Grundlagen Fernerkundung - 5
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Grundlagen Fernerkundung - 5
Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Grundlagen Fernerkundung - 5 GEO123.1, FS2014 Erich Meier 3/17/2014 Page 1 Department of Geography Aqua / MODIS - Image © NASA Remote Sensing Laboratories RSL 1 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Aqua / MODIS - Image © NASA NOAA-17 / AVHRR Image © NOAA Department of Geography Envisat / MERIS & AATSR - Image © ESA Remote Sensing Laboratories RSL 2 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Elektromagnetisches Spektrum Department of Geography 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 Remote Sensing Laboratories RSL 3 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Elektromagnetisches Spektrum 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 Department of Geography 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 Remote Sensing Laboratories RSL 4 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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. Department of Geography 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. Remote Sensing Laboratories RSL 5 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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 Department of Geography Strahlengang Remote Sensing Laboratories RSL 6 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Passive Mikrowellen-Radiometrie Messung von EMISSIONS - EIGENSCHAFTEN Department of Geography Image © Google Remote Sensing Laboratories RSL 7 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Radioteleskop Effelsberg (D) Max Plank Institut für Radioastronomie (MPIfR) 0.3 GHz - 95.5 GHz Image © Google Image © Google Department of Geography Radioteleskop Effelsberg (D) Max Plank Institut für Radioastronomie (MPIfR) 0.3 GHz - 95.5 GHz Image © Google Remote Sensing Laboratories RSL 8 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Strahlengang bei einem passiven Mikrowellen-System Department of Geography Abstrahlung (Gesetz von Stefan Boltzmann) Mikrowellen: Messdauer: . . . . . . . . . . räumliche Auflösung .................... Kraus (1988) Remote Sensing Laboratories RSL 9 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Funktionsschema eines passiven Mikrowellensystems Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Ozeanographie Wassertemperatur Sea Surface Temperature (SST): Brightness = f (Temperatur) über ganzen MW-Bereich Remote Sensing Laboratories RSL 10 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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) Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Ozeanographie Salzgehalt Ocean Salinity: Remote Sensing Laboratories RSL Brightness = f (Temperatur) über Teilbereich der MW 11 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Sea Surface Salinity, Aquarius Instrument on SAC-D-Mission 1.41 und 1.26 GHz Radiometer, polarimetrisch (Animation © NASA) Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Meereis Konzentration Sea Ice Concentration: Brightness = f (Flächenanteils) Brightness = f (Eisalter) mehrere Frequenzen / Polarisationen Brightness = f (Temperatur) Modell-Schätzung / Zusatzdaten Remote Sensing Laboratories RSL 12 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR2), Global Change Observation Mission 1st-Water (GCOM-W1) 89 GHz Brightness Temperature (Animation © NASA) Department of Geography Anwendungen: Snow Melt Anomaly (SSM/I) Images © NASA Remote Sensing Laboratories RSL 13 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Atmosphäre Global Water Vapor (SSM/I) Image © Univ. of Wisconsin Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Anwendungen: Festland Schneehöhen Volumen-Emission Oberflächen-Emission Remote Sensing Laboratories RSL 14 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Passive Mikrowellen - Fernerkundung Nicht abbildend: Sounder / Profiler Meteorologie: Festland: Ozeanographie: Wasserdampf, Profile Wassergehalt, Bodenfeuchte, Schnee-/Eisflächen SST, Salzgehalt, Windgeschwindigkeiten, Meereis Department of Geography Strahlengang Remote Sensing Laboratories RSL 15 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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 Department of Geography Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Systeme mit realer Apertur Systeme mit synthetischer Apertur (Real Aperture Radar RAR) Tracking Radars Altimeter Scatterometer SLAR SAR Side-Looking Airborne Radar Synthetic Aperture Radar Abbildende Verfahren Remote Sensing Laboratories RSL 16 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Konzept eines aktiven Mikrowellensystems (reale Apertur) Distanzmessung über Laufzeit Azimut Elevation Department of Geography 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! Remote Sensing Laboratories RSL 17 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Sea Surface Height Anomaly (SSHA), TOPEX/Poseidon, JASON-1 El Niño 2009 - La Niña 2010 (Animation © NASA) Department of Geography 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 Remote Sensing Laboratories RSL 18 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Aktive Mikrowellensysteme: Scatterometer Instrument: SeaWinds Satellit: QuikScat Hurricane Erin 10.09.2001 Department of Geography Aktive Mikrowellen - Fernerkundung Systeme mit realer Apertur Systeme mit synthetischer Apertur (Real Aperture Radar RAR) Tracking Radars Altimeter Scatterometer SLAR SAR Side-Looking Airborne Radar Synthetic Aperture Radar Abbildende Verfahren Remote Sensing Laboratories RSL 19 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Aktive Mikrowellensysteme: Seitensichtradar Department of Geography Remote Sensing Laboratories RSL 20 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Aufnahmeprinzip Side-Looking Airborne Radar (SLAR) Department of Geography Beispiel einer SLAR-Szene: Gurnigel, BE Gute Auflösung in Blickrichtung schlechte Auflösung quer dazu, bzw. in Flugrichtung Bild © RSL / Fraunhofer FHR Remote Sensing Laboratories RSL 21 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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. Department of Geography Konzept-Vergleich: Synthetische Apertur vs. reale Apertur Remote Sensing Laboratories RSL 22 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Auflösungsfaktoren eines Radars mit synthetischer Apertur Department of Geography Vergleich einer SLAR- mit einer SAR-Szene, Gurnigel, BE Gute Auflösungen in beiden Bilddimensionen Bilder © RSL / Fraunhofer FHR Remote Sensing Laboratories RSL 23 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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. Bilder © RSL / Fraunhofer FHR Department of Geography ENVISAT / ASAR "Gibraltar" Falschfarbenbild Bild © ESA Remote Sensing Laboratories RSL 24 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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 Department of Geography Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Erste SAR-Aufnahme der Schweiz: Seasat-1, 19.08.1978 Bild © DFVLR Remote Sensing Laboratories RSL 25 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Erste Flugzeug-SAR-Mission in der Schweiz: Oktober 1987, IRIS / MDA Bild © SAF / MDA Department of Geography Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Erste Flugzeug-SAR-Mission in der Schweiz durch RSL: ESAR / DFVLR, April 1991 Bild © RSL / DFVLR Remote Sensing Laboratories RSL 26 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Synthetic Aperture Radar SAR Meilensteine Schweiz Jüngste Flugzeug-SAR-Mission in der Schweiz durch RSL: FSAR / DLR Oktober 2013 Bild © RSL / DLR Department of Geography Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild I Remote Sensing Laboratories RSL 27 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild II Department of Geography Effekte der Geländegeometrie auf das SAR-Radarbild III Remote Sensing Laboratories RSL 28 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Beispiel: Foreshortening Radarsat-1 06.08.2002 17:22:32 Bild © CSA / MDA Department of Geography Beispiel: Layover ERS-2 23.05.1999 21:33:46 Off-Nadir: 23 Grad Fronalpstock Riemenstalden Rophaien Bild © ESA Remote Sensing Laboratories RSL 29 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Beispiel: Schatten Bilder © RSL / Fraunhofer FHR Department of Geography Geocodierung Umrechnung des SAR-Bildes auf Karten-Geometrie Bilder © RSL / Fraunhofer FHR Remote Sensing Laboratories RSL 30 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Geocodierung Radarsat-1 06.08.2002 17:22:32 Bilder © CSA / MDA Department of Geography Geocodierung Umrechnung des SAR-Bildes auf KartenGeometrie Shuttle Imaging Radar B (SIR-B) mit Landsat Thematic Mapper (TM) Bilder © RSL / NASA Remote Sensing Laboratories RSL 31 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Allwetter-Fähigkeit Produkte zur Unterstützung des Notfall-Managements TerraSAR-X: Tewkesbury, 25.7.2007 Bild © DLR - ZKI Department of Geography Eyafjallajökull TerraSAR-X 15. April 2010 19.04 Uhr LT Bild © DLR / InfoTerra Bild © DLR - ZKI Remote Sensing Laboratories RSL 32 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography 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. Bilder © RSL / Fraunhofer FHR Department of Geography Interferometrie B Aufnahmegeometrie B B Phasendifferenz zwischen 2 SAR-Antennen single-pass / multi-pass Phasendifferenz Remote Sensing Laboratories RSL 33 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Interferometrie Resultate: DSMs Bilder © RSL / Fraunhofer FHR / ESA Department of Geography Interferometrie STS-99, Orbiter Endeavour Start: Missionsdauer: Payload: Mastlänge: Datenrate: Datenmenge: Remote Sensing Laboratories RSL Bilder © NASA 31.1.2000 11 Tage 13.6 t 60 m 270 Mbit/sec 9.8 TByte 34 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Interferometrie Animation © DLR Department of Geography Interferometrie Animation © DLR Remote Sensing Laboratories RSL 35 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Differenzielle Interferometrie Differenzbild zweier oder mehrerer Interferogramme Anwendung – Messung seismischer Deformation – Gebäudedeformationen – Erosion – Topographie Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Department of Geography Differenzielle Interferometrie - Length, strike-slip - Orientation (strike) - Dip -Downdip extent - Depth to fault - Dip-slip Elastic Halfspace Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Remote Sensing Laboratories RSL 36 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Differenzielle Interferometrie Jónsson & Small (2004): The Bam Earthquake Department of Geography Differenzielle Interferometrie Aetna, 1992 - 2001 ERS-1/2 Bilder © ESA Remote Sensing Laboratories RSL 37 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Polarimetrie: Sichtbarmachen von Streueffekten HH-polarisation, linear Pauli-Dekomposition Bilder © RSL / DLR Rot: Oberflächen-Streuung Grün: Volumen-Streuung Blau: Doppel-Reflexion Department of Geography Reflexionseigenschaften von Radarwellen Remote Sensing Laboratories RSL Streuung scattering Spiegelung Doppelreflexion double bounce diffuse reflector specular reflector corner reflector 38 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Reflexionseigenschaften und Eindringtiefen von Radarwellen Volumen-Streuung volume scattering Doppelreflexion double bounce Oberflächen-Streuung Surface scattering Department of Geography Streumechanismen Remote Sensing Laboratories RSL 39 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Streumechanismen X-Band, 9.6 GHz, = 3 cm Bild © RSL / DLR Department of Geography Streumechanismen L-Band, 1.3 GHz, = 23 cm Bild © RSL / DLR Remote Sensing Laboratories RSL 40 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Streumechanismen P-Band, 350 MHz, = 85 cm Bild © RSL / DLR Department of Geography Streumechanismen Remote Sensing Laboratories RSL Orientierung Animation © RSL 41 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Streumechanismen Elektrische Eigenschaften und Orientierung Bilder © RSL / Fraunhofer FHR Department of Geography 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 Remote Sensing Laboratories RSL Faktor: 25 Faktor: > 3000 (!) 42 Grundlagen Fernerkundung 17.03.2014 Department of Geography Remote Sensing Laboratories RSL 43