Kit 11: Satellitenbilder und ihre Farben
Der Weg von der Sensor-Messwertematrix zum (farbigen) Satellitenbild;
Bildbearbeitung in der Fernerkundung

Textbausteine aus der Schüler-Mappe

Sichtbares Licht
Rot, Grün, Blau als Stellvertreter

Das sichtbare Licht (VIS) ist der wirksamste Teil des Sonnenlichts. Das weiße Licht ist in Wirklichkeit eine Mischung aus allen erdenklichen Farben, so wie sie im Regenbogen vorkommen und wie man Sonnenlicht über ein Glasprisma zerlegen kann. Unsere Farbwahrnehmung und unser Sehrvermögen sind auf das „sichtbare Licht“ beschränkt.
Die Bilder 1 und 2 nutzen das infrarote Licht als Kontrastverstärker, Echtfarbenbilder würden wenig attraktiv wirken.

Erdbeobachtungssatelliten sind in der Lage, das von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenlicht oder die von dort abgestrahlte Wärme mithilfe ihrer Sensoren zu messen und die Messwerte an die Bodenstationen zu übermitteln. Das menschliche Auge nimmt lediglich das sichtbare Licht und somit nur einen sehr kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums wahr. Die menschliche Haut kann auch Wärmestrahlung registrieren.

Infrarotes Licht
Nahes Infrarot (NIR), Mittleres Infrarot (MIR), Thermales Infrarot (TIR) sind wichtige Stellvertreter

Das Infrarot macht einen großen Teil des Sonnenlichtspektrums aus, ist aber vom menschlichen Auge nicht wahrzunehmen. Grundsätzlich kann nicht alles Infrarot die Atmosphäre durchdringen, das schützt z.B. die Erde vor Überhitzung und vor Auskühlung. Nur innerhalb der sog. „Atmosphärischen Fenster“ kann der Erdboden von den Satelliten beobachtet werden. Zum reflektierten Thermalen Infrarot der Sonne kommt noch die von der Erde abgestrahlte Wärme, diese Überlagerung erschwert die Temperaturmessungen durch Satelliten am Tag.
Die Wettersatelliten, wie z.B. Meteosat, nutzen vor allem das infrarote Licht. Über TIR entstand das nächtliche Wärmebild der Erde, das zusätzlich in ein Negativbild umgewandelt wurde, damit die kalten Wolken weiß und die Wüsten mit ihrer großen nächtlichen Wärmeabstrahlung dunkel erscheinen.  TIR nutzt man auch zur Ermittlung der unterschiedlichen Wolkenhöhen (warm=tief, kalt=hoch). Die Temperaturmessungen von Land- und Meeresoberflächen sind für die Analyse des Wettergeschehens von größter Bedeutung.  Über MIR bestimmt man z.B. den Wasserdampfgehalt der Atmosphäre und über NIR erkundet man die Wirkung von Temperatur und Niederschlag auf die Vitalität der Vegetation.

Radarwellen
nur sehr schwacher Teil des Sonnenlichts

Zu Bild 5: Die Insel La Réunion

Radar wird z.B. verwendet als Wolkenradar, als Flugradar, als Satellitenradar. Ein abbildendes Radar ist ein Instrument, das seitwärts Impulse aussendet und die von der Erdoberfläche rückgestreuten Signale  aufzeichnet. Ein Radarbild in Graustufen entspricht nicht dem, was unsere Augen gewöhnlich wahrnehmen. Sie zeigen die Stärke des Echos, also des zurückgeworfenen Signals an. Ist die Oberfläche glatt, so wird der Impuls wie von einem Spiegel weggestreut und erreicht den Radarempfänger nicht, weshalb das entsprechende Gebiet auf der Aufnahme schwarz bleibt. Ist die Oberfläche jedoch rau und uneben, wird ein großer Anteil in Richtung des Radar reflektiert, und das entsprechenden Gebiete erscheint je nach Rauheit grau bis weiß.

Merke:
Manche Tiere wie Fledermäuse „sehen“ auch nach dem Prinzip des Radars (allerdings mit Schallwellen) und erfassen ihr Umfeld vermutlich als ein graues Bild mit den Distanzen zu den Objekten. Ein Radar benutzt Mikrowellen, wie auch z.B. die Mobiltelefone. Das Sehen mit künstlichen Sensor-Augen der Satelliten braucht die digitale Bildbearbeitung, die aus den Messwerten geeignete Bilder macht, die wir interpretieren können.

Zu Bild 6: Ölpest

Auch zur Beobachtung  des Meeres sind Radarbilder äußerst nützlich: je stärker der Wind, desto höher sind die Wellen und damit je rauer die Oberfläche des Meeres, desto heller ist die entsprechende Aufnahme. Auf diesem Bild ist das Ausmaß eines Ölteppichs gut erkennbar, denn das ausgeflossene Öl dämpft die Wellen. Die Oberflächen an diesen Stellen werden etwas geglättet. Deshalb ist der Ölteppich im Radarbild dunkel.

Seite 5: Kombination der Kanäle zur Erstellung eines farbigen Satellitenbildes

Jeder Sensor (Kanal) liefert eine Messreihe, die sich als Graustufenbild darstellen lässt. Dunkler Punkt bedeutet niedriger Messwert, heller Punkt zeigt einen hohen Messwert an. Diese 256 Graustufen benutzt man zur elektronischen Helligkeitssteuerung jeweils eines RGB-Ausgabekanals am Bildschirm.

Bildreihe 7

Echtfarbenbild: jedem RGB-Ausgabe-Kanal „seine eigene“ Farbe zugeordnet, RGB=(Rot, Grün, Blau).

Zu Bild 8:

Bei einem „Falschfarbenbild“ erfolgt die Zuordnung zum RGB-Ausgabesystem entweder in anderer Reihenfolge des sichtbaren Lichts oder es werden auch Sensor-Messwerte dargestellt, die mit dem Auge nicht sichtbar sind.

Bildreihe 9

Falschfarbenbild: NIR auf RGB-Rot, Rot auf RGB-Grün, Grün auf RGB-Blau, also RGB=(NIR, Rot, Grün)

Zu Bild 10:

Das untere Satellitenbild ist ein typisches Falschfarben-Bild für das Nahe Infrarot bei Spot:
RGB=(NIR, Rot, Grün), die Vegetation wird entsprechend ihrer Vitalität rot dargestellt, Ackerböden erscheinen grün, der Blau-Effekt ist nur schwer interpretierbar. Das Spot-Sensor-System wurde speziell für die Vegetationsanalyse entwickelt.

Die Funktionen von Erderkundungssatelliten

Die additive Farbmischung

In der Fotografie, bei TV-Röhren und PC-Bildschirmen kommen die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zum Einsatz. Die Kombination aus jeweils zwei dieser Farben ergibt Gelb, Magenta und Cyan (Türkis). Durch die Kombination der drei Grundfarben und die Dosierung der Farbintensitäten können 16,7 Millionen Farbnuancen erzeugt werden.

Multitemporale Radarbilder

Durch die additive Farbmischung von drei Radar-Graustufenbildern von unterschiedlichen Aufnahmezeitpunkten erhält man ein Farbbild, auf dem die Veränderungen zwischen den jeweiligen Aufnahmen als Farben hervortreten. Überall dort, wo ein Grauton entsteht, da hat sich nichts verändert.

Zur Bildreihe 13: Multitemporales Farbkomposit RGB=(Aufnahme 1, Aufnahme 2, Aufnahme 3)

• Aufnahme 1: vor der Verschmutzung
• Aufnahme 2: Verschmutzung auf hoher See
• Aufnahme 3: Verschmutzung an der unteren Küste

Der Ölteppich glättet die Wasseroberfläche, weshalb das von dort an den Satelliten zurückgeworfene Radarsignal sehr schwach ist und die betroffenen Flächen auf diesen Radarbildern dunkler erscheinen als die unmittelbare Umgebung.