GIS und Fernerkundung. Inhalt 1Einleitung 2Fernerkundung als Datenquelle 2.1 LIDAR 2.2 Vor- und...

GIS und FernerkundungGIS und Fernerkundung

InhaltInhalt11 EinleitungEinleitung

22 Fernerkundung als DatenquelleFernerkundung als Datenquelle

2.1 LIDAR2.1 LIDAR

2.2 Vor- und Nachteile der Fernerkundung2.2 Vor- und Nachteile der Fernerkundung

33 Datenprodukte aus FernerkundungsdatenDatenprodukte aus Fernerkundungsdaten

3.1 CORINE3.1 CORINE

3.2 PELCOM3.2 PELCOM

44 Integration von GIS und FernerkundungIntegration von GIS und Fernerkundung

55 Verknüpfung mit anderen WissenschaftenVerknüpfung mit anderen Wissenschaften

66 ZusammenfassungZusammenfassung

EinleitungEinleitung

• GIS und Fernerkundung = wissenschaftliche NachbardisziplinenGIS und Fernerkundung = wissenschaftliche Nachbardisziplinen

• Anfänge der Fernerkundung Ende 19. JahrhundertsAnfänge der Fernerkundung Ende 19. Jahrhunderts

• Geoinformatik mit Verarbeitung von Geodaten und Anwendung von Geoinformatik mit Verarbeitung von Geodaten und Anwendung von GIS eine junge DisziplinGIS eine junge Disziplin



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








Fernerkundung als DatenquelleFernerkundung als Datenquelle

• Datenquelle für GeoinformationsystemeDatenquelle für Geoinformationsysteme

• Technik, die genutzt wird, um Informationen über die physischen, Technik, die genutzt wird, um Informationen über die physischen, chemischen und biologischen Eigenschaften eines Objektes zu chemischen und biologischen Eigenschaften eines Objektes zu gewinnen ohne direkten physischen Kontakt zu ihm zu haben gewinnen ohne direkten physischen Kontakt zu ihm zu haben (Longley et al. 2001:207)(Longley et al. 2001:207)

• aktive und passive Sensorenaktive und passive Sensoren

• RADAR- und LIDAR-VerfahrenRADAR- und LIDAR-Verfahren



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








LIDARLIDAR• LIDAR = LIDAR = LiLight ght DDetection etection aand nd RRanginganging

• verwendet gleiches Prinzip wie RADARverwendet gleiches Prinzip wie RADAR

Abb.1: LIDAR PrinzipAbb.1: LIDAR Prinzip(Quelle: Deutsches Zentrum (Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und für Luft- und

Raumfahrt e.V. Raumfahrt e.V. 2005) 2005)

LIDARLIDAR

• Strahlung 10.000 – 100.000 mal kürzer als die RADAR-StrahlungStrahlung 10.000 – 100.000 mal kürzer als die RADAR-Strahlung

• Möglichkeit die Erdoberfläche mit Auflösung von 15 cm abzubildenMöglichkeit die Erdoberfläche mit Auflösung von 15 cm abzubilden

• Entfernung, Geschwindigkeit, Kreisläufe und die chemische Entfernung, Geschwindigkeit, Kreisläufe und die chemische Zusammensetzung und Konzentration von Zielobjekten kann Zusammensetzung und Konzentration von Zielobjekten kann gemessen werdengemessen werden

• Objekte müssen klar definiert seinObjekte müssen klar definiert sein

• Strahlung kann keine Wolken durchdringen und hat Probleme das Strahlung kann keine Wolken durchdringen und hat Probleme das Vegetationsdach zu durchdringenVegetationsdach zu durchdringen



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








Vor- und Nachteile der FEVor- und Nachteile der FE

Vorteile:Vorteile: - Gebiete in kürzester Zeit großflächig erfassen können- Gebiete in kürzester Zeit großflächig erfassen können

- Informationen über Gebiete gewinnen ohne selbst - Informationen über Gebiete gewinnen ohne selbst vor vor Ort zu sein Ort zu sein

- Zusammenhänge können besser erfasst und - Zusammenhänge können besser erfasst und veranschaulicht werden veranschaulicht werden

- Dokumentationsmaterial, durch welches der IST- - Dokumentationsmaterial, durch welches der IST- Zustand und der frühere Zustand von Objekten Zustand und der frühere Zustand von Objekten

bildhaft dargestellt werden kann bildhaft dargestellt werden kann

- Datengewinnung zur Aktualisierung erleichtert- Datengewinnung zur Aktualisierung erleichtert

Vor- und Nachteile der FEVor- und Nachteile der FE

Nachteile:Nachteile: - Datengewinnung je nach Methode wetterabhängig- Datengewinnung je nach Methode wetterabhängig

- Fernerkundung erfordert Spezialwissen und - Fernerkundung erfordert Spezialwissen und komplexe Hard- und Software komplexe Hard- und Software

- Beschränkungen im Detaillierungsgrad je nach - Beschränkungen im Detaillierungsgrad je nach Methode Methode

- Daten vorwiegend auf Oberflächeninformationen - Daten vorwiegend auf Oberflächeninformationen beschränkt beschränkt



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








CORINE CORINE (CORINE Land Cover & CORINE Land (CORINE Land Cover & CORINE Land

Cover 2000) Cover 2000)

• Annahme: Annahme: - dass menschliche Aktivität über längeren Zeitraum - dass menschliche Aktivität über längeren Zeitraum keinen oder nur geringen Einfluss auf die Natur keinen oder nur geringen Einfluss auf die Natur

- Natur hätte Fähigkeit sich selbst zu generieren- Natur hätte Fähigkeit sich selbst zu generieren

• Einstellung änderte sich nach Auswirkungen bestimmter EreignisseEinstellung änderte sich nach Auswirkungen bestimmter Ereignisse

• Notwendigkeit Bodenbedeckung und dazugehörige Komponenten Notwendigkeit Bodenbedeckung und dazugehörige Komponenten zu beobachten und Informationen darüber zu gewinnenzu beobachten und Informationen darüber zu gewinnen

• zunächst Bodenbedeckungsinformationen für urbane, zunächst Bodenbedeckungsinformationen für urbane, landwirtschaftliche und infrastrukturelle Entwicklung bereitgestellt landwirtschaftliche und infrastrukturelle Entwicklung bereitgestellt jedoch nur von kleinen Flächejedoch nur von kleinen Fläche

CORINE CORINE (CORINE Land Cover) (CORINE Land Cover)

• 1985 ins Leben gerufen1985 ins Leben gerufen

• CORINE = CORINE = CCooorordination of dination of InInformation on the formation on the EEnvironmentnvironment

• Zusammenarbeit, Abstimmung, Koordination und Information über Zusammenarbeit, Abstimmung, Koordination und Information über den Zustand der Umwelt und der natürlichen Ressourcen zu fördernden Zustand der Umwelt und der natürlichen Ressourcen zu fördern

• bisherige Versuche zur Gewinnung von Informationen über die bisherige Versuche zur Gewinnung von Informationen über die Umwelt zusammenbringenUmwelt zusammenbringen


• 1986-1995 europaweite Erfassung mit Landsat-4/5 durchgeführt1986-1995 europaweite Erfassung mit Landsat-4/5 durchgeführt

• CLC deckt Fläche von 2,3 Mio. kmCLC deckt Fläche von 2,3 Mio. km22 in 12 Ländern ab in 12 Ländern ab

• Maßstab 1:100.000, da kleinerer Maßstab zu ungenau für eine Maßstab 1:100.000, da kleinerer Maßstab zu ungenau für eine effiziente Nutzung wäreeffiziente Nutzung wäre

• kleinste abzubildende Einheit 25 ha, da für die Repräsentation der kleinste abzubildende Einheit 25 ha, da für die Repräsentation der wichtigsten Objekte gesorgt werden konntewichtigsten Objekte gesorgt werden konnte

• Nomenklatur:Nomenklatur: 1. Hierarchieebene 1. Hierarchieebene → → 5 Klassen5 Klassen2. Hierarchieebene 2. Hierarchieebene →→ 15 Klassen 15 Klassen3. Hierarchieebene 3. Hierarchieebene → → 44 Klassen44 Klassen

Tab. 1: NomenklaturTab. 1: Nomenklatur

(Quelle: (Quelle: http://www.umweltbuhttp://www.umweltbundesamt.at/ndesamt.at/fileadminfileadmin/site//site/umweltthemenumweltthemen//raumplanungraumplanung/1_flaechennutzung//1_flaechennutzung/corinecorine/CORINE_Projektbe/CORINE_Projektbeschreibung.pdfschreibung.pdf 2005:4) 2005:4)


• in Deutschland werden 36 von 44 Landnutzungsklassen in der in Deutschland werden 36 von 44 Landnutzungsklassen in der Legende verwendetLegende verwendet

Abb. 2: CORINE Land Cover für Abb. 2: CORINE Land Cover für Deutschland von 1990Deutschland von 1990(Quelle: Deutsches Zentrum für (Quelle: Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 2005)Luft- und Raumfahrt e.V. 2005)

CORINE CORINE (CORINE Land Cover 2000)(CORINE Land Cover 2000)

• im Rahmen von CORINE Land Cover 2000 erfolgte Aktualisierung im Rahmen von CORINE Land Cover 2000 erfolgte Aktualisierung des Datenbestandes zum Bezugsjahr 2000des Datenbestandes zum Bezugsjahr 2000

• Kartierung der Veränderung gegenüber der ErsterfassungKartierung der Veränderung gegenüber der Ersterfassung

• 29 Staaten wurden erfasst29 Staaten wurden erfasst

• gemeinsame Datenbasis, die Bodenbedeckung und Landnutzung gemeinsame Datenbasis, die Bodenbedeckung und Landnutzung sowie deren Veränderung der letzten 10 Jahre aufweistsowie deren Veränderung der letzten 10 Jahre aufweist

• als Datengrundlage dienten Landsat-7 Datenals Datengrundlage dienten Landsat-7 Daten


• Ergebnis Ergebnis →→ 2 Datensätze ( Kartierung der Bodenbedeckung 2 Datensätze ( Kartierung der Bodenbedeckung

CLC2000 und CLC2000 und

Kartierung der Veränderung gegenüber Kartierung der Veränderung gegenüber

CLC1990)CLC1990)

• weiterhin 44 Landnutzungsklassenweiterhin 44 Landnutzungsklassen

Abb. 3: CLC 2000 EuropaAbb. 3: CLC 2000 Europa(Quelle: (Quelle: www.dataservice.eea.eu.intwww.dataservice.eea.eu.int//atlasatlas//viewdataviewdata/viewpub.asp?=1/viewpub.asp?=1 2005) 2005)


Beispiel Leipzig:Beispiel Leipzig:

- umfangreiche Veränderungen im Zeitraum 1990-2000 in der - umfangreiche Veränderungen im Zeitraum 1990-2000 in der

Landnutzung und Bodenbedeckung in den neuen BundesländernLandnutzung und Bodenbedeckung in den neuen Bundesländern

- Anzahl der bebauten Flächen besonders an der Peripherie - Anzahl der bebauten Flächen besonders an der Peripherie

größerer Städte nahm zugrößerer Städte nahm zu

- Veränderungen im Zusammenhang mit der Stilllegung und - Veränderungen im Zusammenhang mit der Stilllegung und

Rekultivierung von Braunkohletagebauten sowie Veränderungen Rekultivierung von Braunkohletagebauten sowie Veränderungen

im landwirtschaftlichen Bereichim landwirtschaftlichen Bereich

Abb. 4: Ergebnisse der Interpretation in der Region LeipzigAbb. 4: Ergebnisse der Interpretation in der Region Leipzig

(Quelle: Deutsches (Quelle: Deutsches ZentrumZentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. 2005) für Luft- und Raumfahrt e.V. 2005)



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








PELCOMPELCOM

• PELCOM = PELCOM = PPan-an-EEuropean uropean LLand and CoCover ver MMonitoringonitoring

• Beginn September 1996 und Ende November 1999Beginn September 1996 und Ende November 1999

• aktuelle und zuverlässige Informationen über Landnutzung und aktuelle und zuverlässige Informationen über Landnutzung und Bodenbedeckung für landwirtschaftliche und Bodenbedeckung für landwirtschaftliche und umweltwissenschaftliche Studien gewinnenumweltwissenschaftliche Studien gewinnen

• Verwendung von multispektralen und multitemporalen NOOA-Verwendung von multispektralen und multitemporalen NOOA-AVHHR Satellitenbildern und unterstützenden Datenquellen (Bsp.: AVHHR Satellitenbildern und unterstützenden Datenquellen (Bsp.: MARS-Archiv oder NDVI-Index von 1997)MARS-Archiv oder NDVI-Index von 1997)

PELCOMPELCOM

• Ziele:Ziele: - euroopaübergreifende Datenbank mit einer - euroopaübergreifende Datenbank mit einer Auflösung von 1 km Auflösung von 1 km

- Aufbau eines Bodenbedeckungsplans für ganz - Aufbau eines Bodenbedeckungsplans für ganz EuropaEuropa

- Entwicklung einer konsequenten - Entwicklung einer konsequenten KlassifikationsmethodeKlassifikationsmethode

- Entwicklung einer europaweiten Überwachung von - Entwicklung einer europaweiten Überwachung von Veränderungen bezüglich der BodenbedeckungVeränderungen bezüglich der Bodenbedeckung

- Anwendung der Datenbank in verschiedenen - Anwendung der Datenbank in verschiedenen StudienStudien

Abb. 5: The pan-European 1-km land cover databaseAbb. 5: The pan-European 1-km land cover database(Quelle: (Quelle: http://www.geo.ucl.ac.be/LUCC/research/endorsed/04-pelcom/PELCOM.HTMLhttp://www.geo.ucl.ac.be/LUCC/research/endorsed/04-pelcom/PELCOM.HTML 2005) 2005)

PELCOMPELCOM

• Vergleich zu CORINE:Vergleich zu CORINE:

- weniger Klassen- weniger Klassen

- niedrigere Auflösung- niedrigere Auflösung

- Aufnahme mit anderem Sensor- Aufnahme mit anderem Sensor

- Bedeckung ganz Europas- Bedeckung ganz Europas



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








Integration von GIS und FEIntegration von GIS und FE

• Thema Integration von Fernerkundung mit GIS zum ersten Mal Thema Integration von Fernerkundung mit GIS zum ersten Mal 1989 aufgegriffen1989 aufgegriffen

• Integration beider Technologien nicht zuletzt benötigt, um Integration beider Technologien nicht zuletzt benötigt, um Ressourcen besser kontrollieren zu könnenRessourcen besser kontrollieren zu können

• durch neue Sensoren und Bildverarbeitungsprogramme großen durch neue Sensoren und Bildverarbeitungsprogramme großen Datenvolumen produziert, dessen Management an Grenzen stießDatenvolumen produziert, dessen Management an Grenzen stieß

• beide Technologien Werkzeuge für das Management von räumlich beide Technologien Werkzeuge für das Management von räumlich verteilten Informationenverteilten Informationen

• beide nutzen ähnliche Hardwareplattformen und Softwaretoolsbeide nutzen ähnliche Hardwareplattformen und Softwaretools


• Existenz von Unterschieden und HindernissenExistenz von Unterschieden und Hindernissen

• technische und institutionelle Schwierigkeiten überwindentechnische und institutionelle Schwierigkeiten überwinden

• technische Schwierigkeiten:technische Schwierigkeiten:

- Raster/Vektor Dichotomie (verhinderte viele Versuche der - Raster/Vektor Dichotomie (verhinderte viele Versuche der Integration) Integration)

- Problem der Datengleichmäßigkeit (GIS-Daten vor der - Problem der Datengleichmäßigkeit (GIS-Daten vor der Nutzung klar definiert, während Fernerkundungsdaten erst Nutzung klar definiert, während Fernerkundungsdaten erst interpretiert werden müssen) interpretiert werden müssen)


• institutionelle Schwierigkeiten:institutionelle Schwierigkeiten:

- Aufteilung der Nutzer in zwei verschiedene Gruppen- Aufteilung der Nutzer in zwei verschiedene Gruppen

- Gruppe der Entscheidungsträger, die Pool an - Gruppe der Entscheidungsträger, die Pool an Informationen Informationen brauchen, um Land und Ressourcen verwalten zu brauchen, um Land und Ressourcen verwalten zu könnenkönnen

- Gruppe der Forscher, die sich mit Zunahme an - Gruppe der Forscher, die sich mit Zunahme an Verständnis Verständnis über das System Erde bemühen über das System Erde bemühen

Abb. 6: Abb. 6: Three stages in the integration of image analysis with GIS technologyThree stages in the integration of image analysis with GIS technology (Quelle: Lo & Yeung 2002:299. (Quelle: Lo & Yeung 2002:299. In: Ehlers et al. 1989:1621)In: Ehlers et al. 1989:1621)

1. Stufe: - Existenz zweier simultaner Bildschirme und Schnittstellen für GIS-Daten im Vektorformat und für Fernerkundungsdaten im Ratserformat

- Systeme miteinander verknüpft

- Benutzen einer Art Datenaustauschformat

- Gelegenheit Ergebnisse der niedrigen Bildverarbeitungsebene in das GIS zu importieren

- Erlaubnis Attributwerte zum Thema zuzuordnen und eine Reihe von Statistikanalysen durchzuführen

2. Stufe: - beide Systeme haben gemeinsame Schnittstelle

- dennoch separat aber ergänzend zueinander verknüpft

- Kontrolle über Komponenten von Fernerkundungsbilder haben

- GIS-Daten direkt in Bildverarbeitungsprozesse eingliedern

- inhomogene Dateninputs und hierarchische Entitäten in zusammenhängender Weise unterbringen

- Möglichkeit Fehler zu analysieren

- Simulation von kartographischen und Bildverarbeitungsdaten mit zeitlicher Entwicklung erzeugen

3. Stufe: - beide Systeme sind in einem System integriert

- Raster/Vektor Zweiteilung gibt es nicht mehr

- auf hoher Ebene wird Vektordarstellung genutzt, während auf niedrigen Ebenen

Rasterdarstellung ausreicht

- Raster- und Vektordaten auf unterschiedlichen Ebenen untergebracht

- Objektbasierte und Ereignisbasierte Darstellung kann des geographischen Raumes kann flexibel mit Formaten umgehen

- im gemeinsamen System wird Fernerkundung zu einer Inputfunktion


• viele Fortschritte in Richtung Integration von GIS und viele Fortschritte in Richtung Integration von GIS und Fernerkundung getanFernerkundung getan

• Fortschritt durch schnelle Entwicklung der ComputerindustrieFortschritt durch schnelle Entwicklung der Computerindustrie

• Ausdehnung der Fähigkeiten bezüglich der Umwandlung von Ausdehnung der Fähigkeiten bezüglich der Umwandlung von DatenstrukturenDatenstrukturen

• High-Speed Computer und Netzwerkarbeit erlauben es komplizierte High-Speed Computer und Netzwerkarbeit erlauben es komplizierte Daten zu analysierenDaten zu analysieren

• Daten in hoher Auflösung darstellen Daten in hoher Auflösung darstellen

• einfachere Bedienung der entsprechenden Programmeeinfachere Bedienung der entsprechenden Programme


• Interessant Kombination von Vektorinformationen mit Interessant Kombination von Vektorinformationen mit Bildklassifikationsmethoden für die Auswahl von TestgebietenBildklassifikationsmethoden für die Auswahl von Testgebieten

• um totale Integration zu erreichen neues Modell nötig, welches um totale Integration zu erreichen neues Modell nötig, welches Raster/Vektor Zweiteilung nicht mehr behandeltRaster/Vektor Zweiteilung nicht mehr behandelt



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








Verknüpfung mit anderen Verknüpfung mit anderen WissenschaftenWissenschaften• Fernerkundung nicht für Aufklärung geographischer PhänomeneFernerkundung nicht für Aufklärung geographischer Phänomene

• andere Wissenschaften wie Sozialwissenschaften oder andere Wissenschaften wie Sozialwissenschaften oder Wirtschaftswissenschaften können Nutzen aus Fernerkundungsdaten Wirtschaftswissenschaften können Nutzen aus Fernerkundungsdaten ziehenziehen

• trotzdem Spannungsfeld zwischen Fernerkundung und anderen trotzdem Spannungsfeld zwischen Fernerkundung und anderen DisziplinenDisziplinen

• Sozialwissenschaftler nicht interessiert an Variablen und Merkmalen, Sozialwissenschaftler nicht interessiert an Variablen und Merkmalen, die aus der Luft gemessen werdendie aus der Luft gemessen werden

• finden abstrakte Eigenschaften wichtiger als menschliche Artefakte finden abstrakte Eigenschaften wichtiger als menschliche Artefakte wie Häuser oder Getreidefelderwie Häuser oder Getreidefelder

Verknüpfung mit anderen Verknüpfung mit anderen WissenschaftenWissenschaften• beschäftigen sich mit der Frage, warum Dinge passieren, wenn sie beschäftigen sich mit der Frage, warum Dinge passieren, wenn sie

passierenpassieren

• Sozialwissenschaftler setzen sich weniger mit dem Thema Sozialwissenschaftler setzen sich weniger mit dem Thema Fernerkundung auseinanderFernerkundung auseinander

Verknüpfung mit anderen Verknüpfung mit anderen WissenschaftenWissenschaften• Gründe:Gründe: - Informationen über den Zusammenhang, der - Informationen über den Zusammenhang, der

soziale soziale Ereignisse formt, zu bekommen Ereignisse formt, zu bekommen

- Zusammenhänge zwischen sozialen Phänomenen - Zusammenhänge zwischen sozialen Phänomenen und sozialen Phänomenen und deren und sozialen Phänomenen und deren

Auswirkungen Auswirkungen messen messen

- räumlich hoch aufgelöste Fernerkundungsdaten - räumlich hoch aufgelöste Fernerkundungsdaten benutzen, um statistische Modelle zu entwickeln benutzen, um statistische Modelle zu entwickeln

Verknüpfung mit anderen Verknüpfung mit anderen WissenschaftenWissenschaften• dennoch Hindernisse bei der Verknüpfung von Fernerkundung und dennoch Hindernisse bei der Verknüpfung von Fernerkundung und

SozialwissenschaftenSozialwissenschaften

• Besorgung georeferenzierter sozialer Daten, um diese mit Besorgung georeferenzierter sozialer Daten, um diese mit Fernerkundungsdaten zu verbinden Fernerkundungsdaten zu verbinden

• angemessene soziale Daten finden, die an Fernerkundungsdaten angemessene soziale Daten finden, die an Fernerkundungsdaten angepasst werden könnenangepasst werden können

• Level der Auflösung von Fernerkundungsdaten an die Ansprüche Level der Auflösung von Fernerkundungsdaten an die Ansprüche von sozialen Daten anpassenvon sozialen Daten anpassen



2.1 LIDAR2.1 LIDAR








ZusammenfassungZusammenfassung

• GIS und Fernerkundung im Laufe der Zeit von einander abhängige GIS und Fernerkundung im Laufe der Zeit von einander abhängige Disziplinen geworden, deren Entwicklung noch nicht beendet istDisziplinen geworden, deren Entwicklung noch nicht beendet ist

• Fernerkundung und GIS spielen große Rolle in der Analyse von Fernerkundung und GIS spielen große Rolle in der Analyse von räumlichen und temporären Phänomenen in der Geographieräumlichen und temporären Phänomenen in der Geographie

• andere Wissenschaften sollten nicht ausgeblendet werden, da andere Wissenschaften sollten nicht ausgeblendet werden, da Fernerkundung vielfältige Seiten ausweistFernerkundung vielfältige Seiten ausweist

• Fernerkundung sollte sich mit vielen Disziplinen verknüpfenFernerkundung sollte sich mit vielen Disziplinen verknüpfen

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