Fernerkundung

Manuelle Fernerkundung mit Luftbildern von Hamburg (1943)

Die Fernerkundung (englisch: Remote Sensing) ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder anderer nicht direkt zugänglicher Objekte durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-)Felder. Als Informationsträger dient dabei die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung. [DIN 18716/3]

Im Gegensatz zu anderen Erfassungsmethoden, die den direkten Zugang zum Objekt erfordern, versteht man unter Fernerkundung die berührungsfreie Erkundung der Erdoberfläche einschließlich der Erdatmosphäre. Eine berührungsfreie Beobachtung wird zum Beispiel durch flugzeuggetragene oder satellitengetragene Sensoren ermöglicht (d.h. Fernerkundungssensoren wie Kameras und Scanner). Vereinzelt kommen aber auch Drohnen und Ballons als Plattform zum Einsatz. Der Fernerkundung zugeordnet sind Photogrammetrie und Satellitengeodäsie. Dagegen sind Planetologie und Astronomie nicht der Fernerkundung zugeordnet, obwohl auch hier Fernerkundungssensoren zum Einsatz kommen.

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 (zum Beispiel Multispektralkamera) sowie die von der Erdoberfläche emittierte Eigenstrahlung (zum Beispiel Wärmebildkamera). Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflektierte Anteile (zum Beispiel Radarsysteme und Laseraltimeter).

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.

Geschichte

Historische Luftbildkamera (ca. 1950)

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 Fesselballone mit menschlichen Beobachtern und Zeichenblock, später Flugzeuge mit Luftbildkameras. Die Luftbildfotografie konnte 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 aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können.

Die gebräuchlichsten Sensortypen sind:

• Multispektralkamera
• Thermalbildkameras
• Radarsysteme
• Hyperspektralsensoren
• Mikrowellenradiometer
• Laseraltimeter
• Interferometer
• Luftbildkamera

Fernerkundungssatelliten (Auswahl)

Es befinden sich eine Vielzahl von Satelliten in der Erdumlaufbahn. Je nach Aufgabengebiet werden diese auch in Umweltsatelliten und Wettersatelliten unterteilt; die Übergänge zwischen beiden Kategorien sind jedoch fließend.

Die wichtigsten staatlichen und kommerziellen Erdbeobachtungssatelliten sind

• (halb)staatlich
  • Envisat, (ESA, Europa)
  • European Remote Sensing Satellite 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)
  • TanDEM-X, (DLR, Deutschland)

• kommerziell
  • HyMap, (HyVista Corporation, Australien)
  • IKONOS, (GeoEye Inc., USA)
  • Quickbird, (Digital Globe, USA)
  • Orbview, (Orb Image Inc., USA)
  • RapidEye, (RapidEye AG, Deutschland)

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) (flugzeuggetragenes 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, Carnegie Airborne Observatory (flugzeuggetragenes System)

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, Kartografie 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, Meteorologie und Ozeanographie
  • Wettervorhersage
  • Klimaüberwachung
  • Seegangsmessung (Oberflächenwellen, Strömung)
• 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
• Menschenrechte
  • Vorher-Nachher-Vergleich großflächiger Zerstörungen

Einteilung und Untergliederung

nach Anwendungsbereich

Fernerkundungsdaten kommen in vielen geowissenschaftlichen Disziplinen zur Anwendung. Entsprechend 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

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

nach Auswerteverfahren

Zur Bereitstellung flächendifferenzierter 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

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 zusammenhängen (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 Signalverarbeitung
  • Trendanalyse
  • Veränderungsdetektion/change detection
  • Verfahren zur Filterung von Zeitreihen (u. a., maximum value compositing und Savitzky-Golay Filter, Splines)

• Lernende Verfahren und Verfahren der Künstlichen Intelligenz
  • Künstliche neuronale Netze
  • Genetische Algorithmen
  • Optimierungsverfahren

• 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

Didaktik

In jüngerer Zeit wird vermehrt versucht die Fernerkundung in den Schulunterricht zu integrieren. Dabei kann es sich um die Einbindung von Fernerkundungsdaten, wie photographische, digitale oder mikrowellengestützte Luft- und Satellitenbilder, oder von Fernerkundungsmethoden, wie Resampling, Klassifikation von Landoberflächen und Zeitreihenanalysen, als didaktische Hilfsmittel handeln.

Siehe auch

• Differenzielle optische Absorptionsspektroskopie, Radio-Okkultation, Radar-Interferometrie
• Geodäsie, Kartografie, Satellitenmeteorologie, Luftbildarchäologie
• Sensorik, Messtechnik, Spektroskopie, Werkstoffprüfung
• Geodaten, Geo- und Landinformationssysteme, Raumplanung, Vermessung
• Messbildkamera, Farbkanal, Erderkundungsfunkdienst über Satelliten
• TerraSAR-X und andere Raumsonden
• Deutsche Gesellschaft für Photogrammetrie, Fernerkundung und Geoinformation (DGPF)

Literatur

• Albertz, J. (2001²): Einführung in die Fernerkundung. Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern, Darmstadt, Wissenschaftliche Buchgesellschaft, ISBN 3-534-14624-7.
• Jörg Bofinger: Flugzeug, Laser, Sonde, Spaten. Fernerkundung und archäologische Feldforschung am Beispiel der frühkeltischen Fürstensitze. Regierungspräsidium Stuttgart, Landesamt für Denkmalpflege, Esslingen a. N. 2007 (deutsch, englisch, http://www.denkmalpflege-bw.de/fileadmin/media/publikationen_und_service/onlinepublikationen/Flugzeug_Laser_Sonde_Spaten_Bofinger.pdf, abgerufen am 13. Dezember 2010).
• Löffler, E., U. Honecker & E. Stabel (2005³): Geographie und Fernerkundung. Eine Einführung in die geographische Interpretation von Luftbildern und modernen Fernerkundungsdaten, Berlin, Borntraeger, ISBN 3-443-07140-6.
• Bruce A.Campbell: Radar remote sensing of planetary surfaces Cambridge Univ. Press, Cambridge 2002, ISBN 0-521-58308-X
• Floyd F. Sabins: Remote sensing - principles and interpretation. Freeman, New York 2000, ISBN 0-7167-2442-1
• David L. Verbyla: Satellite remote sensing of natural resources. Lewis Publ., Boca Raton 1995, ISBN 1-56670-107-4.
• Sarah H. Parcak: Satellite remote sensing for archaeology. Routledge, London 2009, ISBN 978-0-415-44877-2.
• Alexander D. Kowal, Lew Dessinow: In den Weltraum zum Nutzen der Menschheit, Verlag Progress Moskau, Staatsverlag der DDR Berlin, 1987, ISBN 3329005157, ISBN 9783329005154
• Claudia Kuenzer, Stefan Dech: Thermal Infrared Remote Sensing, Volume 17, Springer Science + Business Media Dordrecht, ISBN 978-94-007-6638-9

Weblinks

 Commons: Fernerkundung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Einführung in die digitale Fernerkundungsmethodik in den Geowissenschaften (Uni Münster)
• GISWiki - Webseiten zur Fernerkundung
• Ausführliches "Lexikon der Fernerkundung" von Kurt Baldenhofer