Das Sehen mit künstlichen Augen:
Was muss ich über die Physik elektromagnetischer Wellen wissen?

"Sehen mit künstlichen Augen" soll verdeutlichen, dass die Sensoren der Satelliten anders arbeiten als das menschliche Auge. Der Mensch sieht den Wellenlängenbereich zwischen Blau und Rot als Kontinuum, er spürt über die Haut Wärmestrahlung. Der Mensch erhält beim Sehen Farbeindrücke, die allerdings von Mensch zu Mensch wechseln können, was Farbblindheit im Extremfall beweist. Tiere registrieren elektromagnetische Wellen z.T. ganz anders als der Mensch. Fische, Bienen, Zecken, Fledermäuse reagieren auf andere Wellenlängen, d.h. es gibt auf der Welt mehr zu "sehen", als das menschliche Auge wahrnehmen kann.
Die künstlichen Augen der Satelliten sind technische Geräte, man nennt sie Spektrometer oder Sensoren. Spektrometer registrieren Strahlungsintensitäten in speziellen Wellenlängenbereichen. Eine Farbwahrnehmung, wie sie das menschliche Auge ermöglicht, kennen Spektrometer nicht.

Das "Sehen mit künstlichen Augen" lässt sich in drei wesensverschiedene Bereiche gliedern:
1. Die
Aufnahmesysteme, das sind die technischen Sensorsysteme und die physikalischen Spektrometer-Eigenschaften (vorhergehende Einheit)
2.
Die Strahlungseigenschaften von irdischen Objekten ("spektrale Signaturen")
3. Die
Auswertung und Visualisierung von Messwerten der Sensoren (nächste Einheit)


Zu 1.: Die Aufnahmesysteme
Die Aufnahmesysteme der Satelliten orientieren sich an der Durchlässigkeit der Atmosphäre für spezielle Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums.

Elektromagnetische Wellen müssen die Atmosphäre durchdringen können (Erdbeobachtung) bzw. nur teilweise durchdringen können (Wetterbeobachtung). Man spricht im ersten Fall von atmosphärischen Fenstern. Das sind Wellenlängenbereiche, deren zugeordnete Strahlung die Atmosphäre nahezu ungehindert passieren kann.
Am Beispiel des Sonnenlichts, das ursprünglich alle physikalischen Wellenlängen enthält, wird in der Grafik gezeigt, welche Strahlung den Erdboden wie gut erreicht. Das ist die atmosphärische Durchlässigkeit in %, auch Transmissionsgrad genannt. Harte UV-Strahlung (ganz links außen) erreicht den Boden kaum, da sie durch das Ozon der Atmosphäre absorbiert wird. Wasserdampf, Kohlendioxid und Spurengase verhindern in großen Bereichen den Durchgang der Strahlung. Da die Erdbeobachtungs-Satelliten aber den klaren Durchblick bis zur Erdoberfläche brauchen, nutzen ihre Spektrometer die atmosphärischen Fenster. Unter der Grafik sind die Wellenlängenbereiche einiger Spektrometer (Sensoren) angetragen.
Die Namen der einzelnen Wellenlängenbereiche sollte man sich in der Reihenfolge merken. Die Bereiche sind, da sie in einem Kontinuum liegen, nicht eindeutig gegeneinander abgrenzbar.

Merke die Reihenfolge: Röntgenstrahlung, hartes UV, Foto-UV, Blau, Grün, Rot, nahes Infrarot (NIR) = Foto IR, mittleres Infrarot (MIR), fernes Infrarot = thermales Infrarot (TIR), Microwellen = Radarstrahlen.

Die Ultraviolette Strahlung grenzt direkt an den blauen Bereich des sichtbaren Lichts. Sie verursacht Sonnenbrand und kann zu Hautkrebs führen. Der größte Teil der UV-Strahlung wird vom Ozon in der Atmosphäre absorbiert.
Der Bereich des
sichtbaren Lichts erstreckt sich über die Regenbogenfarben. Man verwendet es in der Fernerkundung vor allem zur Identifikation von Objekten nach ihrer (sichtbaren) Farbe.

UV, , NIR, SWIR, TIR

Das Infrarot (insbes. für Vegetationsbeobachtungen) grenzt an den roten Bereich des sichtbaren Lichts und beinhaltet auch die Thermalstrahlung (= fernes Infrarot). Im thermalen Infrarot kann man Wärmequellen erkennen.

Für die Meteorologen sind die halbdurchlässigen "Vorhänge neben den Fenstern" (in Grau bei 5,7 bis 7,0, Meteosat) von großer Bedeutung, weil die wechselnde Durchlässigkeit Aussagen über die Atmosphäre zulässt. Z.B. je höher der Wasserdampfgehalt umso geringer die Durchlässigkeit und umgekehrt.

Die einzelnen Satellitensysteme sind aus ökonomischen Gründen auf Aufgabenbereiche spezialisiert. Sie haben damit nur die für ihre Aufgaben notwendigen Sensoren an Bord. Auch die Wellenlängenbereiche (in Micrometer) der eingesetzten Spektrometer variieren geringfügig. Anzumerken ist hierbei, dass die Spektrometer keine Differenzierung innerhalb ihres Messbereiches ermöglichen, d.h. der Sensor ermittelt für jede "irdische" Flächeneinheit (in Abhängigkeit von seiner regionalen Auflösung) einen durchschnittlichen Strahlungswert, eine Strahlungsintensität. Besonders extrem wirkt diese Mittelwertbildung bei einem breitbandigen Sensor (PAN oder VIS-NIR bei Meteosat).

Sensor Wellenlänge Landsat 7 SPOT IRS-1C NOAA Meteosat ERS-2
PAN 0,5 - 0,9 PAN PAN PAN - - -
VIS-NIR 0,4 - 1,1 - - - - K1=VIS-NIR -
Blau 0,4 - 0,5 K1=Blau - - - - -
Grün 0,5 - 0,6 K2=Grün K1=Grün K1=Grün - - -
Rot 0,6 - 0,7 K3=Rot K2=Rot K2=Rot K1=Rot - -
NIR 0,7-0,9(-1,3) K4=NIR K3=NIR K3=NIR K2=NIR - -
MIR 1 1,5 - 1,7 K5=MIR 1 - K4=MIR 1 - - -
MIR 2 2,1 - 2,3 K7=MIR 2 - - - - -
MIR 3 3,5 - 3,9 - - - K3=MIR 3 - -
MIR 4 5,7 - 7,1 - - - - K3=MIR 4 -
TIR 10,5 - 12,6 K6=TIR - - - K2=TIR -
TIR 1 10,3 - 11,3 - - - K4=TIR 1 - -
TIR 2 11,5 - 12,6 - - - K5=TIR 2 - -
C-Band - - - - - - C-Band

Merke: Die Kanalbezeichnungen sind für unterschiedliche Systeme verschieden! Bei IRS-Produkten wird nachträglich ein künstlicher Blaukanal berechnet und der Anwender bekommt ein Produkt mit der Landsat-Kanal-Benennung, beginnend mit K1=Blau.


Zu 2.: Die Strahlungs- bzw. Reflexionseigenschaften von Objekten
Es gibt drei Bereiche bei elektromagnetischer Strahlung, die sich in der Fernerkundung wesensmäßig stark voneinander unterscheiden:
a) die reflektierte Sonnenstrahlung (dafür sind die Sensoren PAN und Blau bis MIR vorgesehen)
b) die Eigenstrahlung eines Körpers (Wärmestrahlung ist keine reflektierte Strahlung, TIR ist der geeignete Sensor)
c) die reflektierten Mikrowellen (kein Spektrometer, sondern eine Empfangsantenne fängt die Echos der vom Satelliten abgestrahlten Radarimpulse auf).

Die Kernfrage lautet bei a): Welche Objekte strahlen in den einzelnen Wellenlängenbereichen wie stark? Die gefundenen spektrometrischen Eigenarten dienen später zur Identifizierung der Objekte im Satellitenbild.

Wieviel Licht empfängt der Sensor von einem Objekt? Eine Antwort darauf braucht ein Skalierungssystem. Es reicht von fehlender Strahlung (Wert 0) bis zu maximaler Strahlung (Wert 255, geeicht an der Strahlung der Sonne in diesem Wellenlängenbereich). Jede kleinste noch messbare Flächeneinheit am Boden liefert also für jeden Sensor einen Intensitätswert zwischen 0 und 255. Dies lässt sich an realen Satellitenbildern gut prüfen.

Drei Testflächen "Wasser" sollen exemplarisch benutzt werden (weitere Testflächen im Diagramm):

Testfläche RGB= (321) K1 K2 K3 K4 K5 K7
Fläche 1 85 28 26 0 0 14
Fläche 2 81 86 77 29 0 5
Fläche 3 69 58 52 9 0 19

Daraus lassen sich Intensitätsprofile über alle Sensorkanäle hinweg erstellen, die es auch vielfach in der Literatur in generalisierter Form gibt:

Hinweis: Strahlungsintensitäten sind nur aus nicht gestretchten einkanaligen Bilddaten zu ermitteln. Der einfachste Weg ist der über die Lupe aus der Software "Satlupe" bzw. "Landsat". Es geht aber auch über PaintShopPro. Mit dem RGB-Tool lassen sich die Echtfarben-Eindrücke aus Rot, Grün und Blau anzeigen. Normalerweise ergibt dies für Wald, Wasser und Wiese keine erkennbare Farbe, dafür sind die einzelnen Reflexionswerte im sichtbaren Licht (im Vergleich zum Infrarot) zu gering. Multiplizieren Sie die Werte zu einem Testobjekt mit dem Faktor 2 oder 3, so entstehen aufgehellte Farben, die besser zu erkennen sind (siehe oben in der Tabelle: links original, rechts aufgehellt).

Untersucht man Testflächen zum gleichen Objekt zu verschiedenen Jahreszeiten, so ergeben sich recht unterschiedliche Profile:

Ein weiterer wesentlicher Aspekt der Messung über Spektrometer ist die räumliche Auflösung eines Bildpunktes. Bei den Wettersatelliten der NOAA-Reihe stellt ein Bildpunkt eine Erdfläche von 1,1 x 1,1 km dar, bei Landsat TM ist es eine Fläche von 30 x 30 m. Ein Bildpunkt erfasst dabei Objekte sehr unterschiedlicher Strahlung, ein solcher Punkt heißt "Mischpixel". Bei Landat sind nur etwa 18% aller Pixel reine, d.h. relativ homogene Bildpunkte mit einheitlicher spaktraler Aussage.

Schülerarbeit zu diesem Thema