(10) Satellitenbilder PDF

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Zusammenfassende Darstellung der Vorlesungsinhalte zu diesem Thema in Geomatik 1...

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Nützliches Werkzeug um Beitrag zur Umweltvorsorge zu leisten (in Kombination mit terrestrischen Daten) Aber auch für viele weitere Aspekte tauglich (Europäisches EO Programm: Copernicus) Das in Zusammenarbeit mit der EU geschaffene Copernicus-Programm soll unter anderem mithilfe der Sentinel-Satelliten eine komplexe Erdbeobachtung ermöglichen, deren Daten für die Bereiche Umwelt, Verkehr, Wirtschaft und Sicherheitspolitik eingesetzt werden können. -

Land-, Forst-, Fischwirtschaft Biodiversitäts und Umweltschutz Klimaschutz und Energiefragen Bevölkerungsschutz Öffentliche Gesundheit Tourismus Transportwesen und Sicherheit Stadtliches und Regionales Planen

Satelliten des Sentinelprogramms Die Sentinel-Satelliten sind Erdbeobachtungssatelliten des Copernicus-Programms (vormals GMES, Global Monitoring for Environment and Security) der ESA. Wie in der Planung vorgesehen, werden die Satelliten seit 2014 gestartet. Sentinel-1 ist ein Radarsatelliten-Paar, Sentinel-2 ein Paar von passiv-optischen Erdbeobachtungssatelliten und Sentinel-3 ein Paar von Satelliten mit Sensoren zur Messung der Meeresoberflächentopographie, der Temperatur von Meeres- und Landoberflächen und der Ozeanfarbe.[1] Sentinel-5P untersucht seit 2017 die Atmosphäre der Erde; ab 2019 sollen Sentinel4 und -5 als Instrumente an Bord meteorologischer Satelliten folgen. -

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Sentinel-1 - 2 polumlaufende Satelliten - C-Band Radaraufnahmen von der Erdoberfläche, Auflösung 5*20m Sentinel 2 - 2 polumlaufende Satelliten - 13 verschiedene optische Bänder, 10 bis 60m Auflösung - 290km Schwadbreite - Überflugfrequenz zwischen 2 und 5 Tagen je nach Breitengrad Sentinel 3 - 2 polumlaufende Satelliten - Radar-Altimeter zur Oberflächenvermessung - 21 verschiedene optische Bänder, Auflösung 300*300m - 1270 km Streifenbreite Sentinel 4 (von Wetterstation getragen) - Geostationäre Bahn Sentinel 5 - Polumlaufende Bahnen - Messung von Spurengasen in der Atmosphäre

Ein Satellit ist in der Raumfahrt ein künstlicher Flugkörper, der ein anderes Objekt, wie Planeten oder Monde, auf einer elliptischen oder Kreisbahn (Orbit) zur Erfüllung, wissenschaftlicher, kommerzieller oder militärischer Zwecke umrundet. -

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Satelliten sind Aufnahmeplattformen für Sensoren (meist mehrere pro Satellit) Dienen der Erdbeobachtung aus großer Höhe Unterschiedliche Konfigurationen für spezielle Anwendungen (Geodäsie, Meteorologie, Klimaforschung, Landnutzung, Vegetationsbeobachtung, Monitoring, Inventuren) Vorteile: Hohe Gebietsabdeckung Geringer logistischer Aufwand Digitale Daten Allgemein zugänglich (open sky)

Charakteristik von Satellitendaten -

Art der Sensoren Umlaufbahn Auflösung (Spektral, Geometrisch, Radiometrisch, Temporal)

Optisch-mechanische Scanner -

Rotierender Spiegel tastet streifenweise, Pixel für Pixel das Gelände ab Scanzeile leicht schräg zur Flugrichtung (Vorwärtsbewegung) Z.B. Landsat

Optisch-elektronische Scanner -

Zeilenscanner (Push Broom) Zeilenweise angeordnete Sensoren (CCD) Alle Pixel quer zur Flugrichtung werden gleichzeitig erfasst z.B. Spot

Umlaufbahnen / Orbits Auf Satellit wirkt Zentripetalkraft 

G = Gravitationskonstante M( E ) = Masse der Erde M ( S ) = Masse des Satellit E = Entferung des Satellit vom Erdschwerpunkt V²(s) = G * M( E) / E(S) Folglich kommt es zu Kreisbahn des Satelliten als Folge der Zentripetalkraft

 Erdanziehung nimmt mit Entfernung zur Erde ab, deshalb nimmt die Geschwindigkeit der Satelliten ab  Auf einer Kreisbahn ist die Höhe/Erdanziehung und damit die Geschwindigkeit immer gleich Geostationäre Umlaufbahn: -

In 36.000 km Entfernung zur Erde ist die Geschwindigkeit des Satelliten gleich der Erdrotation Der Satellit steht immer über dem gleichen Punkt der Erde über dem Äquator Angewandt für Wettersatelliten, Telekommunikation

Elliptische Satellitenbahnen: -

Zur Beobachtung der Polargebiete (Tundra Orbit!)

Sonnensynchrone Umlaufbahn: -

Umlaufbahn von Pol zu Pol mit +/- Inklination Überfliegt den Äquator (und alle anderen Gebiete) immer zur gleichen Ortszeit Keine tageszeitlichen Schwankungen des Sonnenstandes Erdbeobachtungssatelliten

Da sich die Erde unter dem Satelliten dreht, wird nach und nach die gesamte Erdoberfläche überflogen.

Charakteristik von Sensoren -

Auflösung: Spektral, Räumlich (geometrisch), Radiometrisch, Zeitlich

Spektral: -

Vermögen eines Sensorsystems, einzelne Wellenlängenbereiche zu trennen Maße für die Auflösung dienen der Anzahl der Spektralkanäle, ihre Breite und ihre Wellenlängenunterschiede

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Je größer die Anzahl der Bänder und je geringer die Bandbreite, desto größer ist die spektrale Auflösung des Sensors

Landsat ETM+ ban 1 (0,45-0,52 μm, blau) -

Gute Durchdringung von Wasser Auswertung von Sedimenten und Wassertiefe Sehr stark beeinflusst von Streulicht Schlecht geeignet für die Erstellung „schöner“ Bilder

LandsatETM+ band 2 (0.52-0.60 μm, grün) -

Ähnlich Kanal 1 Repräsentiert die grüne Farbe von Vegetation

Landsat ETM+ band3 (0.63-0.69 μm, rot) -

Wird von Vegetation stark absorbiert Gute Differenzierung Vegetation – Boden

LandsatETM+ band 4 (0.76-0.90 μm, nahesInfrarot) -

Vollständige Absorption im Wasser Sehr hohe und sensible Reflexion von Vegetation Wenig beeinflusst von Streulicht

LandsatETM+ band 5 (1.55-1.75 μm, mittleresInfrarot) -

Sensibel für Feuchtigkeit im Boden und in der Vegetation Unterscheidung zwischen Wolken und Wasser

LandsatETM+ band 6 (10.40-12.50 μm, thermales Infrarot) -

Bestimmung der Oberflächentemperatur Geologische Anwendungen Geringere räumlichere Auflösung (60*60m)

LandsatETM+ band 7 (2.08-2.35 μm mittleresInfrarot) -

Geologische Anwendungen Ebenfalls sensibel für Feuchtigkeit, Kanal 5 ist aber meistens zu bevorzugen

Geometrische Auflösung Unterschied zwischen -

Geringer Mittlerer Hoher und sehr hoher Auflösung

Auflösung = Fähigkeit eines Sensorsystems, Signale von benachbarten Objektstrukturen getrennt zu erfassen Fläche, über die das Signal eines Bildpunktes integriert wird (siehe Grafik)

High spatial resolution: 0.5 -4 m •Pleides •GeoEye-1 •WorldView-2 •WorldView-1 •QuickBird •IKONOS •ALOS •CARTOSAT-1 •SPOT-6/7 Medium spatial resolution: 4 -30 m •ASTER •LANDSAT 7 •CBERS-2 Low spatial resolution: 30 -> 1000 m •MODIS •SeaWiFS •GOES

Aufnahmestreifen (engl. Swath) -

Breite ist abhängig von Flughöhe und geometrischer Auflösung

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Je höher die Auflösung desto schmaler der Streifen desto geringer die Wiederholrate

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Bsp: MODIS (2048km), Landsat ( 186km), Ikonos (20km)

Auflösung : radiometrisch Die radiometrische Auflösung ist neben der räumlichen Auflösung das wichtigste Maß zur Beschreibung eines digitalen Spektralbilds. Dieses Maß gibt an, wie groß die Fähigkeit eines digitalen Sensors ist, bei der Aufnahme eines Bildes Grauwerte zu unterscheiden. Was heißt das?Wir Menschen sehen unsere Natur bunt. Ein Satellit hingegen registriert lediglich, dass es in der Natur

unterschiedliche Wellenlägen gibt und diese unterschiedlich intensiv sind. Er kann also nur zwischen hell und dunkel unterscheiden. Dies kann er allerdings sehr viel besser als der Mensch. Ein Spektralbild ist also nichts anderes als ein Raster aus verschiedenen Grauwerten.Der Swipe unten enthält zwei Spektralbilder von Bonn: Eines mit einer radiometrischen Auflösung von 2 und eines mit 8 bit. Deutlich erkennt man, dass man im Bild mit 8 bit viel besser unterschiedliche Flächen

unterscheiden kann, als im Bild mit 2 bit.

Die

Grauwertstufen werden im dualen (binären) Zahlensystem gespeichert  Speichereinheit ist ein Bit (Zwei Zustände: 0 oder 1) 2 Bit

1 Bit:

8 Bit: 16 Bit

Auflösung : zeitlich (temporal) Die von Fernerkundungssensoren aufgenommenen Bilddaten unterscheiden sich nicht nur hinsichtlich der räumlichen, radiometrischen und spektralen Auflösung voneinander. Entscheidend ist ebenfalls die zeitliche Auflösung. Sie gibt an wie groß der zeitliche Abstand zwischen zwei Aufnahmen eines Gebietes durch einen Sensor ist. Je höher die zeitliche Auflösung, umso kürzer ist der Abstand zwischen den Bildaufnahmen. Viele Satelliten haben eine mittlere zeitliche Auflösung von ungefähr 14 Tagen. Es gibt aber auch Satelliten mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung, die sogar alle 15 Minuten Aufnahmen des gleichen Gebietes machen können. Dies liegt daran, dass zeitlich hoch auflösende Satellitensensoren, wie bspw. Wettersatelliten, geostationär arbeiten. Geostationäre Satellitensysteme unterscheiden sich von den sogenannten polarumlaufenden Satelliten dahingehend, dass sie nicht die gesamte Erdkugel umfliegen und aufnehmen, sondern permanent vom gleichen Punkt aus den gleichen Ausschnitt der Erdoberfläche betrachten. Sie

können so in zeitlichen Abständen von wenigen Minuten Bilder des gleichen Gebietes machen. Geostationäre Satelliten befinden sich von der Erde aus gesehen deshalb immer am selben Punkt, da sie sich mit der Erde mit drehen. Um einen möglichst großen Ausschnitt aufnehmen zu können, fliegen geostationäre Satelliten in einer Höhe von ca. 36.000 km. Sie haben dementsprechend eine geringere räumliche Auflösung als polarumlaufende Satellitensysteme. Polarumlaufende Satellitensysteme (obere Animation) fliegen in einer Höhe von ca. 900 km und besitzen somit eine bessere räumliche Auflösung als geostationäre Satelliten. Sie betrachten zwar nur einen sehr kleinen Ausschnitt der Erdoberfläche, dafür fliegen sie aber auf einer schiefen Bahn von Pol zu Pol, während sich die Erde unter ihnen dreht. So haben sie nach wenigen Tagen die gesamte Erdoberfläche aufgenommen. Ob man nun Bilder von geostationären oder von polarumlaufenden Satelliten benutzen sollte, hängt vom Verwendungszweck ab: Benötigt man zeitlich hoch aufgelöste Bilder, um z.B. Wetterphänomene beobachten zu können, dann sollte man auf geostationäre Satellitenaufnahmen zurückgreifen. Benötigt man jedoch räumlich hoch aufgelöste Satellitenbilder, um bspw. eine Karte eines Gebietes anfertigen zu können, sollte man Bilder von polarumlaufenden Satelliten benutzen. Mithilfe von zeitlich hoch aufgelösten Satellitendaten kann man bspw. Phänomene wie die Gezeiten beobachten. Die auf die Erde wirkenden Gezeitenkräfte werden von der Anziehung zwischen Erde und Mond und zwischen Erde und Sonne verursacht. Die Gezeiten setzen sich aus Ebbe und Flut zusammen, wobei Ebbe den Prozess des absinkenden Wassers und Flut den Prozess des auflaufenden Wassers bezeichnet. Fazit: Den zeitlichen Abstand zwischen zwei Aufnahmen des gleichen Gebietes nennt man zeitliche Auflösung. Geostationäre Satelliten nehmen immer den selben Ausschnitt der Erdoberfläche auf, sodass sie eine sehr hohe zeitliche Auflösung haben. Polarumlaufende Systeme haben dagegen eine geringere zeitliche, aber eine hohe räumliche Auflösung.

Die räumliche Auflösung gibt die Größe des Ausschnitts der Erdoberfläche an, die in einem Pixel dargestellt werden kann. Die Einheit der räumlichen Auflösung ist Meter.

Die spektrale Auflösung besagt, wie gut ein spektral-digitaler Satellitensensor die unterschiedlichen Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums unterscheiden kann. Die spektrale Auflösung kann man anhand der Anzahl der Spektralkanäle feststellen.

Die zeitliche Auflösung bestimmt den zeitlichen Abstand zwischen den einzelnen Aufnahmen des gleichen Gebietes. Die Einheit der zeitlichen Auflösung können Minuten, Stunden oder Tage sein....