¶ Fernerkundung
Bei der Fernerkundung wird berührungslos die Erdoberfläche durch Auswertung der von dieser Fläche ausgehenden elektromagnetischen Strahlung oder Schall gemessen und dadurch Eigenschaften wie Landnutzung und Geländehöhe, aber auch stoffspezifisch z.B. Biomasse und Wassergehalt bestimmt.
¶ Beschreibung
Bei der Fernerkundung können aktive oder passive Sensoren eingesetzt werden [1]. Allgemein wird immer die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie ausgenutzt, um Informationen über die Flächen zu erhalten. Bei den passiven Systemen handelt es sich vorwiegend um die Reflexion vom Sonnenlicht (1 und 2 in Abbildung 1 oben); aktive Systeme senden Licht (Laser), Radiowellen (Radar) oder akustische Wellen (Sonar) aus, um das reflektierte Signal auszuwerten (1 und 2 in Abbildung 1 unten). Während bei den passiven Systemen die Analyse nur spektral und lokal erfolgt (z.B. Multispektralbild), kann bei den aktiven Systemen zusätzliche eine temporale (Signallaufzeiten) Analyse erfolgen, um z.B. direkt den Abstand Sensor zum Reflexionsgegenstand (Erdoberfläche) bei der Lidar Messung zu bestimmen.
Die Übertragung der Daten vom Sensorsystem (3 in Abbildung 1 oben und unten) zur weiteren Verarbeitung und Nutzung wird hier nicht behandelt.
Bei der spektralen Analyse wird die Intensität des Signals in verschiedenen Wellenlängenbereichen bestimmt. Die Interpretation bezüglich Stoffeigenschaften ist sehr indirekt, so dass ein Abgleich mit vor-Ort Messung - auch ground truth genannt – zur Kalibration erfolgte oder erfolgen sollte.
¶ Varianten / Unterscheidungen:
Es gibt vielfältige Varianten von Fernerkundungssystemen, welche systematisch in
- die Entfernung Sensor zur Fläche (Trägerplattform),
- verwendete Strahlungsart (Sensortyp),
- die Aufnahmegeometrie (abbildende Zeilen- oder Flächensensoren oder nicht abbildende Sensoren in Verbindung mit dem Öffnungswinkel und Ausrichtung) und
- die zu bestimmende Zielgröße (Auswertemethode)
eingeteilt werden können.
Die Trägerplattform zusammen mit der Aufnahmegeometrie bestimmt zudem die lokale und zeitliche Auflösung des Gesamtsystems (weitere Erklärung dazu siehe unten). Das Sensorelement selbst ist für die spektrale und radiometrische Auflösung verantwortlich – sprich welche Wellenlängen- und Signalintensitätsunterschiede getrennt werden können.
¶ Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten von Sensorsystemen
Träger des Sensorsystems:
Die Plattform bestimmt den Abstand vom Sensor zum Untersuchungsobjekt – von einem Fahrzeug typischerweise einige Meter (Nahfelderkundung), coptergestützt 10 – 100 m, flugzeuggetragen 100 -1000 m oder satellitenbasierend einige 100 km bis mehrere 1000 km.
Wellenlängenbereich:
Hier wird bei der elektromagnetischen Strahlung in den optischen Bereich (ca. 400 – 1000 nm), Infrarot (ca. 1-1000 µm) und Mikro- und Radiowellen (cm bis m) unterschieden. Der visuell optische Bereich von 400-700 nm wird von normalen Kameras benutzt und liefert insbesondere mit zu Hilfenahme des Nahinfraroten Bereiches bis 750 nm viele Information über chlorophyllhaltige Biomasse.
Aufnahmegeometrie:
Hierbei spielt der Träger des Sensorsystems eine große Rolle – sind die Positionen von aufeinanderfolgenden Aufnahmen exakt bekannt wie z.B. bei Satelliten oder Fahrzeug mit hochgenauem GNSS können die zeitlich aufeinanderfolgenden Aufnahmen zu einer lokalen Zusammenführung genutzt werden und es reicht zur Flächenaufnahme ein eindimensionales Sensorelement (Zeilenchip). Mit einem typischen Kamerachip, welcher zweidimensional ist, erhält man mit einer Aufnahme automatisch viele Flächendaten vom Untersuchungsgebiet. Mit Hilfe von Bildanalysemethoden können auch ohne Kenntnisse der genauen Sensorposition mehrere Bilder zu einer großen Fläche zusammengesetzt werden, so lange eine ausreichende Überlappung innerhalb der Bilderserie besteht.
Die lokale Auflösung hängt zwar prinzipiell von der Entfernung Sensor zur Untersuchungsfläche und dem Öffnungswinkel der Sensoroptik ab, wird aber natürlich auch durch das Sensorelement selbst bestimmt. So hat z.B. der fahrzeuggetragene Yara N-Sensor mit nur einem Sensorelement und einem Sensor-Boden Abstand von ca. 3 m eine Auflösung von mehreren Metern [3], während eine DJI Drohne mit RGB Kamera und ca. 16 Millionen Sensorelementen (5472 x 3648 Pixel) selbst bei 100 m Flughöhe eine Auflösung von wenigen mm bei entsprechendem Öffnungswinkel erreicht.
Unter der zeitlichen Auflösung wird die Zeitspanne verstanden, in der Aufnahmen derselben Fläche gemacht werden können, um z.B. Veränderungen der Biomasse in der Vegetationsphase zu detektieren. Diese ist bei Satellitenaufnahmen durch das Überfliegen derselben Fläche (Umlaufzeit und Flugbahn) gegeben und wird teilwiese durch die Bewölkung beeinflusst / verlängert, während sie bei dem Einsatz von Drohnen oder Fahrzeugen durch den Betreiber im Rahmen der Umweltbedingung (Befahrbarkeit, Wind, Regen) bestimmt werden kann.
Zielgröße:
Die gemessenen Rohsignal werden aufbereitet, so dass z.B. von einem Lidar System nicht die einzelnen Signallaufzeiten und Sensorpositionen zur Verfügung gestellt werden, sondern gleich die xyz-Punktewolke der gemessenen Fläche oder ein Satellitendienstleister übermittelt Karten nicht mit den Spektralwerten der Reflexion, sondern gleich als Vegetationsindices berechnet.
Tabelle 1 gibt einen Überblick der verschieden Varianten mit ihren Eigenschaften.
Tabelle 1: Verschieden Fernerkundungsmethoden mit ihren Merkmalen
| Methode | Plattform | Sensortyp | Anwendung | Kommentar | |
|---|---|---|---|---|---|
| Optische Satellitenbilder | Satellit | Passiv (optisch) | Landnutzung, Vegetation |
Hohe räumliche Auflösung, breite Abdeckung Wetterabhängig |
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| Radar | Satellit | Aktiv (Mikro- und Radiowelle) | Geländehöhen, Bodenfeuchte | Unabhängig von Wetter und Tageszeit, komplexe Datenverarbeitung | |
| Hyperspektrale Bilder | Flugzeug, Drohne, Satellit | Passiv (optisch) | Mineralogie, Vegetationsanalyse |
Hohe spektrale Auflösung hohe Datenmengen, teure Sensoren |
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| LIDAR | Flugzeug, Drohne | Aktiv (Laser) | Topographie, Vegetationsstruktur |
Hohe Genauigkeit, detaillierte 3D-Modelle Teure Geräte, eingeschränkte Abdeckung |
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| Thermische Infrarot-Bilder | Satellit, Drohne | Passiv (Infrarot) | Vulkanüberwachung, Wasserstress, Rehkitzerkennung |
Temperaturunabhängig, Nachtaufnahmen, Geringe räumliche Auflösung |
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| Sonar | Fahrzeug, Schiff | Aktiv (Ultraschall) | Nahfelderkennung, Kollusionswarnung, Echolot | Günstige Technik, geringe Reichweite in Luft | |
Ein Beispiel der Anwendungen oben genannter Begriffe erfolgt in Tabelle 2 für einige in der Landwirtschaft vielverwendete Systeme [4, 5, 6].
Tabelle 2: Eigenschaften ausgewählter Fernerkundungssystem für die Landwirtschaft
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Parameter |
Sentinel-1 [4] |
Sentinel-2 [5] |
RedEdge-MX, Micasense [6] |
|---|---|---|---|
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Plattform |
Satellit in etwa 700 km Höhe |
Satellit in etwa 800 km Höhe |
Drohne, UAV, Flugzeug |
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Wellenlängen |
C-Band Radar (5.405 GHz) |
443 – 2190 nm |
475-842 nm |
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Aufnahmegeometrie, Sensor |
Aufnahmestreifen zwischen 20 und 400 km, aktiv |
Aufnahmestreifen von 290 km über Land, Umlaufzeit ca. 100 min, passiv |
47° Öffnungswinkel horizontal, 35° vertikal, 1280 x 960 pixel, 12 bit, passiv |
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Spektrale Auflösung |
Ein Kanal (Radarwellen) |
13 Kanäle |
5 Bänder (Blue, Green, Red, Red Edge, NIR) |
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Lokale Auflösung |
5 – 40 m je nach Aufnahmestreifen |
10, 20 und 60 m je nach Spektralbereich |
4 cm bei 60 m Höhe |
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Zeitliche Auflösung |
6 Tage |
5 Tage |
Flexibel, abhängig von Mission und Wetter |
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Zielgröße |
Bodenbewegungen, Feuchtigkeit, Vegetationsstruktur |
z.B. Blattchlorophyll, Blattwassergehalt und Blattflächenindex |
Vegetation, Landnutzung, Wasserqualität |
¶ Anwendungsbereich
- Hier folgen Anwendungsbeispiele von FARMPRAXIS
¶ Quellen
- Fernerkundungssensor
- Remote Sensing Illustration
- N-Sensor ALS - Funktion und Anwendung
- Sentinel-1
- Sentinel-2
- RedEdge-MX Integration Guide
¶ weiterführende Quellen
¶ Autoren
Eiko Thiessen, Christian-Albrechts-Universität Kiel, Institut für Landwirtschaftliche Verfahrenstechnik, Max-Eyth-Str. 6, 24118 Kiel