Fernerkundung

Geschichte

Die Fernerkundung hat ihre Ursprünge in der militärischen Aufklärung. Von einem meist hochgelegenen Punkt (Berg) versuchte man die Bewegungen des Gegners zu beobachten. Mit Beginn der Luftfahrt änderte sich die Darstellung von der Perspektive in eine Draufsicht von oben. Anfangs dienten dazu noch Fesselballon mit menschlichen Beobachtern und Zeichenblock, später Flugzeuge mit Luftbildkameras. Die Luftbildfotografie konnten relativ früh ausgewertet werden, allerdings war das Ergebnis immer stark abhängig vom Auswerter. Die heute mit Satellitenplattformen und diversen Bildaufzeichnungsgeräten und Spektralabtastern gewonnenen Daten können mit Computersystemen be- und verarbeitet werden (digitale Bildverarbeitung). Diese systematische Auswertung wurde in den letzten Jahren stark verbessert. Trotzdem bleibt auch heute noch die visuelle Bildinterpretation wichtig.

Fernerkundungssensoren

In der Fernerkundung finden sowohl passive oder aktivess Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrum ausgewertet werden können.

Die gebräuchlichsten Sensortypen sind:

Multispektralscanner
Thermalbildkameras
Radarsysteme
Hyperspektralsensoren
Mikrowellenradiometer
Laseraltimeter
Interferometer
Luftbildkammer

Fernerkundungssatelliten (Auswahl)

Es befinden sich eine Vielzahl von Satellitenen in der Erdumlaufbahnen. Je nach Aufgabengebiet werden diese auch in Umweltsatellit und Wettersatelliten unterteilt; die Übergänge zwischen beiden Kategorien sind jedoch fliessend.

Die wichtigsten staatlichen und kommerziellen Erdbeobachtungssatelliten sind

(halb)staatlich
- Envisat, (ESA, Europa)
- ERS, (ESA, Europa)
- Landsat, (NASA, USA)
- SPOT, (CNES, Frankreich)
- IRS, (ISRO, Indien)
- Earth Observing System (EOS), (NASA, USA), u.a. Terra und Aqua
- TerraSAR-X, (DLR, Deutschland)
kommerziell
- HyMap, (HyVista Corporation, Australien)
- IKONOS, (GeoEye Inc, USA)
- Quickbird, (Digital Globe, USA)
- Orbview, (Orb Image Inc, USA)

Eine Liste der Erdbeobachtungssatelliten listet viele weitere Satelliten auf. Die aufgeführten Satelliten haben unterschiedlichste spektrale, räumliche, zeitliche, optische und radiometrische Auflösungen.

Beispiele für Fernerkundungs-Instrumente sind: Airborne Visible InfraRed Imaging Spectrometer (AVIRIS) (flugzeuggetragendes System), Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER) (Instrument auf Terra), Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR) auf den NOAA-Satelliten, Thematic Mapper der Landsat-Satelliten, SCIAMACHY auf Envisat

Einsatzgebiete

Entsprechend der Vielfalt des Lebensraums Erde, ist auch das Einsatzgebiet der modernen Fernerkundung sehr weit gefächert. Durch die einzigartige Möglichkeit auch grosse Gebiete in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erfassen, wird die Fernerkundung in sehr vielen Disziplinen eingesetzt.

Geowissenschaften, Geographie, Kartographie und Geodäsie
- Höhenrelief und Wasserwege
- Geologie (Gesteinstypen, Lagerstätten)
- Landbedeckung, Landnutzung und Landmanagement
- Urbanisierung (Ausbreitung der Städte)
- Forstwirtschaft (Inventarisierungen, Holzpotentialabschätzungen, Waldschadenskartierung, Wegebauplanungen etc.)
- Landwirtschaft (Erntevorhersagen, Anbauflächen, Überprüfung von subventionierten Brachflächen, precision farming etc.)
- Vegetationsphänologie (Aspektfolge)
Katastrophenschutz
- Waldbrände (Ausmaß der Zerstörung)
- Vulkanausbrüche (Vorhersage und Überwachung)
- Erdbeben (Höhenänderung)
- Dürremonitoring
- Umweltverschmutzung (Öleinleitung auf den Weltmeeren)
Klimatologie und Meteorologie
- Wettervorhersage
- Klimaüberwachung
Atmosphärenphysik und -chemie
- Spurengase, Wolken, Aerosole
- Temperatur, Luftdruck
- Strahlungshaushalt, Strahlungsbudget
- Überwachung von Emissionen, z.B. Kohlendioxid
Archäologie
- Archäologische Flugprospektion
- Kartierung von Ausgrabungen
Rüstungskontrolle
- Verifikation von Abrüstungsvereinbarungen

Einteilung und Untergliederung

Einteilung nach Anwendungsbereich

Fernerkundungsdaten kommen in vielen geowissenschaftlichen Disziplinen zur Anwendung. Entsprechen wird die Fernerkundung weiter unterteilt.

Untergliederung der Fernerkundung nach Anwendungsbereich

Bodenkundliche Fernerkundung
Landwirtschaftliche Fernerkundung
Botanisch/vegetationskundliche Fernerkundung
Forstwirtschaftliche Fernerkundung
Geologische Fernerkundung/Photogeologie
Hydrologische Fernerkundung
Ozeanographische Fernerkundung
Limnologische Fernerkundung
Urbane Fernerkundung/Stadtfernerkundung
Umweltfernerkundung (fernerkundliches Umweltmonitoring)
Klimatologisch/meteorologische Fernerkundung
Atmosphärische Fernerkundung
Archäologische Fernerkundung/Luftbildarchäologie
Geodätische Fernerkundung/Satellitengeodäsie
Photogrammetrie

Einteilung nach Messverfahren

Fernerkundungsdaten werden in den verschiedensten Wellenlängenbereichen und mit unterschiedlichen Messmethoden erhoben. Entsprechend lässt sich die Fernerkundung weiter untergliedern.

Untergliederung der Fernerkundung nach Messverfahren

Optische Fernerkundung
Multispektrale Fernerkundung
Hyperspektrale Fernerkundung
Thermalbildinterpretation
Passive Mikrowellenfernerkundung
Aktive Mikrowellenfernerkundung (Radar)
Laseraltimetrie
Interferometrie (Radarinterferometrie)
Luftbildphotografie/Luftbildinterpretation
Photogrammetrie und Luftbildmessung

Einteilung nach Auswerteverfahren

Zur Bereitstellung flächendifferenzierte Geodaten werden Fernerkundungsdaten mit unterschiedlichen Auswerteverfahren weiterverarbeitet. Je nach gewähltem Auswerteverfahren kann die Fernerkundung weiter untergliedert werden.

Untergliederung der Fernerkundung nach Auswerteverfahren

Fernerkundliche Klassifizierung und Segmentierung
Fernerkundliche Zeitreihenanalyse
Empirisch-statistische (chemometrische) Analyse von Fernerkundungsdaten
Fernerkundliche Strahlungstransfermodellierung
Fernerkundliche Modellinversion (Inversion von Strahlungstransfermodellen)
Assimilation von Fernerkundungsdaten in prozessorientierte (dynamische) Modelle
Fernerkundliche Entmischungsverfahren
Fernerkundliche Veränderungsdetektion (engl. Change detection)
Bildspektroskopie
Luftbildinterpretation und visuelle Interpretation von Fernerkundungsdaten
Luftbildmessung und photogrammetrische Verfahren (Stereophotogrammetrie)

Methoden der Fernerkundung

In der Analyse von analogen und digitalen Fernerkundungsdaten kommen eine Vielzahl von Methoden und Verfahren zur Anwendung, die nachfolgend stichwortartig aufgeführt sind. Hinzu kommen geowissenschaftliche Arbeitsschritte, die mit der Erfassung von Referenzmessungen im Gelände zusammen hängen (nicht aufgeführt). Aus der Aufzählung wird deutlich in welch starkem Maße die Fernerkundung eine methodische Wissenschaft ist.

Methoden der digitalen Bildverarbeitung
- Datenaufbereitung für visuelle Interpretationen (u.a., Kontrastspreizung, Farbsättigung)
- Transformationen des Farbraumes
- Merkmalsextraktion und Mustererkennung
- Überwachte und unüberwachte Klassifizierungs- und Segmentierungsverfahren (u.a., Clusterverfahren, Maximum Likelihood Classifier, Support Vector Machine, Kohonennetze)
- Geometrische Korrekturen, geometrische Rektifizierung und Entzerrung
- Radiometrische und atmosphärische Korrekturen
- Filterverfahren im Orts- und Frequenzbereich (u.a., Fourieranalyse)
- Texturanalyse
Statistische und Chemometrische Verfahren
- Regressionsanalyse
- multiple und schrittweise multiple Regression
- Partial Least Square Regression
- Hauptkomponentenregression (engl. ''Principal Component Regression)
- Diskriminanzanalyse
- Experimentelles Design (engl. design of experiments)
Geostatistische Verfahren
- Interpolationsverfahren (u.a., kriging und co-kriging)
Verfahren der Zeitreihenanalyse und Signalprozessierung
- Trendanalyse
- Veränderungsdetektion/change detection
- Verfahren zur Filterung von Zeitreihen (u.a., maximum value compositing und Savitzky-Golay Filterss, Spline)
Lernende Verfahren und Verfahren der Künstlichen Intelligenz
Strahlungstransfermodellierung und Mathematische Modellierung
- Entwicklung von physikalisch basierten Strahlungstransfermodellen
- Inversion von Strahlungstransfermodellen
- Spektrale Entmischungsverfahren (engl. spectral unmixing)
- Sensitivitätsanalyse
- Computersimulation
Assimilationsverfahren
- Kalman Filter
- Rekalibrierungs- und Reinitialisierungsverfahren von dynamischen Prozessmodellen
Verfahren der Geoinformatik
- GIS Analysen (u.a., Verschneidungen, Buffering, Topologieanalysen)
- Morphologische Bildverarbeitung
- Data-Mining
Labor- und Geländespektroskopie
- Spektroskopische Messungen
Verfahren der visuellen Bildinterpretation
- Bildansprache
- Texturansprache
- Bildinterpretation
- Stereobildinterpretation
Photogrammetrische Verfahren
- Bildmessung
- Stereophotogrammetrie

Siehe auch

Wikiprojekt Fernerkundung,
Differentielle optische Absorptionsspektroskopie, Radio-Okkultation, Radar-Interferometrie, Liste der Erdbeobachtungssatelliten, Erdbeobachtungssatellit
Geographie, Geowissenschaften, Geodäsie, Kartographie, Photogrammetrie,Luftbildfotografie, Satellitenmeteorologie, Luftbildarchäologie

Literatur

Albertz, J. (2001²): Einführung in die Fernerkundung. Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern, Darmstadt, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, ISBN 3534146247.
Alparslan Akça, Jürgen Huss et al.: Luftbildmessung und Fernerkundung in der Forstwirtschaft. Wichmann, Karlsruhe 1984, ISBN 3-87907-131-4
Löffler, E., U. Honecker & E. Stabel (2005³): Geographie und Fernerkundung. Eine Einführung in die geographische Interpretation von Luftbildern und modernen Fernerkundungsdaten, Berlin, Borntraeger, ISBN 3443071406.