitenbildern ist, dass nah beieinanderliegende Objekte gemeinsam in einem Pixel abgebildet werden müssen. So entsteht ein Mischpixel. In der Abbildung unten siehst Du, dass im gleichen Pixel ein Haus und ein Garten aufgenommen werden. Die Farbanteile der beiden Objekte (braun und grün) ergeben aufgrund der geringen räumlichen Auflösung ein nur sehr schwer auszuwertendes braun-grünes Mischpixel. Je geringer die räumliche Auflösung, umso mehr Mischpixel entstehen und umso weniger Flächen kann man voneinander unterscheiden.

Zeitliche Auflösung

Die von Fernerkundungssensoren aufgenommenen Bilddaten unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich der räumlichen und spektralen Auflösung voneinander. Entscheidend ist ebenfalls die zeitliche Auflösung. Sie gibt an wie groß der zeitliche Abstand zwischen zwei Aufnahmen eines Gebietes durch einen Sensor ist. Je höher die zeitliche Auflösung, umso kürzer ist der Abstand zwischen den Bildaufnahmen. Viele Satelliten haben eine mittlere zeitliche Auflösung von ungefähr 14 Tagen. Es gibt aber auch Satelliten mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung, die sogar alle 15 Minuten Aufnahmen des gleichen Gebietes machen können. Dies liegt daran, dass zeitlich hoch auflösende Satellitensensoren geostationär arbeiten.
Geostationäre Satellitensysteme unterscheiden sich von den sogenannten polarumlaufenden dahingehend, dass sie nicht die gesamte Erdkugel umfliegen und aufnehmen, sondern permanent von einem Punkt aus den gleichen Ausschnitt der Erdoberfläche betrachten.

Wenn die räumliche Auflösung entsprechend hoch ist, kann man mithilfe von zeitlich hoch aufgelösten Satellitendaten auch Phänomene wie die Gezeiten beobachten. Die auf die Erde wirkenden Gezeitenkräfte werden von der Anziehung zwischen Erde und Mond und zwischen Erde und Sonne verursacht. Die Gezeiten setzen sich aus Ebbe und Flut zusammen, wobei Ebbe den Prozess des absinkenden Wassers und Flut den Prozess des auflaufenden Wassers bezeichnet.
Im Swipe unten siehst Du einen Ausschnitt des Wattenmeeres bei den Ostfriesischen Inseln. Mit Hilfe der beiden Satellitenbilder kann man klar Ebbe und Flut voneinander unterscheiden. Aber nicht nur das: Selbst bei Flut kannst Du nämlich deutliche Unterschiede hinsichtlich der Meerestiefe erkennen. So treten z.B. klar erkennbar die Priele (“Ablaufrinnen”) hervor.

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Aber auch Satellitensensoren mit geringer zeitlicher Auflösung haben ihren Nutzen. Satellitensensoren, die nur 1-2 mal im Monat Bildaufnahmen eines Gebietes machen, haben meistens eine bessere räumliche Auflösung (bspw. 30 m) als Sensoren die stündlich Aufnahmen (bspw. 1000 m) liefern. Der zeitliche Abstand der beiden Bilder im Swipe beträgt 10 Tage. Sie zeigen die Stadt Gleebruk (Indonesien) vor und nach dem Tsunami vom 26.12.2004, der große Zerstörungen hinterließ.

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Fazit:

Der Fachbegriff “zeitliche Auflösung” bezieht sich auf den zeitlichen Abstand zwischen zwei Bildern desselben Gebiets. Geostationäre Satelliten nehmen Bilder desselben Ausschnitts der Erdoberfläche auf, so dass sie eine sehr hohe zeitliche Auflösung haben. Polumlaufende Systeme wiederum haben eine geringe zeitliche, aber eine hohe räumliche Auflösung.