Grundlagen Fernerkundung - 5

Transcrição

Grundlagen Fernerkundung
17.03.2014
Department of Geography
Grundlagen Fernerkundung - 5
GEO123.1, FS2014
Erich Meier
3/17/2014
Page 1
Aqua / MODIS - Image © NASA
Remote Sensing Laboratories RSL
1
17.03.2014
Aqua / MODIS - Image © NASA
NOAA-17 / AVHRR Image © NOAA
Envisat / MERIS & AATSR - Image © ESA
2
17.03.2014
Elektromagnetisches Spektrum
Gamma
m
10-5
Röntgen
10-4
10-3
UV
10-2
10-1
NIR
TIR
FIR
100
101
102
m
1 nm
Mikrowellen
Radiowellen
103
104
105
106
107
1 mm
1 cm
1 dm
1m
10 m
blau grün rot
3
17.03.2014
Sonne 6000 K
Strahlungsenergie
Erde 300 K
100%
Atmosphärische Durchlässigkeit
Gamma
m
Röntgen
10-5
10-4
UV
10-3
10-2
10-1
NIR
TIR
FIR
100
101
102
Mikrowellen
m
1 nm
0
Radiowellen
103
104
105
106
107
1 mm
1 cm
1 dm
1m
10 m
blau grün rot
RGB und S/W-Pan-Film
CIR-Farbfilm
Multispektral-Scanner
Thermal-Scanner
30 MHz
10 m
300 MHz
1m
Very High
Frequency
VHF
High
Frequency
HF
3 GHz
10 cm
Ultra High
Frequency
UHF
P
L
1
Mikrowellen
Radiowellen
107
106
105
104
103
10 m
1m
1 dm
1 cm
1 mm
S
2
4
FIR
TIR
102
101
30 GHz
1 cm
Super High
Frequency
SHF
C
X Ku
8 12.5
NIR
100
K
18
Ka
300 GHz
1 mm
Extremely High
Frequency
EHF
Q V W
UV
10-1
Band
f (GHz)
40 50 56 100
Röntgen
10-2
m
10-3
Gamma
10-4
10-5
m
1 nm
rot grün blau
RGB und S/W-Pan-Film
CIR-Farbfilm
Multispektral-Scanner
Thermal-Scanner
4
17.03.2014
Grundlagen Fernerkundung - Microwave Remote Sensing
Lillesand, T.M., et al. (2008): Remote Sensing and Image Interpretation,
6th Edition, John Wiley & Sons.
Chapter 8: Microwave and LIDAR Sensing, p. 626 – 714
Woodhouse, I.H. (2006): Introduction to Microwave Remote Sensing,
Taylor & Francis.
Albertz, J. (2007): Einführung in die Fernerkundung,
3. Auflage, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt.
Lernziele
 Sie sind in der Lage, die grundlegenden Begriffe der
Mikrowellenfernerkundung zu erklären.
 Sie kennen die wichtigsten Konzepte abbildender
Mikrowellensensoren.
 Sie kennen die geometrischen und radiometrischen Eigenschaften
von aktiven, abbildenden Mikrowellensystemen und können diese
erklären.
 Sie sind in der Lage, die Eignung von Mikrowellensensoren für
geographische Anwendungen einzuschätzen.
 Sie können die wichtigsten Anwendungsgebiete aktiver und passiver
Mikrowellensysteme benennen und erklären.
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17.03.2014
Begriffe
Mikrowellen: Elektromagnetische Wellen
Wellenlängen:
1 m - 1 mm
Frequenzen: 300 MHz - 300 GHz
benötigen kein Ausbreitungsmedium (wie Licht)
Radiometer: Instrument zur (passiven) Messung elektromagnetischer
Strahlung
Imager: Bildgebender passiver Sensor
Sounder: Instrument zur Messung von Profilen (nicht abbildend)
Radar:
RAdio Detection And Ranging
aktives System, Detektion und Distanzmessung
SAR:
SLAR:
Altimeter:
Scatterometer:
Sonar:
Synthetic Aperture Radar
Side-Looking Airborne Radar
Höhenmessung (nicht abbildend)
Messung der Rückstreuung (nicht abbildend)
SOund Navigation And Ranging
Aktives System analog zu Radar, arbeitet mit Schallwellen
benötigt Ausbreitungsmedium
Strahlengang
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Passive Mikrowellen - Fernerkundung
Passive Mikrowellen-Radiometrie
Messung von EMISSIONS - EIGENSCHAFTEN
Image © Google
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17.03.2014
Radioteleskop
Effelsberg (D)
Max Plank Institut für
Radioastronomie (MPIfR)
0.3 GHz - 95.5 GHz
Image © Google
Image © Google
Radioteleskop
Effelsberg (D)
Max Plank Institut für
Radioastronomie (MPIfR)
0.3 GHz - 95.5 GHz
Image © Google
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17.03.2014
Strahlengang bei einem passiven Mikrowellen-System
Abstrahlung (Gesetz von Stefan Boltzmann)
Mikrowellen:
 Messdauer: . . . . . . . . . .
 räumliche Auflösung
....................
Kraus (1988)
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Funktionsschema eines passiven Mikrowellensystems
Anwendungen: Ozeanographie
 Wassertemperatur
Sea Surface Temperature (SST): Brightness = f (Temperatur)
über ganzen MW-Bereich
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17.03.2014
Images © NASA
Sea Surface Temperature: Advanced Microwave Scanning Radiometer for EOS (AMSR-E) auf Aqua
6.9, 10.6, 18.7, 36.5 und 89 GHz
(Animation © NASA)
Anwendungen: Ozeanographie
 Salzgehalt
Ocean Salinity:
Brightness = f (Temperatur)
über Teilbereich der MW
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17.03.2014
Sea Surface Salinity, Aquarius Instrument on SAC-D-Mission
1.41 und 1.26 GHz Radiometer, polarimetrisch
(Animation © NASA)
Anwendungen: Meereis
 Konzentration
Sea Ice Concentration: Brightness = f (Flächenanteils)
Brightness = f (Eisalter)
mehrere Frequenzen / Polarisationen
Brightness = f (Temperatur)
Modell-Schätzung / Zusatzdaten
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17.03.2014
Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2), Global Change Observation Mission 1st-Water (GCOM-W1)
89 GHz Brightness Temperature (Animation © NASA)
Anwendungen:
Snow Melt Anomaly
(SSM/I)
Images © NASA
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17.03.2014
Anwendungen:
Atmosphäre
Global Water Vapor (SSM/I)
Image © Univ. of Wisconsin
Anwendungen: Festland
 Schneehöhen
Volumen-Emission
Oberflächen-Emission
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17.03.2014
Nicht abbildend:
Sounder / Profiler
 Meteorologie:
 Festland:
 Ozeanographie:
Wasserdampf, Profile
Wassergehalt, Bodenfeuchte, Schnee-/Eisflächen
SST, Salzgehalt, Windgeschwindigkeiten,
Meereis
Strahlengang
15
17.03.2014
Aktive Mikrowellen - Fernerkundung
Aktive Sensoren:
Radar
Altimeter
Scatterometer
SLAR / SAR (abbildend)
Quelle der Strahlung:
System selber
Vorteile:
 Unabhängigkeit
 System-Design
von Beleuchtung (Sonne)
Tag / Nacht einsetzbar
Art der Quellstrahlung ist definierbar
Frequenz, Bandbreite, Polarisation, Leistung
Anpassung an:
- Dämpfung in der Atmosphäre
- Durchdringen von Wolken
- Eindringtiefe in Vegetation
- Eis- / Wasserflächen
Systeme mit realer Apertur
Systeme mit synthetischer Apertur
(Real Aperture Radar RAR)
Tracking Radars
Altimeter
Scatterometer
SLAR
SAR
Abbildende Verfahren
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17.03.2014
Konzept eines aktiven Mikrowellensystems
(reale Apertur)
 Distanzmessung über Laufzeit
 Azimut
 Elevation
Aktive Mikrowellensysteme: Altimeter
Konzept:
kommt dem klassischen Radar
sehr nahe
Ziel:
möglichst genaue Distanz-Messung
(kurze Impulse, hohe Bandbreite)
Anwendung
Vermessung von Erd-, Meeresund Eisoberflächen
v.a. Ozeanographie
Anmerkung: Oberste 3m Wasser beinhalten gleich
viel Energie wie ganze Atmosphäre!
17
17.03.2014
Sea Surface Height Anomaly (SSHA), TOPEX/Poseidon, JASON-1
El Niño 2009 - La Niña 2010
(Animation © NASA)
Aktive Mikrowellensysteme: Scatterometer
Ziel:
möglichst genaue Messung der
zurückgestreuten Leistung
Konzept:
Messungen in mehrere Richtungen
Mittelungen über mehrere Pulse
Winkelabhängigkeit Rückstreuung
Laufzeit, Doppler-Verschiebungen
Anwendung: Rauigkeit der Meeresoberfläche
Windstärke, -Richtung
Windfelder
18
17.03.2014
Aktive Mikrowellensysteme: Scatterometer
Instrument:
SeaWinds
Satellit:
QuikScat
Hurricane Erin
10.09.2001
Systeme mit realer Apertur
Systeme mit synthetischer Apertur
(Real Aperture Radar RAR)
Tracking Radars
Altimeter
Scatterometer
SLAR
SAR
Abbildende Verfahren
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17.03.2014
Aktive Mikrowellensysteme: Seitensichtradar
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17.03.2014
Aufnahmeprinzip Side-Looking Airborne Radar (SLAR)
Beispiel einer SLAR-Szene: Gurnigel, BE
Gute Auflösung in Blickrichtung
schlechte Auflösung quer dazu, bzw. in Flugrichtung
Bild © RSL / Fraunhofer FHR
21
17.03.2014
Konzept-Vergleich:
Synthetische Apertur vs. reale Apertur
Ein Radar mit synthetischer Apertur erlaubt eine sehr gute
Auflösung in Flugrichtung (Bewegungsrichtung des Sensors).
Dies wird durch synthetisches Zusammenfügen vieler Radarechose rreicht ,
welche ein Objekt aus verschiedenen Winkeln zeigen.
Konzept-Vergleich:
Synthetische Apertur vs. reale Apertur
22
17.03.2014
Auflösungsfaktoren eines
Radars mit synthetischer Apertur
Vergleich einer SLAR- mit einer
SAR-Szene, Gurnigel, BE
Gute Auflösungen in beiden
Bilddimensionen
Bilder © RSL / Fraunhofer FHR
23
17.03.2014
Darstellung der
Reflexion im Bild
Normalerweise werden im
SAR-Bild hohe empfangene
Intensitäten hell und tiefere
dunkel dargestellt.
Es kann aber auch umgekehrt
oder völlig willkürlich sein.
ENVISAT / ASAR "Gibraltar"
Falschfarbenbild
Bild © ESA
24
17.03.2014
Synthetic Aperture Radar SAR: Wichtige Meilensteine und Entwicklungen
1951:
Carl Wiley, Goodyear Aircraft Corp.:
Patent für "Winkelauflösung durch Frequenzanalyse"
1957:
erstes System: AN/UPD-1
Univ. of Illinois / Michigan, Goodyear, General Electric
Ende 70er-Jahre: erste digitale Prozessierung / Fokussierung
1978:
erster SAR-Satellit: Seasat-A
bis ca. 1980:
optisch - analoge Systeme
ab ca. 1980:
digitale Speicherung und Verarbeitung
1988:
erster mil SAR-Satellit: Lacrosse-1
90er-Jahre:
SAR-Satelliten um Venus, Mars, Titan
neue Technologien: Interferometrie, Polarimetrie, GMTI
ab ca. 2000:
zivile Systeme: ESA, CSA, PPP
mil: IGS, SARLupe, CosmoSkyMed, TecSAR, RISAT
aktuell:
digital Beamforming, MIMO - Radar
Synthetic Aperture Radar SAR
Meilensteine Schweiz
Erste SAR-Aufnahme der Schweiz:
Seasat-1, 19.08.1978
Bild © DFVLR
25
17.03.2014
Erste Flugzeug-SAR-Mission
in der Schweiz:
Oktober 1987, IRIS / MDA
Bild © SAF / MDA
Erste Flugzeug-SAR-Mission
in der Schweiz durch RSL:
ESAR / DFVLR, April 1991
Bild © RSL / DFVLR
26
17.03.2014
SAR
Jüngste
Flugzeug-SAR-Mission
in der Schweiz durch RSL:
FSAR / DLR
Oktober 2013
Bild © RSL / DLR
Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild I
27
17.03.2014
Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild II
Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild III
28
17.03.2014
Beispiel: Foreshortening
Radarsat-1 06.08.2002 17:22:32
Bild © CSA / MDA
Beispiel: Layover
ERS-2
23.05.1999
21:33:46
Off-Nadir: 23 Grad
Fronalpstock
Riemenstalden
Rophaien
Bild © ESA
29
17.03.2014
Beispiel: Schatten
Geocodierung
Umrechnung des SAR-Bildes
auf Karten-Geometrie
30
17.03.2014
Geocodierung
Radarsat-1 06.08.2002 17:22:32
Bilder © CSA / MDA
Geocodierung
Umrechnung
des SAR-Bildes
auf KartenGeometrie
Shuttle Imaging
Radar B (SIR-B)
mit
Landsat Thematic
Mapper (TM)
Bilder © RSL / NASA
31
17.03.2014
Allwetter-Fähigkeit
Produkte zur Unterstützung
des Notfall-Managements
TerraSAR-X: Tewkesbury, 25.7.2007
Bild © DLR - ZKI
Eyafjallajökull
TerraSAR-X
15. April 2010 19.04 Uhr LT
Bild © DLR / InfoTerra
Bild © DLR - ZKI
32
17.03.2014
Interferometrie
Sichtbarmachen zusätzlicher
Information (z.B. Höhe) durch
Kombination mehrere SAR-Bilder.
Vergleichbar mit räumlichem
Sehen mit zwei Augen.
Ziel: Mittels der gemessenen
Phasendifferenz der Radarpulse
relative Höhenunterschiede
herleiten.
Interferometrie
B
Aufnahmegeometrie
B
B
Phasendifferenz zwischen
2 SAR-Antennen
single-pass / multi-pass
Phasendifferenz
33
17.03.2014
Interferometrie
Resultate: DSMs
Bilder © RSL / Fraunhofer FHR / ESA
Interferometrie
STS-99, Orbiter Endeavour
Start:
Missionsdauer:
Payload:
Mastlänge:
Datenrate:
Datenmenge:
Bilder © NASA
31.1.2000
11 Tage
13.6 t
60 m
270 Mbit/sec
9.8 TByte
34
17.03.2014
Interferometrie
Animation © DLR
Interferometrie
Animation © DLR
35
17.03.2014
Differenzielle Interferometrie
Differenzbild zweier oder mehrerer
Interferogramme
Anwendung
–
Messung seismischer Deformation
–
Gebäudedeformationen
–
Erosion
–
Topographie
Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake
- Length, strike-slip
- Orientation (strike)
- Dip -Downdip extent
- Depth to fault
- Dip-slip
Elastic
Halfspace
36
17.03.2014
Aetna, 1992 - 2001
ERS-1/2 Bilder © ESA
37
17.03.2014
Polarimetrie: Sichtbarmachen von Streueffekten
HH-polarisation, linear
Pauli-Dekomposition
Bilder © RSL / DLR
Rot: Oberflächen-Streuung
Grün: Volumen-Streuung
Blau: Doppel-Reflexion
Reflexionseigenschaften von Radarwellen
Streuung
scattering
Spiegelung
Doppelreflexion
double bounce
diffuse reflector
specular reflector
corner reflector
38
17.03.2014
Reflexionseigenschaften und Eindringtiefen von Radarwellen
Volumen-Streuung
volume scattering
Doppelreflexion
double bounce
Oberflächen-Streuung
Surface scattering
Streumechanismen
39
17.03.2014
Streumechanismen
X-Band, 9.6 GHz,  = 3 cm
Bild © RSL / DLR
Streumechanismen
L-Band, 1.3 GHz,  = 23 cm
Bild © RSL / DLR
40
17.03.2014
Streumechanismen
P-Band, 350 MHz,  = 85 cm
Bild © RSL / DLR
Streumechanismen
Orientierung
Animation © RSL
41
17.03.2014
Streumechanismen
Elektrische Eigenschaften
und Orientierung
Zusammenfassung
 Mikrowellensysteme
(15 m - 3 mm, f = 20 MHz - 100 GHz , HF - EHF)
 All – Wetter, unabhängig von natürlicher Beleuchtung
 Puls-Doppler-Radars
 Methode für hohe räumliche (Bild-)Auflösung:
SAR – Synthetic Aperture Radar
 Duales System: Sensor + Prozessor
 Anwendungen:
- hohe Repetitionsrate
- rasche Reaktionszeit
- All-Wetter-Tauglichkeit
- Veränderungen
 Vergleich optische FE 0.4 m - 10 m
MW-FE
3 mm - 10 m
Faktor:
25
Faktor: > 3000 (!)
42
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Grundlagen Fernerkundung - 5

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