Fernerkundung

Die Augen auf den Blauen Planeten gerichtet

Wo ziehen die Erdbeobachtungssatelliten ihre Kreise? Was sehen sie in Wirklichkeit? Was ist mit der Raumauflösung oder auch Spektralauflösung eines Instruments gemeint? Fernerkundung – eine Gebrauchsanweisung.

Wasserdampf, aufgenommen von Meteosat 8, einem geostationären Satelliten mit Blick auf die Erde. 6. März 2004. Wasserdampf, aufgenommen von Meteosat 8, einem geostationären Satelliten mit Blick auf die Erde. 6. März 2004.
©Eumestat
Bild des Betania-Staudamms und seiner Umgebung (Kolumbien), aufgenommen im sichtbaren und Infrarotbereich. Die Vegetation erscheint in Rot, Wasser dagegen in Schwarz. Bild des Betania-Staudamms und seiner Umgebung (Kolumbien), aufgenommen im sichtbaren und Infrarotbereich. Die Vegetation erscheint in Rot, Wasser dagegen in Schwarz.
©Landsat

Wie man sich leicht vorstellen kann, umfasst die Fernerkundung nicht ausschließlich Geräte im Weltraum. Sie betrifft vielmehr die gesamte Technik, mit der mit Hilfe von Instrumenten Informationen über ein Objekt erlangt werden können, das sich nicht in direkter Nähe der Instrumente befindet. Gemeint sind also ebenso die Instrumente an Bord von Flugzeugen, die unsere Erde beobachten und damit Fernerkundung betreiben.
Zu den Erdbeobachtungssatelliten zählt eine Reihe von Geräten mit sehr verschiedenen Eigenschaften, die in unterschiedlichen Entfernungen die Erde umkreisen.
Die ersten Beobachtungssatelliten bestanden aus Fotoapparaten, die noch mit „guten alten Filmen“ ausgestattet waren. Sobald sie im Orbit waren, schossen sie eine Reihe von Aufnahmen und wurden anschließend wieder auf die Erde zurückgeholt, wo die Filme dann eingesammelt und entwickelt wurden. Später wurden Fernsehkameras in den Weltraum geschickt, die die Übertragung von Bildern aus dem Orbit ermöglichten. Und schließlich wurden die Sensoren immer mehr verfeinert und spezialisiert. Nun gehört das Weltall den rechnergestützten Sensoren, Scannern oder Radaren, die sowohl das Sichtbare als auch das Unsichtbare, wie z. B. den Infrarotbereich, erfassen können.

Die Umlaufbahnen

Die Umlaufbahn, auf der das jeweilige Gerät abgesetzt wird, hängt vom jeweiligen Zweck der Mission ab. Ein geostationärer Wettersatellit, wie Meteosat 5 zum Beispiel, „schwebt” 36 000 km über der Erde. Seine Auflösung ist aber bei weitem nicht hervorragend. Er kann keine Einzelheiten unterscheiden – aber das wird auch nicht von ihm erwartet. Er bleibt auf dieser Höhe über einem festen Punkt über dem Äquator und hat damit einen kontinuierlichen Blick auf die gesamte Erdhalbkugel. Dieser feste Standort ist besonders für die Beobachtung der Atmosphäre und deren Entwicklung interessant.
Die Fernerkundungssatelliten stehen normalerweise auf niedrigeren Umlaufbahnen in 450 km bis 1 000 km Höhe. Auf dieser Höhe verändern sie ihre Position und kreisen auf ihren Bahnen in kurzer Zeit um die Erde. Der Satellit Spot 4 benötigt beispielsweise 101,5 Minuten, um auf einer mittleren Höhe von 830 km die Erde zu umkreisen.
Die ausgewählten Ebenen der Umlaufbahnen bilden einen Winkel zur Äquatorebene. Die Satelliten können sich auf einer polaren Umlaufbahn (wobei die Pole überquert werden), auf direkten Umlaufbahnen (die Ebene ist dann zwischen 0° und 90° im Bezug zum Äquator geneigt und der Satellit fliegt Richtung Osten) oder auf einer rückläufigen Bahn bewegen. Bei letzterer liegt die Inklination zwischen 90° und 180° (und die Bewegung läuft Richtung Westen).
Die Inklination der Umlaufebene eines Satelliten bestimmt auch den Teil der Erde, der beobachtet werden kann. Wenn er auf einer Umlaufbahn mit einer Inklination von 50° steht, umkreist er die Erde nur zwischen einer Länge von 50° Nord und 50° Süd. Er wird also niemals Oslo (NO) überfliegen, das bei 60° Nord liegt.
Der sogenannte sonnensynchrone Orbit ist besonders interessant, da er im Verhältnis zur Position der Sonne konstant bleibt. Ein Satellit auf dieser Umlaufbahn überfliegt jeden Punkt der Erde zur selben Tageszeit, das ganze Jahr über. Dadurch können Aufnahmen miteinander verglichen werden, die unter denselben Lichtverhältnissen gemacht wurden. Dieser Orbit wird vor allem für die Satelliten vom Typ Spot benutzt.

Spektralauflösung – Raumauflösung

Die Sensoren der Satelliten nehmen die Strahlung (das sichtbare und unsichtbare Licht verschiedener Wellenlängen) auf, die vom Boden und den verschiedenen Objekten reflektiert oder ausgestrahlt werden. Unter Spektralauflösung versteht man die Fähigkeit der Sensoren, elektromagnetische Strahlungen unterschiedlicher Frequenzen zu unterscheiden. Je empfindlicher der Sensor für feine spektrale Unterschiede (schmale Wellenlängenintervalle) ist, umso höher ist die Spektralauflösung des Sensors.
Daraus ergeben sich zwei Bildtypen. Zunächst das panchromatische Bild, das aus einer einzigen Strahlung aus allen sichtbaren Wellenlängen erstellt wird. Die Nuancen bei der Strahlungsintensität ergeben ein Schwarz-Weiß-Bild des beobachteten Bereichs. Dieser Bildtyp liefert genauere Details. Hierbei ist die Raumauflösung der beobachteten Objekte sehr gut, im Gegensatz zur schlechteren Spektralauflösung. In der Fernerkundung bedeutet Raumauflösung die Größe der beobachteten Zone, die von einem einzigen Bildpunkt des Sensors abgedeckt wird. Jeder Bildpunkt des Bildes entspricht einem Teil der Erdoberfläche. Die genausten Satelliten von heute haben eine – panchromatische – Raumauflösung von 60 cm.
Dagegen sind multispektrale Bilder farbige Bilder. Sie werden von mehreren Sensoren erstellt. Dabei arbeitet jeder in einem bestimmten Bereich der elektromagnetischen Strahlung (Rot, Grün und Blau für sichtbares Licht, aber auch Infrarot). Durch Kombination der Informationen dieser verschiedenen Spektralkanäle wird das Farbbild aufgebaut.

Rot, die Vegetation?

Auf den meisten wissenschaftlichen Satellitenbildern ist die Vegetation generell in Rot abgebildet. Das ist recht erstaunlich für Wälder, Felder oder auch Gärten, die uns doch eigentlich grün erscheinen… Woran liegt das?
Die meisten Satelliten, die multispektrale Bilder liefern, sind mit Sensoren ausgestattet, die in verschiedenen Spektralkanälen arbeiten. Im Bereich der sichtbaren Strahlung von Blau über Grün bis Rot besitzen die Satelliten Sensoren für drei Spektralkanäle: Blau, Grün und Rot. Ausgehend von diesen drei Kanälen können alle „echten“ Farben eines Bildes rekonstruiert werden, indem die Farbintensität verändert wird.
In der Fernerkundung ist Blau jedoch nicht besonders interessant. Dieser Spektralkanal reagiert sehr empfindlich auf atmosphärische Störungen. Deshalb werden für diesen Bereich keine Sensoren auf dem Satelliten installiert. Stattdessen trägt er Sensoren für den für das bloße Auge unsichtbaren nahen Infrarotbereich (der im elektromagnetischen Spektrum direkt auf die Farbe Rot folgt). Der nahe Infrarotbereich ist aus technischer Sicht sehr interessant, da er für die Vegetation typisch ist.
So verschiebt sich auf den Fernerkundungssatelliten die Farbentsprechung der verschiedenen Sensoren Kanal für Kanal. Den Sensoren für die Farbe Grün ordnen die Wissenschaftler auf ihren Bildern die Ersatzfarbe Blau zu. Für Rot-Sensoren ist es die Ersatzfarbe Grün, und in Rot werden die Elemente wiedergegeben, die von den Infrarot-Sensoren erfasst werden. Diese sind also für die Farbe der Vegetation verantwortlich, die uns so unpassend erscheint. Aber es gibt auch noch andere Ungereimtheiten. Beispielsweise werden rote Dachziegel in Gelb dargestellt und Wasserflächen in Schwarz.

Hyperspektrale Bilder

Hyperspektrale Bilder erhält man von Sensoren, die Informationen über zahlreiche schmale Spektralkanäle – oft über 200 – im sichtbaren Bereich sowie im nahen und im mittleren Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums erfassen können.
Alle Objekte reflektieren, absorbieren oder strahlen elektromagnetische Wellen aus, die ihrer Zusammensetzung und ihrer Struktur entsprechen. Hyperspektrale Daten bieten somit weit detailliertere Informationen über die spektralen Eigenschaften (Spektralsignatur) eines Ausschnitts und ermöglichen dadurch eine weitaus genauere Identifizierung und Unterscheidung der Objekte, als dies konventionelle multispektrale Breitbandsensoren bieten.
Für die hyperspektrale Bildaufnahme gibt es zahlreiche Einsatzbereiche. Zu den wichtigsten gehören die Geologie (Identifizierung von Mineralien u. Ä.), die Präzisionslandwirtschaft, die Forstwirtschaft (Gesundheitszustand, Artenbestimmung usw.) oder auch das Wassermanagement (Wasserqualität, Zusammensetzung des Phytoplanktons u. a.).

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