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Fernerkundung

Einführung

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Manuelle Fernerkundung mit Luftbildern von Hamburg (1943)

Diese Lernressource befasst sich mit dem Begriff Fernerkundung und damit mit der Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt zugängliche Objekte durch Messung und Interpretation der von ihnen ausgehenden oder reflektierten elektromagnetischen oder Schallwellen.

Aufgabe - Erfassungsmethoden

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  • Vergleichen Sie die Vorteile und Nachteile von Erfassungsmethoden der Fernerkundung! FÜr manche Untersuchungen ist z.B. ein direkter Zugang zum Untersuchungs- oder Beobachtungsobjekt erforderlich. Identifizieren Sie Forschungsfragen, für die eine Fernerkundung nicht ausreichende Informationen liefert und bodengestützte Methoden zusätzlich erforderlich sind!
  • Für andere Untersuchunggebiete ist Fernerkundung ggf. aus Kostengründen oder kapazitären Gründen die einzige Möglichkeit, kostengünstig und berührungsfrei eine Erkundung der Erdoberfläche durchzuführen. Welche Anwendungsgebiete sind das.
  • (technische Instrument für die Fernerkundung) Betrachten Sie die Erdatmosphäre oder Meerergebiete. Analysieren Sie Möglichkeiten des Umweltmonitoring, um eine nachhaltige Nutzung zu messen und entsprechende Entscheidungen daraus abzuleiten.
    • Was ist z.B. durch den Einsatz von Flugzeug- oder Satelliten-getragene Sensoren möglich und wo liegen die Grenzen von Fernerkundungssensoren wie Kameras oder Scanner im Bereich der Auslösung oder bei optischen Beeinträchtigung der Sensoren, wie z.B. Wolken oder Nebel.
    • Je nach Größe des zu Zielgebietes für die Forschungsfrage kommen aber auch „Drohnen“ oder Ballons als Plattform zum Einsatz. Analysieren die Chancen und Grenzen dieser technischen Messinstrumente und diskutieren ebenfalls weitere Anwendungsgebiete der Fernerkundung, die sich durch die Photogrammetrie ergeben, indem man aus einer Bildsequenz von Einzelbilder eine dreidimensionales digitales Abbild generieren kann (Satellitengeodäsie).

Begriffsabgrenzung

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Die Beobachtung von Steren/Himmelkörpern in der Planetologie und Astronomie ist nicht der Fernerkundung zugeordnet, obwohl auch hier Fernerkundungssensoren zum Einsatz kommen.

Unterscheidung - passive und aktive Fernerkundungssysteme

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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).

  • (Photogrammetrie und räumliche Wahrnehmung in der Biologie) Bei der Photogrammetrie werden Aufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln dazu verwendet ein digitales 3D-Modell eines räumlichen Objektes zu erzeugen (siehe OpenDroneMap[1])
  • (Räumliches Sehen) Auch unser Gehirn nutzt die beiden räumlich versetzten Bildinformationen von unseren Augen dazu, unsere Umwelt dreidimensional wahrzunehmen. Analysieren Sie technische Umsetzungen diese biologischen evolutionär entwickelten Konzeptes der räumlichen Wahrnehmung, um mit z.B. zwei in einem festen Abstand "fliegenden" Satelliten zur Erdbeobachtung einzusetzen.

Globaler Blick und Fernerkundung

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Fernerkundungsdaten sind insbesondere in den Geowissenschaften, Geographie, den Umweltwissenschaften und der Geophysik von großer Bedeutung, da eine globale Beobachtung der Erdoberfläche und -atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung nur mit Hilfe von Fernerkundungssensoren möglich ist.

  • (Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen) Analysieren Sie die [[v:en:Sustainable_Development_Goals|Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen und betrachten Sie die einzelen Ziele. In welchen Fällen ist ein synoptischer Überblick über große Räume mit satellitengestützte Fernerkundungssensoren möglich und sinnvoll, um mit einer wiederholten (zum Teil tägliche) Abdeckung ein und desselben Gebiets bzgl. bestimmter Umweltfaktoren (z.B. Abholzung, Luftverschmutzung, Wasserverschmutzung, Extremereignisse, ...) zu untersuchen. Notieren Sie dabei den Zusammenhang von Fernerkundungsmethoden und dem Nutzen für die konkrete Anwendung (z.B. Lichtemission während der Nacht zeigen in der "vorher-nachher"-Betrachtung, dass ein Gebiet nach einem Erdbeben keine Licht mehr emittiert. Damit kann das ein Indikator für die Verfügbarkeit von Elektrizität sein).
  • (Zugänglichkeit von Regionen) Fernerkundungsdaten bieten gegenüber Vor-Ort-Messungen insbesondere bei schwer zugänglichen Gebieten der Erdoberfläche Vorteile, Daten für die Entscheidungsunterstützung zu gewinnen. Betrachten Sie das im Kontext von Extremereignissen und Schlammlawinen, die das digitale Höhenmodell eines Gebietes "vorher-nachher"-Betrachtung verändert, und damit auch die nicht mehr befahrbare Straßen oder Schienentrassen nach Extremereignissen identifzieren kann. Welche Bedeutung hat diese Ansatz auch für schwer zugängliche Bergregionen mit geringer Bevölkerungszahl zusammen mit eine hohen Aktualität und Kontinuität der Messwerte, für die Entscheidungsunterstützung und Planung von Hilfen.

Geschichte

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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 automatisierte und systematische Auswertung wurde ab den 1990er Jahren verbessert. Trotzdem bleibt auch heute noch die visuelle Bildinterpretation wichtig.

Während zunächst eine Status-quo-Erfassungen der Erdoberfläche (Kartierung) etabliert hatte, wird seit den 1990er Jahren zunehmend auch die Erfassung von Veränderungen (Monitoring) vorangetrieben.

Die Spannbreite für die Verwendung von Fernerkundungsdaten reicht von Ressourcenmanagement in Land- und Forstwirtschaft sowie Fischerei (z. B. Landnutzungsinventuren, Erntevorhersagen) über die Gewinnung von Umweltinformationen (z. B. Luft- und Gewässerverunreinigungen, Erosion, Desertifikation), Planung und Stadtentwicklung (Kartierung von Siedlungsgebieten etc.) und Katastrophenmanagement (Copernicus u. a.) bis zur Erkundung von Rohstoff- und Wasservorkommen.

Fernerkundungssensoren

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

Die gebräuchlichsten Sensortypen sind:

Fernerkundungssatelliten

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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 bzw. Satellitenprogramme sind

  1. DigitalGlobe (4 WorldView, GeoEye-1)
  2. Airbus Defence and Space (SPOT 6 & 7, 2 Pléiades)[3]
  3. Planet Labs mit Terra Bella (87 Dove-Kleinsatelliten, 5 RapidEye, 5 SkySat)
  4. BlackSky Global (Pathfinder-1 und -2)

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

Einsatzgebiete

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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[4]
    • 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
  • Rüstungskontrolle
    • Verifikation von Abrüstungsvereinbarungen
  • Menschenrechte
    • Vorher-Nachher-Vergleich großflächiger Zerstörungen[5]

Einteilung und Untergliederung

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Nach Anwendungsbereich

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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

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

Untergliederung der Fernerkundung nach Messverfahren

  • Photogrammetrie und Luftbildmessung
  • Spektrale Fernerkundung in optischen Wellenlängenbereichen (UV, VIS, IR). Bei der Fernerkundung von fein verästelten Wasserflächen wird ausgenutzt, dass diese sich in spiegelnder Reflexion stark von Landflächen abhebt, was die spektrale Auswertung selbst dann erlaubt, wenn die Bildauflösung nicht ausreicht, um den Uferverlauf aufzulösen.[6]
  • Passive Mikrowellenfernerkundung, Radiometrie
  • Aktive Mikrowellenfernerkundung (Radar)
  • Laseraltimetrie
  • Interferometrie (Radarinterferometrie)

Nach Auswerteverfahren

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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

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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.

Didaktik

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Es wird versucht, das Thema 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.[7]

Es gibt verschiedene Lernplattformen/ Lernmodule (z. B. FIS,[8] geospektiv[9] oder YCHANGE[10]) für den Einsatz in Schulen. Eingesetzt werden neben anderer Software der virtuelle Globus Google Earth oder das Geoinformationssystem QGIS.

Literatur

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  • Christian Heipke (Hrsg.): Photogrammetrie und Fernerkundung: Handbuch der Geodäsie, herausgegeben von Willi Freeden und Reiner Rummel. 1. Auflage. Springer Spektrum, Heidelberg 2017, ISBN 3-662-47093-4.
  • J. Albertz: Einführung in die Fernerkundung. Grundlagen der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern. Wissenschaftliche Buchgesellschaft, Darmstadt 2001, 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, denkmalpflege-bw.de [PDF; 5,8 MB; abgerufen am 13. Dezember 2010]).
  • E. Löffler, U. Honecker, E. Stabel: Geographie und Fernerkundung. Eine Einführung in die geographische Interpretation von Luftbildern und modernen Fernerkundungsdaten. Borntraeger, Berlin 2005, ISBN 3-443-07140-6.
  • Chandra P. Giri: Remote Sensing of Land Use and Land Cover: Principles and Applications. CRC Press, 2012, ISBN 978-1-4200-7074-3.
  • 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 3-329-00515-7.
  • Rosa Lasaponara, Nicola Masini: Satellite Remote Sensing – A new tool for Archaeology. In: Remote Sensing and Digital Image Processing Series. 16. Springer, 2012, ISBN 978-90-481-8801-7.
  • H. Taubenböck, M. Wurm, T. Esch & S. Dech (Hrsg.): Globale Urbanisierung – Perspektive aus dem All. Springer, Berlin/ Heidelberg 2015, ISBN 978-3-662-44841-0.
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  Commons: Fernerkundung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

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  1. ↑ Burdziakowski, P. (2017). Evaluation of open drone map toolkit for geodetic grade aerial drone mapping–case study.
  2. ↑ Robinson Meyer: A New 50-Trillion-Pixel Image of Earth, Every Day. In: The Atlantic. 9. März 2016 (theatlantic.com).
  3. ↑ Airbus Defence and Space Invests in Very High-Resolution Satellite Imagery from 2020 Onwards (Memento vom 7. Februar 2017 im Internet Archive), 15. September 2016
  4. ↑ Axel Relin, Rupert Haydn: Fernerkundungskontrolle landwirtschaftlich genutzter Flächen. In: Geowissenschaften. Band 12, Nr. 4, 1994, ISSN 0933-0704, S. 98–102, doi:10.2312/geowissenschaften.1994.12.98.
  5. ↑ eyesondarfur.org (Memento vom 10. Juni 2008 im Internet Archive)
  6. ↑ Vern Vanderbilt et al.: Impact of pixel size on mapping surface water in subsolar imagery. In: Remote Sensing of Environment. Band 109, Nr. 1, 12. Juli 2007, ISSN 0034-4257, S. 1–9, doi:10.1016/j.rse.2006.12.009 (researchgate.net).
  7. ↑ Fernerkundung in Schulen, uni-bonn.de, abgerufen am 28. Oktober 2010.
  8. ↑ fis.uni-bonn.de
  9. ↑ geospektiv.de
  10. ↑ ychange.eu

Seiten-Information

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