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

Das Themenset Nr. 11 befasst sich mit der Umsetzung von Lichtmesswerten in Bilder.

Es bietet folgende Möglichkeiten:

• Sensoren: Besonderheiten und Interpretation ihrer Graustufenbilder;
• Optimierung eines Satellitenbildes zur leichteren Interpretation;
• Werdegang von der Messwertreihe zum Satellitenbild;
• Unterrichtsidee: Strukturanalyse des Nahraumes über Satellitenbilddaten.

Sehvermögen und Bildbearbeitung

Licht ist eine Strahlung, die von einem stark erhitzten oder durch verschiedene Energieformen angeregten Körper abgegeben wird. Die Sonne sendet Licht, von dem jedoch nur ein Bruchteil mit dem menschlichen Auge erkennbar ist. Satelliten sind mit Sensoren ausgestattet, mit denen auch für uns unsichtbare Strahlung wie das Infrarot oder Mikrowellen gemessen werden können. Zur Erstellung eines Bildes müssen diese Messungen in Grau- oder Farbtöne umgesetzt werden. Die Bilddaten bestehen ursprünglich aus Zahlenreihen einer Messwertematrix, die die empfangene Signalstärke im entsprechenden Wellenlängenbereich angeben.

Wenn ein Sensor z.B. das rote Licht misst, dann wird jeder einzelne Messwert für einen „irdischen Messpunkt“ als Wert zwischen 0 und 255 in einem Byte codiert und zur Erde an eine Empfangsstation übertragen. Dort werden alle diese Messwerte des einen Sensors als Messwertematrix gesammelt. Dies sind die Rohdaten. Sie lassen sich sofort als Graustufenbild an einem Monitor auf Übertragungsfehler kontrollieren.

Wie macht man nun aus den drei Graustufenbildern des roten, des grünen und des blauen Lichts ein Farbbild, wie wir es normal sehen? Man bedient sich der Natur unseres Auges: Die Netzhaut enthält drei Zapfenarten, deren maximale Empfindlichkeiten bei 560 (R), 530 (G) und 420 (B) nm Wellenlänge liegen. Das Gehirn vergleicht die von den verschiedenen Zapfentypen gesendeten Reize, um eine Farbempfindung auszulösen. Beim Fernseher nutzt man diese Idee: Man erzeugt einen roten, einen grünen und einen blauen Punkt so eng nebeneinander (Lochmaske), dass das Auge die drei Farbpunkte nicht voneinander trennen kann. Das Auge mischt dann die drei Farben „additiv“ zu einer neuen. Die Helligkeit jedes der drei Farbpunkte Rot, Grün, Blau (=RGB-Technologie) eines Bildschirms kann man einzeln elektronisch steuern. Dazu benutzt man die Codierung der Sensor-Daten. Wenn man die Graustufen des roten Sensors auf RGB-Rot, die Graustufen des grünen Sensors auf RGB-Grün und die Graustufen des blauen Sensors auf RGB-Blau Punkt für Punkt legt, so zeigt der Bildschirm ein Echtfarbenbild an. 256 x 256 x 256 Graustufen ergeben dann 16,7 Millionen Farbmöglichkeiten der additiven Farbmischung. Wenn man nur ein einziges Graustufenbild gleichzeitig zur Helligkeitsregelung der drei Kanäle verwendet, dann sieht man am Farbbildschirm das Graustufenbild ohne Farben.

Was ich sehe und was ich gerne sehen würde

Im Jahr 1800 machte William Herschel eine Entdeckung: Unter dem Glasprisma hatte er das Sonnenlicht in die Spektralfarben zerlegt und deren Temperatur gemessen. Durch einen Zufall entdeckte er dabei das „Nahe Infrarot“ (NIR) neben dem roten Licht, er konnte es nicht sehen, nur messen.
Erst viel später entdeckte man die Besonderheit dieses Lichtbereichs: Das von der Sonne reflektierte Nahe Infrarot zeigt bei Pflanzen deren Vitalität, damit lässt sich die Biomassenproduktion abschätzen.

Nun zur zentralen Frage dieses gesamten ESA-Kits:
Wie zeigt man etwas, was man nicht sehen kann?

Man kann das „Unsichtbare“ rot anzeigen, dann ergibt dies die sog. Rotbilder in den einzelnen Sets.
Was macht man aber, wenn man zwei oder drei nicht sichtbare Wellenlängen sichtbar machen möchte.

Für die Interpretation erscheint es zudem besser, die darzustellende Lichtwellenlänge (Kanal, Band) so auf RGB zu legen, dass die Interpretation intuitiv erfolgen kann. Rot für Ackerboden, Ziegel, etc., Grün für Vegetation, Blau für Gewässer. Deshalb unser Vorschlag für Farbbilder mit dem Nahen Infrarot: RGB=(Rot, NIR, Blau), sieht fast wie ein Echtfarbenbild aus.

Herschels Versuch zeigt, dass NIR so wie auch das sichtbare Licht (VIS) Glas ungehindert passieren kann. Nicht so das Mittlere Infrarot (MIR) und das Thermische Infrarot (TIR). Temperaturen lassen sich nicht durch eine Glasscheibe hindurch messen, Glas isoliert gut gegen Kälte oder Hitze.

Auch die Atmosphäre hat solche isolierenden Eigenschaften. Sie lässt nur manche Wellenlängen durch. Diese Bereiche nennt man „Atmosphärische Fenster der Fernerkundung“. Die Atmosphäre schützt uns z.B. mit ihrem Ozon vor der UV-Strahlung. Die Wellenlängen im Infrarotbereich, die von der Atmosphäre nicht durchgelassen werden, nutzen die Wettersatelliten. Ein Beispiel ist die Wasserdampf-Messung. Sie nutzt die Wellenlänge von  6 µm, für die die Atmosphäre die Durchlässigkeit wechselt: Je geringer die Durchlässigkeit, umso höher der Wasserdampfgehalt.

Radar passiert die Atmosphäre ungehindert, sogar die Wolken, nicht aber große Regentropfen. Dies ermöglicht sogar die Messung von Starkniederschlägen über das rückgestreute Radarsignal. Radar kann also mehr als nur Höhen, Relief und Oberflächenrauhigkeit erkunden.

Deckblatt

Aufnahme Deckblatt: Die Region Sevilla (Spot-5 – 2003)

Dieses Satellitenbild in RGB=(NIR, Rot, Grün) ist typisch für Spot, weil Spot keinen blauen Kanal hat. Die Auflösung (im Originalbild) beträgt 5 m. Das dargestellte Gebiet entspricht einem ca. 70 km breiten Streifen. Die Stadt Sevilla befindet sich in der unteren Bildmitte. Zwischen dem Kanal Alfonso XIII und dem Guadalquivir ist das Olympiastadion zu erkennen.

Mittelteil

Bild Nr. 1: Die Erde (Meteosat)

Dieses Satellitenbild in RGB=(VIS, NIR, MIR)=(Boden, Vegetation, Wolken) ist ein Falschfarbenbild der Erde, das sich intuitiv interpretieren lässt.

Die üblichen farbigen Meteosat-Bilder entstehen aus drei Schwarzweißbildern, die von folgenden drei Kanälen des Satelliten aufgezeichnet werden: dem sichtbaren Kanal mit einer Wellenlänge zwischen 0,56 µm und 0,71 µm und den zwei Infrarotkanälen mit einer Wellenlänge zwischen 0,74-0,88 µm und 1,50-1,78 µm.

Bild Nr. 2: Die Region Sevilla (Spot-5 – 2003)

Bei dieser Aufnahme handelt es sich um einen vergrößerten Ausschnitt der auf dem Deckblatt abgebildeten Aufnahme der Region Sevilla.Das an der Flussschleife gelegene Dorf in der Bildmitte ist La Algaba.

Die Spektralkanäle des Satelliten Spot arbeiten in Wellenlängenbereichen zwischen 0,55 µm und 0,85 µm und unterscheiden sich somit von denen des Satelliten Meteosat.

Bild Nr. 4: Die Erde (Meteosat – IR-Kanal)

Diese Abbildung zeigt den thermischen Infrarotkanal (TIR) des Satelliten im Negativ-Graustufenbild. In diesem Bereich mit einer Wellenlänge von ca. 10 µm wird hauptsächlich die von der Erde und den Wolken abgegebene Wärmestrahlung erfasst. Das von der Sonne ankommende und von der Erde nur reflektierte TIR ist sehr gering und zu vernachlässigen. Diese Graustufenbilder stellen die Temperaturen am Boden und an der Wolkenoberfläche dar und erlauben die Unterscheidung höherer von niedrigen Wolken im Negativ-Graustufenbild bedeuten weiß=kalt, dunkel=warm.

Bei den Aufnahmen 5 und 6 handelt es sich um Radarbilder. Sie wurden von „aktiven“ Sensoren erfasst, die elektromagnetische Impulse quer zur Flugrichtung gebündelt zum Boden aussenden und das zurückgestreute Signal messen. Registriert werden die Zeit (und damit die Distanz), die Signalstärke und die Phase des Echos. Radare sind nicht auf das Sonnenlicht angewiesen und somit in der Lage, unabhängig von der Wolkendecke sowohl Tag- als auch Nachtaufnahmen zu erstellen. Radarbilder entstehen aus Messungen im elektromagnetischen Wellenlängenbereich zwischen 1 cm und 1 m beträgt (für Envisat/ASAR liegt dieser Bereich bei 5,6 cm).

Bild Nr. 5: Die Insel La Réunion (Envisat / ASAR – Advanced Synthetic Aperture Radar – 2003)

Die 645 km östlich von Madagaskar gelegene Insel La Réunion ist vulkanischen Ursprungs. Im Südosten ist der 2 631 m hohe Piton de la Fournaise zu erkennen, der in den vergangenen 300 Jahren über 100 Mal ausbrach.

Ist das Gefälle des Reliefs größer als der Neigungswinkel des Radarsignals, entstehen Radarschatten, die die morphologische Beschaffenheit der Hangneigung verbergen. Dadurch entstehen schwarze Stellen im Bild. Dem Satelliten zugewandte Hänge sind stark verkürzt und weiß dargestellt, da sich die gemessenen Distanzen zum Satelliten zwischen Gipfel und Hangfuß in der Schrägaufnahme kaum unterscheiden. Häuser und Siedlungen erscheinen als helle Punkte, da rechteckig aufeinanderstoßende, glatte Flächen alle Radarwellen zurückwerfen (doppelte Spiegelung).

Bild Nr. 6: Die durch den Tanker Prestige verursachte Ölpest (Envisat / ASAR – 2002)

Vor der galizischen Küste verlor der auf die offene See geschleppte Tanker seine Ölfracht. Am Ende des Ölteppichs sind weiße Punkte zu erkennen, bei denen es sich um die Prestige und die im Katastrophengebiet präsenten Einsatzschiffe handelt.

Das auf der Wasseroberfläche treibende Schweröl dämpft den Seegang erheblich und sorgt für eine relativ glatte Fläche. Diese Bereiche streuen nur ein schwaches Signal zurück und erscheinen dunkel. Die Wellen der Umgebung ergeben eine sehr raue Oberfläche, sie erscheint deshalb viel heller. Schiffe sind aus Eisen und haben eine kantige Form. Auf beides reagiert der Radar sehr empfindlich. Auch kleinere Schiffe sind deshalb als weiße Punkte abgebildet.

Seite 5 - RGB-Kombination der Kanäle zur Erstellung eines Farbbildes

Bilder Nr. 7, 8, 9, 10: Die Region Sevilla (Spot-5 – 2003)

Durch die Anzeige der drei ursprünglichen Graustufenbilder soll die Entstehung des Farbkomposits gezeigt werden. Da der Satellit Spot-5 keinen Sensor für blaues Licht hat, wurde bei der Darstellung des Echtfarbenbildes etwas gemogelt. RGB=(Rot, Grün, Blau) vermittelt nur ein Pseudo-Echtfarbenbild. Der Blau-Kanal ist ein künstlich erzeugter Blaukanal. Deshalb erscheint der Fluss im Komposit nicht wirklich blau. In der oberen Abbildung kommt es primär auf das Prinzip des Echtfarbenbildes an.

Das untere Satellitenbild ist ein typisches Falschfarben-Komposit für den NIR-Kanal 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 MERIS-Kanäle auf Envisat ermöglichen andere Analysen.

Seite 6 – Die Funktionen von Erderkundungssatelliten

Bilder Nr. 12, 13: Radarbilder eines Ölteppichs auf dem Meer

Durch die Kombination von drei Radar-Graustufenbildern von verschiedenen Zeitpunkten können farbige Radaraufnahmen, sog multitemporale Bilder erstellt werden. Solche Bilder bieten den Vorteil, die zeitliche Entwicklung gewisser Phänomene zu dokumentieren und somit eventuell deren künftige Entwicklung vorherzusehen. Auf diese Weise ist es z.B. möglich, die von Ölteppichen auf dem Meer zurückgelegte Strecke zu messen und deren weitere Verlagerung abzuschätzen. Die jeweils hellsten Stellen der Graustufenbilder bestimmen die Farbe des Ergebnisbildes: Die Ölverschmutzung erscheint auf dem Farbbild magenta (rot+blau), da an dieser Stelle für das Grün nur dunkle Bildpunkte vorhanden sind.

Unterrichtsideen

Level 1, Jgst. 5 und 6:

- zum Kit
- zum Thema Elektromagnetisches Spektrum
- zum Thema Additive Farbmischung
- zum Thema Bildinterpretation

Level 2, Jgst. 7 mit 9:

- zum Kit
- zum Thema Elektromagnetisches Spektrum
- zum Thema Additive Farbmischung
- zum Thema Bildinterpretation

Level 3, Jgst. 10 mit 12:

- zum Kit
- zum Thema Elektromagnetisches Spektrum
- zum Thema Additive Farbmischung
- zum Thema Bildinterpretation