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10.12.2010 Beobachtung der Biosphärendynamik

Globale Ökologie

Wintersemester 2010/2011

Tobias Kuemmerle

Beobachtung derBiosphärendynamik

Heute...

Beobachtungen der Biosphäre und ihrer Dynamik• Beobachtungen des aktuellen Zustandes mit

Fernerkundung– Aus dem Weltraum– Aus der Luft

Fernerkundung

• Beobachtung eines Objekts (spektral, räumlich, zeitlich), Gebiets, Naturerscheinung ohne direkten Kontakt– Sehen, Fotografie, Luftbilder, Satellitenbilder

• Basiert auf der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischerStrahlung und Materie– Reflektion, Absorption, Transmission

Elektromagnetische Strahlung (EMS)

• Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0°K) sendet EMS aus (Stefan-Boltzmann-Gesetz)

• EMS: UV Strahlung, sichtbares Licht, Radio, Radar

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Spektrum.png

• Die Wellenlänge der größten Strahlungsleistung ist abhängig von der Temperatur (Wiensches Verschiebungsgesetz)

Erde Sonne

http://www.geographie.uni-muenchen.de/iggf/Multimedia/Klimatologie/kl_Hauptseite.htm

• Wichtigste Quelle von EMS auf der Erde ist die Sonne

http://landsat7.usgs.gov/resources/remote_sensing/images/Solar_Radiation_effects.jpg

• Streuung der Strahlung in Abhängigkeit der Aerosolverteilung(Rayleigh-Streuung, Mie-Streuung)

• Absorption von langwelligerStrahlung an Gasmolekülen(Treibhauseffekt)

• Aufwendige Aufbereitung von Satellitendaten vor der Nutzungnotwendig (Atmosphärenkorrektur, geometrische Korrektur)

Elektromagnetische Strahlung – Einfluss der Atmosphäre

http://www.geographie.uni-muenchen.de/iggf/Multimedia/Klimatologie/kl_Hauptseite.htm

Spektrale Signaturen

• Enstehen durch unterschiedliche Reflexion, Absorption und Transmission

http://www.icimod-gis.net/web/training_CD/MENRISCD/BasicsGEO/Theory/Ch04/graphics/F4_4a.gif

Vegetationsspektrum

Greenpeak

Rededge

Wasserabsorptions-

banden

Vegetationsindizes

• Zur Klassifizierung der beobachteten Objektekönnen verschiedene Indizesaus den Reflektionsspektrenberechnet werden (z.B. Vegetationsindex NDVI –normalized difference vegetation index)

• Typisch sind Verhältnis-größen aus Reflektion imNIR und dem roten Bereichdes sichtbaren Lichts

• Unempfindlicher gegenüberäußeren Strahlungs-bedingungen)

NDVI FPARGrüne Vegetation 0.8 0.95

Vegetationsfreier Boden 0.1-0.2 0

RotNIRRotNIRNDVI

http://earthobservatory.nasa.gov/GlobalMaps/view.php?d1=MOD13A2_M_NDVI#

Jahresgang

Ableitung von Vegetationsparametern

• Zeitlicher Verlauf von Vegetationsindizes gibt Aufschlussüber viele Parameter, z.B.

– Beginn, Ende und Dauer der Vegetationsperiode

– NPP (net primary production)

– Landnutzung

• NDVI korreliert mit verschiedenen Vegetationsparametern

– PAR (photosynthetically active radiation)

– FPAR (fraction of PAR absorbed by green canopy)• FPAR=a*NDVI+b

– APAR (absorbed photosynthetically active radiation)

– LAI (leaf area index)

– ...

Jährliche NPP (1997)(g C m-2)

Fernerkundungssysteme zur Erdbeobachtung

• Wellenlängenbereich: sichtbares Licht, IR, thermisches IR, Mikrowellen– Aufnahme meist in mehreren Frequenzbereichen

(Kanäle, Bänder)

• Strahlungsquelle: Passive (Detektion reflektierterund emittierter Strahlung) und aktive Systeme (miteigener Strahlungsquelle, z.B. Antennen, Laser)

• Plattform: Flugzeug, Satellit

Fernerkundungssysteme zur Erdbeobachtung

• räumliche Auflösung: Größe der kleinstenunterscheidbaren Objekte

• zeitliche Auflösung: Zeit zwischen Aufnahmendes selben Gebietes

• spektrale Auflösung: Fähigkeit feinsteStrahlungsunterschiede zu erkennen

• radiometrische Auflösung: Detailgrad derAufzeichnung (Anzahl der Grauwerte, z.B. 8bit = 256 Grauwerte)

AVHRR 1kmLandsat ETM+ 15 mSPOT 2,5 mIKONOS 1 mKeyhole 5 cm (geschätzt)

Erdbeobachtung in verschiedenen Spektralbereichen

Solare Strahlung vonder Erdoberflächereflektiert

Strahlung vonder Erdoberflächeemittiert

Spektrale und räumlicheAuflösung

Röder 2006

Geostationäre Sateliten

• Schwerpunkt: Wetterbeobachtung

• Beispiel: METEOSAT

Polar orbitting satellites

• POES (polar orbitting environmental satellite)

• tägliche Erfassung der gesamten Erdoberfläche• lange Datenreihe verfügbar (1981-2005)• mittlere geometrische Auflösung (1-8 km)

http://goespoes.gsfc.nasa.gov/poes/project/index.html

Beispiel: NOAA AVHRR

• Landnutzungs-änderungen

• Degradations-erscheinungen

NOAA AVHRR

Verlängerung der Vegetationsperiode nördlich von 45 ºN

Tagesnummer

4 Tage späterim Herbst

6 Tage früherim Frühling

Quelle: R. Myneni, Boston University

1993/941991/921989/901987/881985/861983/841981/82 September

Greening of the North

Quelle: R. Myneni, Boston University

MODIS (Terra/Aqua)

Orbit: 705 km, 10:30 a.m. descending node (Terra), sun-synchronous, near-polar, circularScan Rate: 20.3 rpm, cross trackSwath Dimensions: 2330 km (cross track) by 10 km (along track at nadir)Size: 1.0 x 1.6 x 1.0 mWeight: 228.7 kgPower: 162.5 W (single orbit average)Spatial Resolution: 250 m (bands 1-2), 500 m (bands 3-7), 1000 m (bands 8-36)Design Life: 6 yearsRevisiting time: 1 day

http://www.envi.com.br/sensor/satelites/terra/modis/imagens/modis.jpg

http://www.space.gc.ca/asc/img/apogee_0205_mopitt-EOSAM1.jpg

MOD01 Level-1A Radiance CountsMOD02 Level-1B Calibrated Relocated Radiances

-also Level 1B 5kmX5km productMOD03 Relocation Data SetMOD04 Aerosol ProductMOD05 Total Precipitable WaterMOD06 Cloud ProductMOD07 Atmospheric profilesMOD08 Gridded Atmospheric Product (Level-3)MOD09 Atmospherically-corrected Surface

ReflectanceMOD10 Snow CoverMOD11 Land Surface Temperature & EmissivityMOD12 Land Cover/Land Cover ChangeMOD13 Vegetation IndicesMOD14 Thermal Anomalies, Fires & Biomass BurningMOD15 Leaf Area Index & FPARMOD16 Surface Resistance & EvapotranspirationMOD17 Vegetation Production, Net Primary

ProductivityMOD18 Normalized Water-leaving RadianceMOD19 Pigment ConcentrationMOD20 Chlorophyll Fluorescence

MOD21 Chlorophyll_a Pigment Concentration

MOD22 Photosynthetically Active Radiation (PAR)

MOD23 Suspended-Solids Conc, Ocean Water

MOD24 Organic Matter ConcentrationMOD25 Coccolith ConcentrationMOD26 Ocean Water Attenuation

CoefficientMOD27 Ocean Primary ProductivityMOD28 Sea Surface TemperatureMOD29 Sea Ice CoverMOD31 Phycoerythrin ConcentrationMOD32 Processing Framework & Match-up

DatabaseMOD35 Cloud MaskMOD36 Total Absorption CoefficientMOD37 Ocean Aerosol PropertiesMOD39 Clear Water EpsilonMOD43 Albedo 16-day L3MOD44 Vegetation Cover ConversionMODISALB Snow and Sea Ice Albedo

MODIS Datenprodukte

http://edcdaac.usgs.gov/modis/dataproducts.asp

Beispiele für MODIS-Datenprodukte:Windmuster

http://stratus.ssec.wisc.edu/projects/polarwinds/polarwinds.html

http://cimss.ssec.wisc.edu/goes/misc/020416/020416_MODIS_CH31_ETA_SFC_WIND_LARGE.GIF

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Wasserdampf, Wolken

http://veimages.gsfc.nasa.gov//2181/modis_cotc_200104.jpg

Source: DeFries et al. 2004

Beispiele für MODIS-Datenprodukte:Vegetationsbedeckung [%]

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Chlorophyll und SST

http://www.eeb.ucla.edu/test/faculty/nezlin/PrimaryProduction.htm

Beispiele für MODIS-Datenprodukte:Albedo

http://veimages.gsfc.nasa.gov//3411/modis_albedo_lrg.jpg

10.12.2010 Beobachtung der BiosphärendynamikLST Winter Diff 2000-2001

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Schnee, Feuer, LST

http://veimages.gsfc.nasa.gov//1600/modis_maxsnow.gif

http://veimages.gsfc.nasa.gov//2720/Russia_2002135.jpg

http://veimages.gsfc.nasa.gov//2571/MODIS_LST.jpg

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: LAI, FPAR

http://veimages.gsfc.nasa.gov//2386/AFRICA_LAI_FPAR_DEC2000.jpg

Beispiele für MODIS-Datenprodukte: Land Cover

http://earthobservatory.nasa.gov/Newsroom/LCC

● Entwaldung in den Tropen 2000-2005 (Hansen et al. 2008)

Beispiel für MODIS-basierte Analyse:Land Cover Change

• Maße: 26m x 10m x 5m (mitausgefahrenem Solarpanel)

• Gesamtgewicht: 8140 Kg

• Nutzlast: 2050 Kg

• Leistung: 6.5 kW

• Trägerrakete: Ariane 5

• Orbit : 800 km

• Instrumente: 10

ENVISAT

Start: 1.3.2002

http://esamultimedia.esa.int/images/envisat148.jpg

http://www-imk.fzk.de/asf/ame/arianeD503.jpg

ENVISAT● Instrument: MERIS(ähnlich MODIS)

http://www.sflorg.com/earthnews/images/imen110706_01_03.jpg

ENVISAT

● Kombination von optischen und RADAR Instrumenten

http://farm4.static.flickr.com/3305/4622687873_ca10d4bac5_z.jpg

http://www.physorg.com/news/2010-10-home-envisat.html

Jakobshavn Glacier, Greenland

ENVISAT

http://farm4.static.flickr.com/3305/4622687873_ca10d4bac5_z.jpg

ENVISAT - GLOBCOVER

● Momentan detaillierteste globale Landbedeckungskarte(300m) auf der Basis von ENVISAT (MERIS+RADAR) Bildern

http://www.esa.int/esaEO/SEMGSY2IU7E_index_1.html

10.12.2010 Beobachtung der BiosphärendynamikSource: Ramankutty et al. 2006

Globale Landbedeckungskarten

Landsat• Operationeller Einsatz seit 1972• Landsat 7 seit 1999 im Einsatz• hohe räumliche Auflösung von

bis zu 15m*15m (z.B. Landnutzungskartierung, Desertifikationsmonitoring)

• zeitliche Auflösung 16 Tage• Seit 2009 größtenteils frei

verfügbar!• Footprint ‘nur’ 180x180km²

http://landsat7.usgs.gov

Greenhouse development in Almeria, Spain

Landsat - Beispiel

Aral Sea, Central Asia

1973: The surface of the sea once measured 66 100 km2

1987: 60% of the volume had been lost

1999-2004: The sea is now quarter of the size it was 50 years ago

Landsat - Beispiel

Impact of logging in British Columbia Canada 1975-1999

All examples from the UNEP 2005 atlas are based on Landsat images

Source: UNEP 2006

Landsat - Beispiel

Body text 1973: Mostly agriculture in

Brazil, whereas Paraguay and Argentina are forest-dominated

First signs of deforestation in Paraguay

2000: forests have disappeared in Brazil and Paraguay but remained protected inside the Argentine National Park

Iguazu National Park

Source: UNEP 2005

Landsat - Beispiel

Automatisierung von Prozessierschritten und der nun freie Zugang zu Daten ermöglichen die Rekonstruktion von Landoberfächen-dynamik in hoher räumlicher Auflösung für große Gebiete

Landsat – mass processing

http://globalmonitoring.sdstate.edu/people.php?view=8&a=show&id=22

Hyperspektrale Fernerkundung

● Aufzeichnung der reflektierten Strahlung im sichtbaren bis infraroten Bereichin vielen schmalen Spektralkanälen

● flugzeuggestützte Sensoren:AVIRIS, CASI, HYMAP, DAIS 7915, GERIS, MIVIS

● satellitenbasierte Sensoren (noch experimentell):Hyperion (EO-1), CHRIS (PROBA), ENMAP (geplant), …

http://www-eosdis.ornl.gov/BOREAS/bhs/Pictures/General/ER-2.jpg

http://www.ltid.inpe.br/html/pub/docs/html/AVhalf.gif

Hyperspektrale FernerkundungAnwendungen

● Einsatzgebiete: Geologie (Mineralvorkommen), precision farming, Gewässerqualität, ...

Hyperspektrale FernerkundungAnwendungen

● Einsatzgebiete: Geologie (Mineralvorkommen), precision farming, Gewässerqualität, ...

http://www.pc.ruhr-uni-bochum.de/deutsch/praktikum/F16/LasermikroskopieWebseite/Leere%20Seite%202-Dateien/image068.gif

AVIRIS

Sensor SpektralesIntervall (nm)

Anzahl derKanäle

Kanalbreite(nm)

AVIRIS 400-2500 224 10.0CASI 400-1000 228

(bis zu 19selektierbar)

DAIS 7915 498-10101500-18001970-24503000-50008700-12300

3283216

16.0100.015.02000.0600.0

HYMAP 400-2500 128 15-20MIVIS 400-800

1100-15001900-25008200-12700

2086410

20.050.09.0350.0-450.0

Hyperspektrale FernerkundungSensoren

http://tncweeds.ucdavis.edu/products/sensing/images/aviris-data.gif

LIDAR (Light detection and ranging)

http://firecenter.umt.edu/files/images/Lidar-Agus.JPG

• Aktives system

• Sendet Laserpulse und unterscheidet zwischenzeitlich verstztem Echo

• Kann 3D-Strukturen abzubilden

LIDAR (Light detection and ranging)

http://nature.berkeley.edu/biometlab/images/Lidar%20sample%20Tonzi.jpg

LIDAR+ optische Sensoren• Kombination von

Sensoren bietet neue Möglich-keiten für die Erdbeobachtung

• Bisher nur flugzeuggestüzt

• Geplant: DESDynI

Asner et al 2010, PNAS

Lefsky 2010

LIDAR (GLAS) + MODIS

Erste globale Karte der Vegetationshöhe!

10.12.2010 Beobachtung der BiosphärendynamikSource: NASA Visible Earth

DMSP Nighttime lights

Zusammenfassung• Fernerkundliche Systeme zeichnen

elektromagentische Strahlung auf• Vielzahl von Satelliten und Sensoren

•Verschiedene Sensoren sensitiv für verschiedene Wellenlängenbereich

•Unterschiede in spektraler, räumlicher + zeitlicher Auflösung

•Unterscheidung in aktive und passive Systeme

• Einige Systeme mit relativ langen Datenreihen Erdbeobachtungsarchive

Zusammenfassung• Informationen über

•den Zustand der Biosphäre (z.B., NPP)•Dynamik der Biosphäre (z.B., Jahresgang)•Veränderungen der Biosphäre (z.B., Entwaldung)

• Kombination von Sensoren birgt neue Möglichkeiten für die Erdbeobachtung

• Verknüpfung von Fernerkundung beim nächsten Mal!

10.12.2010 Beobachtung der Biosphärendynamikhttp://www.atmos.ucla.edu/~jrosko/whole_earth.htm

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Tobias Kuemmerlekuemmerle@pik-potsdam.de

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