Digitale Verarbeitung von Fernerkundungsdaten

• Fernerkundungsverfahren

• Digitale Fernerkundungs(FE)-Daten

• Erfassung von FE-Daten

• Verarbeitung von FE-Daten, Digitale Bildverarbeitung

Fernerkundung (FE) = alle Verfahren, die Informationen über physikalische Eigenschaften und Veränderungen eines bestimmten Objektes von entfernt liegenden Beobachtungsorten mit Instrumenten erfassen, die in keinem physikalischen Kontakt mit dem Objekt selbst stehen.

Fernerkundungsverfahren

• Digitale Verfahren (z.B. Satelliten-Scannererfassung)

• Nicht-digitale Verfahren (z.B. fotografische Aufnahme analoger Luftbilder).

• Passive Verfahren (Scanner): empfangen lediglich Daten zu reflektierter und emittierter Strahlung.

• Aktive Verfahren (z.B. Radar): senden Strahlung und empfangen Daten zu emittierter und reflektierte Strahlung

Ermittelt werden emittierte und reflektierteelektromagnetische Strahlung von Objekten in gewissen Frequenzbereichen (sichtbares Licht, nicht sichtbare

Strahlung).

Anwendung der Fernerkundung:

Nutzung von Satelliten und Flugzeugen zur Fernerkundung z.B. für:

militärische Aufklärung Umweltmonitoring Wettervorhersage Abschätzung von Ernteerträgen

Digitale Fernerkundungs(FE)-Daten

Erfassung digitaler FE-Daten mit Satelliten, Flugzeugen oder Hubschraubern.

Verarbeitung digitaler FE-Daten mit Methoden der Digitalen Bildverarbeitung.

Fernerkundungsdaten = Rasterdaten, die von den Sensoren gemessenen Strahlungs-intensitäten werden als Grauwerte erfasst.

layer-bezogen pixel-bezogen

Landsat-Satellit Radar-Satellit

Lage der SatellitenszenenSatellitenumlaufbahn

Satelliten umrunden die Erde auf unterschiedlichen Umlaufbahnenmit unterschiedlichen Umlaufzeiten

Vorteile der digitalen Fernerkundung:

• flächendeckende Daten für großräumige Ausschnitte der Erdoberfläche

• aktuelle und zum gleichen Erfassungszeitpunkt erhobene Daten

• multispektral erfasste Daten (gleichzeitig mehre Daten pro Pixel für mehrere Frequenzbereiche der Strahlung)

• digitale Speicherung, Verarbeitung und Visualisierung der Daten

• relativ preisgünstige Erfassungsmethode

Nachteile der digitalen Fernerkundung:

• Räumliche Auflösung (Größe des Bodenelementes) für großmaßstäbige Fragestellungen nicht immer ausreichend.

• passive Erfassungssysteme stark wetter-abhängig

• Technik und Auswertungsmethoden sind relativ kompliziert.

Erfassung von FE-DatenErfassung von spektralen Charakteristika von Objekten.

Ansatzpunkt für die digitale FE: Objekte an der Erdoberfläche (Pflanzen, Häuser,

Wasserflächen etc.) reflektieren bzw. emittieren in Abhängigkeit von ihrem Zustand die elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge mit unterschiedlicher Intensität

Elektromagnetische Strahlung:

Von der Sonne zugestrahlte Energie im Wellenlängenbereich zwischen 0,1 m und 10 m (1 m = 10- 3 mm: Mikrometer); = kurzwellige Einstrahlung (UV, sichtbares Licht, nahes und mittleres Infrarot).

Kurzwellige Strahlung wird von Objekten der Erdober-fläche teilweise reflektiert, teilweise absorbiert.

Absorbierte Strahlung erwärmt die Objekte auf der Erdoberfläche; => langwellige Wärme-Strahlung (thermales und fernes Infrarot) wird zurück in die Atmosphäre gesandt.

Verfahren:

1) Strahlungsverhalten von Objekten wird am Erdboden mit Hilfe von Strahlungsmessgeräten ermittelt => spektrale Fingerabdrücke (Signaturkurven), um Objekte und ihre zeitlichen Zustandsänderungen zu identifizieren.

2) Analyse der FE-Daten anhand der Signaturkurven

Strahlung wird in sog. spektralen Fenstern gemessen = spektrale Intervalle, in denen aufgrund hoher Transmissivität (Durchlässigkeit) der Atmosphäre die Strahlungsintensitäten genau erfaßt werden können

– Ultraviolette Strahlung (0,2 - 0,4 m)– Bereich des sichtbaren Lichtes (0,4 - 0,7 m: Blau, Grün, Rot) – Nahes Infrarot (0,7 - 1,0 m) – einige Intervalle im mittleren IR (1,0 - 3,0 m) – einige Intervalle im thermalen IR (3,0 - 15 m

Der Frequenzbereich, für den ein Strahlungssensor die elektromagnetische Strahlung registrieren kann, = Kanal

Wird für ein Pixel an der Erdoberfläche die Strahlung gleichzeitig in mehreren Kanälen registriert => Multispektraldaten

Beispiel: METEOSAT-Satellit mit 2 Kanälen

LANDSAT-Satellit (TM) mit 7 Kanälen

Verarbeitung von FE-DatenDigitale Bildverarbeitung

Analyse von FE-Daten mittles spezieller DV-gestützter Bildverarbeitungssysteme (z.B. ERDAS Imagine, Envi, Idrisi),

Anwendung von Verfahren der digitalen Bildverarbeitung mit Datenkompression, Bildverbesserung, Filterung, Klassifikation und Mustererkennung.

Bearbeitungsprozess:

• Korrektur systematischer Verzerrungen die durch Flugbahn entstehen

• Bildverbesserung durch Verstärkungen bzw. Abschwächungen der Helligkeit und des Kontrastes einzelner Kanäle oder vollständiger Bilder; z.B. Verstärkung von Kanten von Geoobjekten durch Filter-Operationen.

• Georeferenzierung

• Klassifikation, Extraktion der gewünschten Fachinformationen aus den Strahlungsdaten anhand von Signaturkurven und statistischen Verfahren (z.B. maximum likelihood, minimum distance).

• Statistische Analyse der Resultate: Auswertung der klassifizierten FE-Szene mittels statistische Verfahren. Zum Beispiel Flächen-bilanzierung = Flächenanteile der aktuellen Landnutzung [ha, %] in einer Region

• Verknüpfung mit anderen Geoinformationen: FE-Daten oft Eingangsdaten für weitergehende Analysen oder Modellierungen. Die Verknüpfung mit anderen (vektorbasierten) raumbezogenen Informationen am einfachsten in einem hybriden GIS.

• Visualisierung von FE-Daten Zuweisung der Grundfarben Blau, Grün und Rot zu (i.d.R.) 3 Kanälen, wobei der Grauwert die Helligkeit bestimmt. => Falschfarben-bzw. Echtfarben-Komposit

Zusammenfassung

Ebenen der Modellierung

Geoobjekte und ihre Modellierung II

• Ebenen der Modellierung

• Konzeptionelle Modellierung– Entity-Relationship (ER)-Konzept

– Layer-Konzept

– objektorientiertes Konzept

• Vektor- und Raster-Modell, Hybrides Modell

ER-Diagramm als konzeptionelles Modell einer Wetterstation

Verwaltung von DatenDatenbanken

• Datei, Datenbank, Datenbankmanagementsystem

• Datenmodelle (DM)– Hierarchisches DM– Netzwerk DM– Relationales DM– Objektorintiertes DM

Digitale Geodaten

• Messung und digitale Erfassung von Geodaten

• Metadaten für Geodaten

• Qualität von Geodaten

• Standardisierung von Geodaten

• Geobasisdaten: ATKIS, ALKIS (ALK)

Analyse von Geodaten

• Koordinatentransformationen

• Analysen mit vektorbasierten Geoobjekten

• Analysen mit rasterbasierten Geoobjekten

• Georeferenzierung von rasterbasierten Geoobjekten

• Modellierung von Werteoberflächen: Räumliche Interpolation

Verwendung: Optimierungsprobleme im Raum Lokations-Allokations-Analysen,

. Georeferenzierung