Fernerkundung

Grundlagen
Unter Fernerkundung versteht man die Gesamt der Verfahren zur Gewinnung von Informationen der Erdoberfläche durch die Messung und Interpretation reflektierter oder emittierter elekromagnetischer Strahlung. Diese berührungsfreie Beobachtung wird oft mittels flugzeuggetrageren oder satellitengetragener Sensoren ermöglicht.
Bei der Fernerkundung finden passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können. Passive Systeme zeichnen die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung auf sowie die von der Erdoberfläche emittierte Eigenstrahlung. Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflektierte Anteile.
Fernerkundungsdaten sind insbesondere in den Geowissenschaften/Geographie von großer Bedeutung, da eine globale Beobachtung der Erdoberfläche/Atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung nur mit Hilfe von Fernerkundungssensoren möglich ist. Neben dem synoptischen Überblick über große Räume ermöglichen satellitengestützte Fernerkundungssensoren zudem eine wiederholte (zum Teil tägliche) Abdeckung ein und desselben Gebietes.

Elektromagnetische Strahlung 

Als elektromagnetische Welle bzw. Strahlung bezeichnet man eine Welle aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. Dazu gehören z. B. Radiowellen, Mikrowellen und Licht.
Elektromagnetische Wellen sind im elektromagnetischen Spektrum nach der Wellenlänge sortiert.
Das am besten bekannte und am meisten studierte Beispiel einer elektromagnetischen Welle ist das sichtbare Licht. Es stellt nur einen winzigen Teil des gesamten Spektrums dar und ist, mit Ausnahme der Infrarotstrahlung (Wärme), der einzige Bereich, der von Menschen ohne technische Hilfsmittel wahrgenommen werden kann.
 Mittels Satelliten Sensoren hat man die Möglichkeit neben dem sichtbaren Licht auch weitere Teilspektren, wie Thermales Infrarot oder Mikrowellen zu messen. Dies lässt Analysen und Interpretation ausserhalb des sichtbaren zu. Als einfach Beispiel kann hier die Unterscheidung von Wolken und Schnee genannt werden. Im sichtbaren Bereich sind beide weiss und eine Unterscheidung ist nicht möglich. Im mittleren Infrarotbereich lassen sie sich aber wunderbar unterschieden. Satellitensensoren messen elektromagnetischen Strahlung in unterschiedlichen Bänder und Bänderkombinationen.

Satellitenbeschreibung
Modis (Elias)
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The Hyperion instrument on NASA's EO-1
The Hyperion instrument provides a new class of Earth observation data for improved Earth surface characterization. The Hyperion provides a science grade instrument with quality calibration based on heritage from the LEWIS Hyperspectral Imaging Instrument (HSI). The Hyperion capabilities provide resolution of surface properties into hundreds of spectral bands versus the ten multispectral bands flown on traditional Landsat imaging missions. Through these spectral bands, complex land eco-systems can be imaged and accurately classified.

Instrument Overview

The Hyperion provides a high resolution hyperspectral imager capable of resolving 220 spectral bands (from 0.4 to 2.5 µm) with a 30-meter resolution. The instrument can image a 7.5 km by 100 km land area per image, and provide detailed spectral mapping across all 220 channels with high radiometric accuracy. The major components of the instrument include the following:
  • System fore-optics design based on the Korea Muli-Purpose Satellite (KOMPSAT) Electro Optical Camera (EOC) mission. The telescope provides for two separate grating image spectrometers to improve signal-to-noise ratio (SNR).

Benefits

A focal plane array which provides separate Short Wavelength Infrared(SWIR) and Visible and Near Infrared (VNIR) detectors based on spare hardware from the LEWIS HSI program.
A cryocooler identical to that fabricated for the LEWIS HSI mission for cooling of the SWIR focal plane.
Hyperspectral imaging has wide ranging applications in mining, geology, forestry, agriculture, and environmental management. Detailed classification of land assets through the Hyperion will enable more accurate remote mineral exploration, better predictions of crop yield and assessments, and better containment mapping.
(Source: http://edcsns17.cr.usgs.gov/eo1/sensors/hyperion)

Vegetation Indices
Vegetationsindizes sind eine der primären Quellen für die Beobachtung und Analyse der Erdoberfläche und insbesondere der Vegetation. Sie nutzen den roten und nah-infraroten Spektralbereich.

NDVI - Normalized Differenced Vegetation Index 
Der Index beruht auf der Tatsache, dass gesunde Vegetation im sichtbaren Spektralbereich (~400 bis 700 nm) relativ wenig und im darauf folgenden nahen Infrarot-Bereich (~700 bis 1300 nm) relativ viel Strahlung reflektiert. Dabei ist die Reflexion im nahen Infrarot stark mit der Vitalität einer Pflanze korreliert - je vitaler die Pflanze, desto größer ist der Anstieg des Reflexionsgrades in diesem Spektralbereich. Andere Oberflächenmaterialien, wie Boden, Fels oder auch tote Vegetation, zeigen keinen solchen kennzeichnenden Unterschied des Reflexionsgrades beider Bereiche. Dieser Umstand kann folglich dazu dienen, zum einen mit Vegetation bedeckte von unbedeckten Flächen zu unterscheiden und zudem auf die photosynthetische Aktivität, Vitalität sowie Dichte der Vegetationsdecke zu schließen.
Berechnung:
 
EVI - Enhanced Vegetation Index
Der EVI gilt als optimerter Vegetation Index und soll das das Vegetation Signal verstärken. Er ist reagiert sensitiv auf hohe Biomasse, verbessert das atmosphärische Rauschen und reduziert den Einfluss der Atmosphäre.
Berechnung:

Während der NDVI vor allem auf Chlorophyl sensitiv ist, reagiert der EVI mehr auf die Bedeckungs Struktur und Bedeckungstyp. Die beiden Vegetations Indexe komplementieren sich in globalen Vegetations Untesuchungen und verbesseren Detektion von Vegetationsveränderungen.