Lv Fe II Ws1415 1 Einführung

Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen

Wintersemester 2014/2015

Fernerkundung II

Einfhrung & Wiederholung

Dr.-Ing. Diana Walter

[email protected]

Prof. Dr.-Ing. W. Busch

Institut fr Geotechnik und Markscheidewesen Abteilung Markscheidewesen und Geoinformation


Wintersemester 2014/2015 - Fernerkundung II d.walter igmc tu-clausthal 2014 2

Dozentin: AkadR Dr.-Ing. Diana Walter IGMC, 2. Etage, Raum208 Tel.: 05323 / 72-2236, Email: [email protected]

Voraussetzung: Grundlagen Fernerkundung I (ggf. Selbststudium Skripte FE-I)

Vorlesung: Montags, 10:15 11:45 Uhr

GIS-Pool des IGMC

Umdruck: Verfgbar ber Stud.IP und per Ausdruck

Prfung: Modulprfung Rumliche Modellierung (12-14 Uhr) und Fernerkundung II (14-16 Uhr) am 17.02.2014 fr Master Rohstoff-/Geowissenschaften

Klausur Fernerkundung II am 17.02.14 um 14 Uhr fr Master GEE und Informatik

Anwesenheit: Teilnehmerliste wird gefhrt Wenn Sie an einem Termin nicht knnen, dann schreiben Sie bitte

eine Email an [email protected]

Organisatorisches



RZ-Login

Daten lokal speichern unter D:\FernerkundungII Eigenen Ordner anlegen mit Nachnamen

Installierte Software: ENVI 5.1 + IDL 8.3 (plus ltere Versionen ENVI 4.8 + IDL 8.0)

Benutzung der PCs

GIS-Pool im IGMC (Dachgeschoss)



Erlangung von Kenntnissen ber Analysemethoden in der Fernerkundung

Entwicklung von Fhigkeiten zur Verarbeitung von Satellitendaten mittels der Software ENVI

Erlernen einer einfachen Programmiersprache (IDL) fr Eigenentwicklungen und Lsen einfacher (oder auch schwieriger) Datenverarbeitungsprobleme (z.B. automatisierte Verarbeitung groer Datenstapel)

Lernziele der Veranstaltung



Zeitp

lan

Mo., 27.10.2014 Einfhrung und Wiederholung Mo., 03.11.2013 ENVI Einfhrung (1) Mo., 10.11.2013 ENVI Einfhrung (2) Mo., 17.11.2013 ENVI Einfhrung (3) Mo., 24.11.2013 PCA & Bildklassifizierung Mo., 01.12.2013 Digitale Hhenmodelle (1) Mo., 08.12.2013 Digitale Hhenmodelle (2) Mo., 15.12.2013 Erstellung eines DHM aus ASTER-Daten Mo., 05.01.2014 Einfhrung IDL Programmierung (1) Mo., 12.01.2014 Einfhrung IDL Programmierung (2) Mo., 19.01.2014 Einfhrung IDL Programmierung (3) Mo., 26.01.2014 Hausarbeit IDL Programmierung Mo., 02.02.2014

jeweils 10:15 11:45 Uhr im GIS-Pool des IGMC

Zeitplan



Gewinnung von Informationen ber entfernte Objekte

- Ohne direkten Kontakt (berhrungslos)

Das Sensorsystem (FE-System)

- ist auf einer Plattform installiert

- Dessen Standort ist nicht auf der Erdoberflche

Informationstrger ist die reflektierte und emittierte elektromagnetische Strahlung

Ermittlung quantitativer und/oder qualitativer Informationen

- ber Vorkommen und Zustand (bzw. Art und Eigenschaften) von Objekten

Einfhrung in die Fernerkundung (Wiederholung)

IKONOS Echtfarben-Darstellung (1 m/Pixel)



Passive Fernerkundungssysteme erfassen

- vor allem die Reflektion von Sonnenstrahlung an der Erdoberflche

- oder die Emission von Thermalstrahlung (aufgrund von Wrme)

Aktive Fernerkundungssysteme - senden eigene Strahlung

aus und empfangen deren Reflektion an der Erdoberflche

Fernerkundungssysteme

TerraSAR-X DLR



Elektromagnetisches Spektrum

Radar-FE: Mikrowellenstrahlung Optische FE: UV-, VIS- und IR-Strahlung

Bezeichnung Wellenlnge

Ultraviolett (UV) 0.1 0.38 m

Sichtbares Licht (VIS) 0.38 0.78 m

Nahes Infrarot (NIR) 0.78 1.4 m

Kurzwelliges Infrarot (SWIR) 1.4 3.0 m

Mittleres Infrarot (MIR) 3.0 ca. 50 m

Thermales Infrarot (TIR) 8.0 15 m

Fernes Infrarot (FIR) oder auch Terrahertzstrahlung

50 m 1 mm

Band Frequenz Wellenlnge

P 0.3 1 GHz 100 30 cm

L 1 2 GHz 30 15 cm

S 2 4 GHz 15 7.5 cm

C 4 8 GHz 7.5 3.75 cm

X 8 12 GHz 3.75 2.4 cm

Ku 12 18 GHz 2.4 1.7 cm

K 18 27 GHz 1.7 1.1 cm

Ka 27 40 GHz 1.1 0.8 cm

fc

=



Die Materialeigenschaften eines Krpers bestimmen, was mit der auf ihn auf- treffenden Strahlung passiert. Es gibt:

- Reflektion R () - Emission E () = Absorption A () - Transmission T ()

Dabei spielt auch die Wellenlnge eine Rolle (z.B. unterschiedliche Farbe!)

Dabei gilt: E = A (Kirchhoffsches Gesetz) R + A + T = 1 ( = 100% ) In der Regel gilt im Bereich der Fernerkundung:

T = 0 (d.h. die Oberflchen sind undurchlssig) Zum Beispiel: Spiegel: E = A = 0 %, R = 100 % (zumindest im VIS...) Idealer Schwarzer Krper: E = A = 100 % (fr alle Wellenlngen!)

Physikalische Grundlagen

R E

T

A



Die Strahlungsgesetze beschreiben die physikalischen Zusammenhnge zwischen der Oberflchentemperatur (T in Kelvin) eines Krpers und der Strahlungsstromdichte (Energie pro Flche und Zeit).

Krper geben aufgrund ihrer Oberflchentemperaturen Strahlung ab.

Ein idealer Temperaturstrahler ist der sog. Schwarze Krper, der die auf ihn eintreffende elektromagnetische Strahlung vollstndig absorbiert.

Wichtig sind die folgenden vier Strahlungsgesetze:

Plancksche Strahlungsgesetz (Max Planck, 1900) Wiensche Verschiebungsgesetz (Wilhelm Wien, 1893) Kirchhoffsche Gesetz (Gustav Kirchhoff, 1859) Gesetz von Stefan-Boltzmann (Josef Stefan, 1879; Ludwig Boltzmann, 1884)

Physikalische Strahlungsgesetze



Strahlungsgesetz nach Planck - beschreibt die Verteilung der Strahlungsintensitt

einer Oberflche (Strahldichte) in Abhngigkeit von der

- Wellenlnge und der - absoluten Temperatur

Strahlungsgesetz nach Wien

(Wiensches Verschiebungsgesetz) - Maximum der Strahlungsdichte verschiebt sich bei

steigender Temperatur in kleinere Wellenlngen, d.h. Abhngigkeit von der

- absoluten Temperatur

Strahlungsgesetz nach Stefan & Boltzmann

- Die ausgestrahlte Gesamtenergie eines Krpers fr alle Wellenlngen ist abhngig von der

- absoluten Temperatur


Temperatur [K]

Frequenz [GHz]

Stra

hldi

chte

[J/m

]

Freq

uenz

[THz

] Lo

g Le

istu

ng [W

/m]

Log Temperatur [K]




x

x

x

x x

+ +

+ x

Normale Skalierung der Achsen Doppelt-logarithmische Skalierung

Stefan- Boltzmann

Wien



Spektrale Strahlungsdichten eines Schwarzkpers in Abhngigkeit der absoluten Temperatur (Kelvin) und der Wellenlnge

Fr die Fernerkundung

nutzbar ist die reflektierte und emittierte Strahlung der Erdoberflche

- Die reflektierte Strahldichte ist wesentlich geringer und entspricht der grnen Linie

- Der emittierte Anteil liegt ca. bei 275 K (~ 1C) und die maximalen Strahlungsdichte liegt bei etwa 10 m (TIR)

Schwarzkrper-Emission

Sonne

Erde (Emission)

Erde (Reflektion)

Schwarzkrper = idealer Temperaturstrahler, der die auf ihn eintreffende elektromagnetische Strahlung vollstndig absorbiert



Fernerkundung beschrnkt auf atmosphrische Fenster (300nm 1m) nahes UV - Mikrowellen

Erdatmosphre ist nur fr diese Wellenlngen durchlssig (Transmissionsgrad 0-100%) Aber es gilt auch: Nur ein Teil der Wrmestrahlung der Erde (thermales IR) kann nach auen

dringen (Treibhauseffekt) (Erde mit 300K strahlt im TIR besonders stark).

Atmosphrische Fenster

Fr die Fernerkundung relevante Fenster: VIS (380-780nm) NIR (1-2,5 m) MIR (3-5 m) TIR (8-15 m) FIR (17-24 m) 0,35mm 0,45mm 0,8mm Mikrowellen (1mm -20m)



Zeitliche Auflsung

- Wiederholzyklus

Geometrische Auflsung - Flchengre eines Bildelements in m

Spektrale Auflsung

- Anzahl der Bnder/Kanle

- Spektrale Bandbreite in m

Radiometrische Auflsung

- Differenzierung der Grauwerte

Auflsungsarten von Fernerkundungsdaten



temporal resolution Zeitlicher Abstand zwischen 2 Aufnahmen desselben Gebietes Wiederholzyklus

durch Umlaufbahn vorgegeben

kleiner Wiederholzyklus = hohe Wiederholrate hohe zeitliche Auflsung

berwachung dynamische Vorgnge

Zeitliche Auflsung

t t



Rumliche Auflsung (spatial resolution) Trennbarkeit von Objekten bzw. der Signale, die von benachbarten Objekten kommen Bei Scanner-Systemen beschrieben durch die Pixelgre [m] Verkleinerung der Bildelemente = Verbesserung der Auflsung ( mehr Speicherbedarf)

Geometrische Auflsung

Beispiel: Sieges- sule Berlin

Landsat TM (30 m)

SPOT panchromatisch (10 m)

IKONOS panchromatisch (1 m)



Anzahl der mglichen Datenwerte (Grauwertstufen) fr jeden Kanal Anzahl der Digital Numbers (DN)

d.h. wie gut knnen kleine Helligkeitsunterschiede noch wahrgenommen werden

Niedrige radiometrische Auflsung hoher Informationsverlust

Nachteil hoher radiometrischer Auflsung: - Hoher Speicherplatzbedarf


Uni Bonn




(Steinrocher et al. 2009)



Anzahl, Breite und Anordnung der Aufnahmebnder eines Aufnahmesystems Unterscheidung im englischen:

- spectral resolution = Breite der Bnder - spectral range = Anzahl der Bnder

Je mehr Bnder und je geringer die Bandbreite, um so grer ist die spektrale Auflsung! ( mehr Speicherbedarf)

Multispektrale Systeme: meist 3-8 Bnder

Hyperspektrale Systeme: > 15 (30) Bnder, knnen aber auch >300 sein!!!

Spektrale Auflsung



= Reflexionsgrad eines Objektes in verschiedenen Wellenlngen

Jedes Objekt (Wasser, Schnee, Vegetation, Minerale etc.) hat eine charakteristische Signatur

Fernerkundungssysteme messen nur in bestimmten Wellenlngen(-bereichen) (=Kanle bzw. Bnder)

Spektrale Signatur

Wellenlnge (m) Spektralsignatur verschiedener Oberflchen

Wellenlnge

Kurzwelliges Infrarot (SWIR)



Spektrometer

A2 Technologies Mobile FTIR-Spektrometer fr geowissenschaftliche Untersuchungen



Jeder Kanal gibt Rckstreuintensitten wieder (Messwerte: Grauwerte)

Darstellung von einem Kanal schwarz-weiss-Bild

Kombination mehrerer Kanle (unterschiedlicher Wellenlngenbereiche) und knstliche Einfrbung Farbbild

Multispektrale Fernerkundung

0,63-0,69m (rot) 0,51-0,59m (grn) 0,45-0,52m (blau)

RGB-Bild

R Rot

(0..255)

G Grn

(0..255)

B Blau

(0..255)



Beispiele fr multispektrale Sensoren:

ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) LANDSAT-7 ETM (Enhanced Thematic Mapper)

Multispektrale Fernerkundung

Abkrzungen:

UV Ultraviolet (bis 0.38 m) VIS Visible Light (bis 0.78 m) NIR Near Infrared (bis ca. 1.5 m) SWIR Short Wave Infrared (bis ca. 3 m) MIR Midwave Infrared (bis ca. 7 m) TIR Thermal Infrared (bis ca. 15 m)

UV MIR TIR Far TIR VIS NIR / VNIR SWIR

8 (15m)



Vergleich von optischen Fernerkundungssensoren

Satellit Spektrale Auflsung Rumliche Auflsung Wiederhol-zyklus


GeoEye-1

Multispektral 5 Kanle (VIS NIR, Pan)

1.65m (MS) 0.41m (Pan) 11 km Swath

1-3 Tage 11 Bit

IKONOS Multispektral 5 Kanle (VIS NIR, Pan)

4m (MS) 1m (Pan) 11 km Swath

1-3 Tage 11 Bit

Landsat -7 ETM+

Multispektral 7 Kanle (3 VIS, NIR, 2 MIR, TIR, Pan)

30m (VIS-MIR), 60m (TIR), 15m (Pan) 185 km Swath

16 Tage 8 Bit

ASTER Multispektral 14 Kanle (3 VIS, NIR, 6 SWIR, 5 TIR)

15m (VNIR), 30m (SWIR), 90m (TIR) 60 km Swath

16 Tage 8 Bit (VNIR, SWIR) 12 Bit (TIR)

MODIS Multi(hyper)spektral 36 Kanle (VIS-NIR-SWIR-TIR)

250m (B1-2), 500m (B3-7), 1000m (B8-36) 1200 km Swath

1 Tag 12 Bit

EO-1 mit Sensor Hyperion

Hyperspektral 224 Kanle (70 VIS + 172 SWIR)

30m 7.6 km Swath

16 Tage 12 Bit



Byte (1 Byte = 8 Bit): 0 .. 255 (= 28 verschiedene Werte) Unsigned Integer (2 Bytes = 16 Bit): 0 .. 65535 (= 216, auch: Word, Short) Signed Integer (2 Bytes = 16 Bit): -32768 .. 32767 (= 216 versch. Werte),

ein Bit fr das Vorzeichen (+/-) Single Float (4 Bytes = 32 Bit): Gleitkommazahl einfacher Genauigkeit Float Complex (z.B. 8 Bytes): Real- und Imaginrteil (in Float)

Verwendetes Datenformat hngt von den Daten ab:

- Bilddaten in der Regel 8 Bit, aber auch 7, 11 oder 12 Bit blich - 7 Bit: 128 Werte, 11 Bit: 2048 Werte, 12 Bit: 4096 Werte

- Digitales Gelndemodell entweder Signed Integer oder Float - Radardaten: Complex (entsprechend Betrag und Winkel)

Erforderliche Datenmenge und bertragungsrate sind wichtige Faktoren bei der Satellitenkonzeption!

Datenformate

27 26 25 24 23 22 21 20 Dezimal-

wert 128 64 32 16 8 4 2 1

1 1 1 1 1 1 1 1 255

1 0 0 1 0 0 1 0 Bsp.: 146



Helligkeiten / Grauwerte (Graustufen) bei Bildern Hhenwerte (Float fr Kommazahlen oder Integer fr ganzzahlige

Werte zwischen -32768 und +32767 m) Radianzen Temperaturen

Digital Numbers

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

4 Bit pro Pixel:

< 8 Bit

0 schwarz ... grau 255 wei

Surface Radiance (TIR 9 Meters) Einheit Datentyp

Gltiger DN-Bereich

Skalierungs-faktor

Band 10 (8.125 - 8.475 m)

W m-2 sr-1m-1

16-bit unsigned integer 0 1500 0.006882

Band 11 (8.475 - 8.825 m)

W m-2 sr-1m-1

16-bit unsigned integer 0 1500 0.006780

usw. ... ... ... ...

Beispiel fr eine Funktion (ASTER Surface Radiance TIR AST_09T): Radiance = 0.006882 * DN



Darstellung im RGB-Farbraum

O

8 Bit Rot + 8 Bit Grn + 8 Bit Blau = 24 Bit RGB 24 Bit = 16.777.216 verschiedene Farben

000

127

255

Wei Helles Blau

Helles Magenta

LCD-Display

R 255 G 255 B 255

R 180 G 230 B 255

R 255 G 215 B 255

Schwarz Gold

R 000 G 000 B 000

R 228 G 189 B 079

Helles Grau Rot

Magenta

R 200 G 200 B 200

R 255 G 000 B 000

R 255 G 000 B 255

Dunkles Grau

R 102 G 102 B 102

Dunkles Magenta

R 120 G 000 B 120

Grn

R 000 G 255 B 000

Blau

R 000 G 000 B 255

G r u n d f a r b e n

M i s c h f a r b e n

Cyan=Trkis

R 000 G 255 B 255

Gelb

R 255 G 255 B 000

Ein RGB-Pixel

Additive Farb-Mischung

Komplementr-Farbe



Darstellung im RGB-Farbraum

R Rot

(0..255)

G Grn

(0..255)

B Blau

(0..255)

RGB Echtfarben- darstellung



Einzelnes Band (Graustufen) Drei beliebige Bnder in R, G, B (farbige

Darstellung): - Echtfarben-Darstellung - Falschfarben-Darstellung

Beispiele fr Echtfarben: - R G B = 3 2 1 (LANDSAT-7 ETM+) - R G B = 3 2 1 (IKONOS) - Nicht mglich fr z.B.

ASTER und LANDSAT-5 Beispiele fr Falschfarben:

- R G B = 3 2 1 (LANDSAT-5 TM) - R G B = 4 3 2 - R G B = 7 4 3

Voraussetzung: Gleiche Ausmae und geometrische Auflsung der Bilder!

Darstellungsmglichkeiten

LANDSAT-7 8 (15m)

ASTER, RGB = 321 (NIR/Rot/Grn), 15 m

Foliennummer 1OrganisatorischesBenutzung der PCsLernziele der VeranstaltungFoliennummer 5Einfhrung in die Fernerkundung (Wiederholung)FernerkundungssystemeElektromagnetisches SpektrumPhysikalische GrundlagenPhysikalische StrahlungsgesetzePhysikalische StrahlungsgesetzePhysikalische StrahlungsgesetzeSchwarzkrper-EmissionAtmosphrische FensterAuflsungsarten von FernerkundungsdatenZeitliche AuflsungGeometrische AuflsungRadiometrische AuflsungRadiometrische AuflsungSpektrale AuflsungSpektrale SignaturSpektrometerMultispektrale FernerkundungMultispektrale FernerkundungVergleich von optischen FernerkundungssensorenDatenformateDigital NumbersDarstellung im RGB-FarbraumDarstellung im RGB-FarbraumDarstellungsmglichkeiten

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