Universität STUTTGART Pfaffenwaldring 31, 70550 Stuttgart · Pfaffenwaldring 31, 70550 Stuttgart...
Transcript of Universität STUTTGART Pfaffenwaldring 31, 70550 Stuttgart · Pfaffenwaldring 31, 70550 Stuttgart...
UniversitätStuttgart
INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEMEwww.irs.uni-stuttgart.de
Satellitenfernerkundung
Dr. Maria von Schönermark
Braunschweig, den 28.11.02
Universität STUTTGARTPfaffenwaldring 31, 70550 Stuttgarte-mail: [email protected].: 0711/ 6852417
in den Umweltwissenschaften
UniversitätStuttgart
Vorteile der Satellitenplattform
•Globale Beobachtung mit dem gleichen Instrument über einen langen Zeitraum
•Schnelle Datenerfassung (Kostenfaktor Personal)
•Daten aus unwegsamen Gebieten oder Bereichen mit zerstörter oder schlechter Infrastruktur
•Keine politischen Beschränkungen
•Flächenmittel gegenüber Punktmessungen
UniversitätStuttgart
Probleme der Satellitenplattform
•Bewölkung im optischen Bereich
•Ausreichend Genauigkeit?
•Beobachtungszeitpunkt durch die Umlaufbahn festgelegt (Abhängigkeit von Sonnen-und Beobachterposition und Atmosphärenzustand erfordert Korrektur!)
•Räumliche und zeitliche Auflösung
•Nicht alle Größen sind der Satellitenfernerkundung zugänglich (Modelle!)
•Validierung der Modelle und abgeleiteten Parameter
1
101
102
10 3
104
105
Wie
derh
olun
gsze
it [h
]Räumliche Auflösung und Wiederholungsrate für verschiedene FE-Disziplinen
H - Hydrologie, M - Meteorologie, O - Ozeanographie, marine VerschmutzungF - Forstwirtschaft, K - Kartographie, G - Geologie, NK - Naturkatastrophen, L - Landwirtschaft
1 Tag
1 Monat
1 Jahr
10 J.
O
GK
F
LH
M
NK
räumliche Auflösung [m]1 10 100 1 000 10 000
UniversitätStuttgart
INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEMEwww.irs.uni-stuttgart.de
Panc
hrom
atic
Mul
tispe
ctra
lH
yper
spec
tral
Spec
tral
Res
olut
ion
REMOTE SENSING
100 m 10 m 1 m 0.1 m 0.01 mSpatial Resolution
9
3
2
18
5
7
46
1 Earth Resources2 Environment3 Agriculture4 Topographic Mapping5 Defense6 Transportation7 Urban8 Forestry9 Water Control
UniversitätStuttgart
INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEMEwww.irs.uni-stuttgart.de
Satellitenfernerkundung für die Umweltpolitik und Umweltforschung
2 Maßstabsbereiche2 Maßstabsbereiche
• global (Zyklen)
z. B.• Montrealprotokoll 1987• Kyotoprotokoll 1992• Überwachung der Biosphäre als
Indikator für Klimaänderungen• Bio-geochemische Zyklen• Landbedeckungsänderungen• großräumige biologische
Prozesse im Ozean
• lokal bis regional: (Dynamik der Ökosysteme)
z. B.• Eingabeparameter in Modelle• Desertifikation, Degradation,
Abholzung• Landschaftsmonitoring
Kombination verschiedener FE-Daten und anderen Daten ⇒GISSatellitendaten
konkurrenzlos
Der Kohlenstoffkreislauf (in Gt C/a)
Jährliche Mittelwerte zwischen 1988 und 1998, Quelle: IPCC 2000
UnsicherheitUnsicherheit
~ 10 %~ 10 % UnsicherheitUnsicherheit
~ 140 %~ 140 %
UnsicherheitUnsicherheit
~ 35 %~ 35 %
DFD, Bittner, Feb. 2002
Kyoto - Protokoll
• Protokoll zur Klimarahmenkonvention Dez. 1997
• Verpflichtungen zur Begrenzung und Reduzierung von Treibhausgasen
• Berücksichtigung der Senken- und Quellenpotentiale biologischer Systeme im Berechnungsverfahren
• Kyoto - Protokoll – Landoberflächenparameter zur Identifizierung natürlichen Senken bzw. Quellen, wie:
Landnutzungsänderung, landwirtschaftliche Nutzung, Umwandlung von Grasland in Acker, Aufforstung, Entwaldung, Sekundärwälder, degradierte Flächen, Weidelandflächen, Trockenlegung von Feuchtgebieten, Änderungder Böden und die zeitliche Dynamik der Veränderung
L3: Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)
monthly max-composite: April 1999
DFD, 2002
UniversitätStuttgart
INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEMEwww.irs.uni-stuttgart.de
Landoberflächen
Atm
osph
äreOzean
Zeitreihenanalysen
Wasserdampfkonzentration, Schnee- und EisbedeckungBodenfeuchte, Landnutzung, ReliefVegetation: Art, Dichte, Typ, Zustand, Blattfläche
Rauhigkeit, OberflächentemperaturChlorophyllgehalt der Blätter
Niederschlag, Strahlungskomponenten
Veränderung der
Landoberfläche
V A L I D I E R U N G
Hydrologische Prozesse
Abfluß-> Modelle
Verdunstung
-> Modelle
globales + korrigiertes
Nullsignal
UniversitätStuttgart
INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEMEwww.irs.uni-stuttgart.de
BiophysikalischeVariablenBlattflächenindex (LAI)Ca,b
fAPARAlbedoTBodenfeuchteBodeneigenschaften
Pflanzen
ModellStrahlungs-
transportmodell
ErgebnisBiomassen Produktion
Energiebilanz
Wasserdynamik
Nitrogendynamik
Fernerkun-
dungsdaten
Zusatzinformation
Geometrie
Atmosphäre
Zusatzinformation
meteorologische
Daten
Näherungsverfahren zur Informationsgewinnung
LAI (Leaf Area Index) = Blattflächenindex
LAI – Einseitige Fläche aller Blätter pro horizontaler Flächeneinheit
z.B.: Laubwald LAI bis 12
0.8
0.6
0.4
0.2
00 2 4 6 8
LAI
T ran
spi r
a tio
n/
Po t
entia
l Eva
pora
tion
1.0
Beziehung zwischen Tran-spirationsmaßen und dem LAI
Beziehung zwischen dem Ernte-koeffizienten und dem LAI
0
0.5
1.0
1.5
2.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
DRY SOILWET SOIL
identical weather
Cro
pC
o effi
c ien
t
LAI
Schätzung des Emissions-vermögens mittels LAI
Beziehung zwischenRauhigkeit Z und LAI0
1.0
0.99
0.98
0.97
0.960 1 2 3 4
Emis
sivi
ty
LAI
Z 0h
LAI
b = 5
b = 2
UniversitätStuttgart
INSTITUT FÜR RAUMFAHRTSYSTEMEwww.irs.uni-stuttgart.de
1. Spektrale Information (Abhängigkeit der Reflexion von der Wellenlänge)
2. Geometrische Information (Abhängigkeit der Reflexion vom Beobachtungswinkel)
Spek
trale
r Ref
lexi
onsf
akto
r R λ
in %
70
60
50
40
30
20
10
0.4 0.6 0.8 1.0
Wellenlänge λ in µm
Wellenlängen1)
(1)
LAI = Ax3 + Bx2 + Cx +D
LAI = A + BxC
LAI = -1/2 (A ln(1-x))
BIRD – Umwelt und Vegetation
Neural Network
hidden layerinput layer
R1
R2
R3
R4
output layer
chlorophyll
L A I
(2)
Statistische Methoden basierend auf Modellen
Reflexionswerte im MERIS - Kanal
560 nm 0.0549665 nm 0.0127890 nm 0.2205
G. Oehmichen,Diss. 2003
Spek
tral
er R
efle
xion
sfak
tor
R λ
in %
Wellenlängen1)7060
5040302010
0.4 0.6 0.8 1.0Wellenlänge λ in µm
(1)
LAI = Ax3 + Bx2 + Cx +D
LAI = A + BxC
LAI = -1/2 (A ln(1-x))
NeuralNetwork
hidden layerinput
layer
R1
R2
R3
R4
output layer
chlorophyll
L A I
(2)
(4)
Modell R = f (LAI, ... n) -> LAI = f (R, ... n)
Winkel2)(3)
Wahrscheinlichkeits-Theorie
Winkel2)
nach Vogt 1997, DLR
LAI-Bestimmung mit einer und mit 9 MISR-Kameras
(4)
Modell R = f (LAI, ... n) -> LAI = f (R, ... n)
Canopy model SAILThe canopy model SAIL (Verhoef 1984)
figure from Vogt (1997)
Leaf Area Index (LAI)
Leaf angle distribution function(planophile, ... , erectophile)
Soil reflectance spectrum
Solar zenith angle: 45°
Nadir view direction
Leaf model SLOPEGerman Aerospace Center
The leaf model SLOPE (Maier 2000)
Chlorophyll-a 15 g/cmµ2
275 g/cmµ
refractive index
water content
dry matter
thickness
carotenoids
leaf type
Chlorophyll a+b
Chlorophyll LAI=5
C hloroph yll = 2 g /cm L AI=5µ Chloro phyll = 3 0 g/cm LAI= 5µ2 2
G reenGreenRed R ed
NIRNIR 1.0 1. 0
0.4 0.40.4 0.4
German Aerospace Center
Chlorophyll = 2 g/cm LAI=5µ Chlorophyll = 30 g/cm LAI=5µ2 2
GreenGreen
Red Red
NIRNIR 1.0 1.0
0.4
0.40.4
0.4
Chlorophyll LAI=0,5
German Aerospace Center
Chlorophyll = 2 g/cm LAI=0.5µ Chlorophyll = 30 g/cm LAI=0.5µ2 2
GreenGreen
Red Red
NIRNIR 1.0 1.0
0.4
0.40.4
0.4
Chlorophyll-a KonzentrationChlorophyll-a concentration in a maple leaf
2
(Gitelson et al. 1996)
µg/cm
Bayesian parameter estimationBayesian parameter estimation
( ) ( ) ( )( ),,
,,|,,,,,,|,, CBApCBAppCBAp prior
γβαγβαγβα
vvv∗=
( ) ( ) ( )( )CBAp
CBAppdCBAp prior ,,,,|,,,,,,|, γβα
γβαγβαv
vv ∗= ∫
( ) ( ) ( ) ( )( )∑
=
∗=N
i
iipriorprior CBAp
CBApppCBAp1
,,,,|,,,,,|, γβα
γβαβαv
LAI
nach Vogt, 1997
Neuralnet 1
rel. azimuth < 90° : RMSE = 1.2rel. azimuth > 90° : RMSE = 2.1
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
German Aerospace CenterInstitute of Space Sensor Technology
and Planetary Exploration
Calculation of LAI by using a neural networkfor different azimuth angles
Neuralnet 2Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.
German Aerospace CenterInstitute of Space Sensor Technology
and Planetary Exploration
Results of LAI-calculation within the backwardscattering area
LAI
nach Vogt, 1997
Fragestellung der Politik• Politik benötigt Information zur Kontrolle der Vereinbarungen
– auf Staatenebene und global• objektiv • nachvollziehbar • damit akzeptiert
→Eine Bilanzierung der C-Vorräte für einzelne Nationen wird erforderlich– basiert derzeit auf rein statistischen Angaben der Staaten zur
Flächennutzung• nicht objektiv • inkonsistent • daher nicht allgemein akzeptiert
DFD, Bittner, Feb. 2002