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

Die Charakteristik der Wellenlängenbereiche


Das ist der blaue Kanal im Original.

Die wichtigste Quelle elektromagnetischer Strahlung ist die Sonne. Sie sendet Strahlen aller Wellenlängen aus, wenn auch nicht in gleicher Intensität. Die intensivste Strahlung erfolgt im Bereich des "sichtbaren Lichts", die Intensität nimmt mit größerer Wellenlänge rasch ab. Von diesen Strahlen absobiert die Atmosphäre einen Teil. Im Bereich der atmosphärischen Fenster erreicht uns dabei am meisten Licht.
Nun trifft die Sonnenstrahlung auf die Erde und wird dort recht unterschiedlich "verarbeitet".
Ein Teil des Lichts wird absorbiert, ein anderer Teil wird reflektiert und dies für jede Wellenlänge anders. Scheint
weißes Sonnenlicht auf ein Ziegeldach, dann sieht es rot aus. Das sichtbare blaue und grüne Licht erwärmt das Dach, viel rotes Licht bleibt übrig, wird reflektiert und erreicht unser Auge. Die Erwärmung macht das Ziegeldach zum Strahler, d.h. das Dach sendet selbst Strahlung im fernen Infrarot (TIR) aus. Das können wir mit dem Auge nicht sehen.

Die Reflexionseigenschaften der Geländeobjekte hängen vor allem von dem jeweiligen Material, seinem physikalischen Zustand (z.B. Feuchtigkeit) und von den geometrischen Verhältnissen (Einfallswinkel der Sonnenstrahlung, Beobachtungsrichtung) ab. Die Rückstrahlfähigkeit im sichtbaren Licht wird als Albedo bezeichnet, wobei die Albedo das Verhältnis der reflektierten zur absorbierten Strahlung angibt. Körper, die alle sichtbare Strahlung reflektieren, erscheinen weiß, haben also eine hohe Albedo, während schwarz erscheinende Körper Strahlung stark absorbieren, also eine niedrige Albedo aufweisen. Generell absorbieren feuchte Objekte mehr Strahlung als trockene.

Jedes Objekt "verarbeitet" also die Sonnenstrahlung auf seine spezifische Art und Weise. Wald und Wiesen absorbieren mit ihren Blättern einen großen Teil des blauen und vor allem des roten Lichts, das grüne Licht wird reflektiert, so sieht die Vegetation grün aus. Über ein Spektrometer lassen sich die verbleibenden reflektierten Strahlen den Wellenlängen zuordnen. Und so wie es das Diagramm zeigt, kommt die reflektierte Reststrahlung beim Satelliten an. Das obere Bild vom Chiemsee zeigt das reflektierte blaue Licht. Es ist sehr schwach, da fast alles auf der Erdoberfläche absorbiert wird, was das folgende Diagramm gut zeigt.


 


Der Chiemsee im nahen infraroten Licht (NIR)

Dieses zweite Bild zeigt das reflektierte Licht im nahen infraroten Licht (NIR). Davon wird am Erdboden wenig absorbiert, die Rückstrahlung ist allgemein sehr hoch, das Bild ist meist sehr hell. Nur Wasser absorbiert sehr stark, der Chiemsee erscheint deshalb schwarz. Die Vegetation muss nach dem obigen Diagramm besonders hell erscheinen, Ackerflächen sind etwas dunkler.


Histogramme zeigen die Häufigkeiten der einzelnen Intensitätsstufen, die in einem Bild vorkommen. Solch ein Histogramm charakterisiert den Gesamteindruck eines Bildes. Das erste Histogramm zeigt, dass das zugehörige Graustufenbild (oberstes Bild, blauer Kanal) fast nur aus Punkten mit den Grauwerten um 60 besteht. Der Wert 60 ergibt einen sehr dunklen Grauton; 0 wäre schwarz, 255 wäre weiß.
Das Histogramm zu Kanal 4 (NIR) zeigt, dass Werte zwischen 5 und 150 sehr häufig vorkommen, das Bild muss also viele mittelhelle Grautöne mit großer Differenzierung enthalten. Das Bild von K4 enthält viel mehr Informationen als das Bild zu K1.

Die Beispiele lassen die großen Unterschiede zwischen den einzelnen Sensoren erkennen. Wenn Sie auf die Diagramme klicken, dann können Sie sich die Originalbilddaten (in verkleinerter Form) ansehen.


K1 Blau
Kennung Wasser

K2 Grün
bei Pflanzen Kennung Chlorophyll

K3 Rot
Kennung Böden

K4 NIR
Kennung aktive pflanzliche Biomasse (Zellen)

K5 MIR 1
Kennung Wasserhaushalt in Pflanzen

K7 MIR 2
Kennung Wasserbedeckung (Feuchte)

K6 TIR
Wärmestrahlung der Erd- und Wasseroberflächen

K2 nach Histogramm-Stretch
(zum Grüneindruck)

Die nachfolgenden Aufstellungen sollen zeigen, wie schwer es ist, in einem Satellitenbild eine spezielle Landnutzung zu identifizieren.

Blau
meist niedrige

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Kennung für Wasser
~200 nur Gestein, Verkehrsflächen, unbestellte Ackerflächen
~150 Brachflächen
~100 Wasserflächen, Feuchtwiesen
~50 Wald, Wiesen,
~0 -
Grün
meist niedrige

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Kennung für das Chlorophyll der Pflanzen
~200 nur Gestein, Verkehrsflächen, unbestellte Ackerflächen
~150 Brachflächen
~100 Feuchtwiesen, Wiesen,
~50 Wasserflächen, Wald,
~0 -
Rot
meist niedrige

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Kennung für Böden
~200 nur Gestein, Verkehrsflächen, unbestellte Ackerflächen
~150 Brachflächen
~100 Feuchtwiesen, Wiesen,
~50 Wasserflächen, Wald,
~0 -
NIR
oft hohe

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Kennung für pflanzliche Biomasse (Zellstrukturen)
~200 -
~150 unbestellte Ackerflächen, Brachflächen, Gesteine, Wiesen
jugendliche pflanzliche Zellen reflektieren besonders stark
~100 Verkehrsflächen
~50 Wald,
alternde pflanzliche Zellen reflektieren wenig, erscheinen dunkel
~0 Wasserflächen absorbieren alles, erscheinen schwarz
Zum NIR und zum Reflexionsphänomen der pflanzlichen Zellen

Chlorophyll absorbiert blaues und rotes Licht, deshalb sehen Pflanzen grün aus. Das absorbierte Licht wird für die Photosynthese gebraucht.
Einer alternden Zelle fehlt das Chlorophyll, sie sieht rötlich oder bräunlich aus, eine Mischung aus Rot, Grün und Blau.
Was der Mensch nicht sehen kann, das ist das Nahe Infrarot, das insbesondere eine junge Pflanze reflektiert. NIR wird in den Zellen an den glatten Wänden mehrfach gespiegelt und schließlich reflektiert. Alternde Zellen verlieren diese Eigenschaft.

MIR 1
oft hohe

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Kennung für Wassergehalt von Pflanzen (Feuchte)
hell=trocken, dunkel=feucht
~200 Kiesflächen, Verkehrsflächen, trockene Ackerflächen
~150 Wiesen
~100 -
~50 Wald, Feuchtgebiete
absorbieren viel, erscheinen dunkel
~0 Wasserflächen absorbieren alles, erscheinen schwarz

 

MIR 2
oft hohe

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Kennung für Wasserbedeckung,
also Feuchte auf Pflanzen und im Boden
hell=trocken, dunkel=feucht
~200 Kiesflächen, Verkehrsflächen, trockene Ackerflächen
~150 Wiesen
~100 -
~50 Wald, Feuchtgebiete
absorbieren viel, erscheinen dunkel
~0 Wasserflächen absorbieren alles, erscheinen schwarz

 

TIR
mittlere

Rückstrahlwerte
Die wichtigsten Informationsgehalte:
Temperaturstrahlung (Eigenstrahlung, keine Reflexion!) der obersten Schichten von Erdboden, Pflanzen oder Wolken, sagt fast nichts über Wärmezustand in der Landschaft aus!!
hell=warm (z.B. meist Ackerflächen und Siedlungen,
dunkel=kühl (z.B. meist Seen)

 

In diesem Schaubild wurden die Originalbilddaten zum Chiemsee ausgewertet. Von bekannten Punkten wurden die Grauwerte über PaintShopPro (Werkzeug Pipette) festgestellt und über Excel in ein Diagramm umgesetzt.

Nachfolgend eine Zusammenstellung zu den Landsat-Sensoren aus dem Tutorial "Einführung in die Fernerkundung" der Uni Kiel

Landsat Spektral-
bereich
Wellen-
längen (µm)
Spektrale Eigenschaften und Anwendungsbereiche
K1 Blau 0,45 - 0,52 wird wegen der starkten Absorption des Chlorophylls genutzt zur Unterscheidung von Boden und Vegetation, von Laub- und Nadelwald sowie zur Untersuchung von Gewässern wegen der hohen Eindringtiefe in Wasser (Plankton)
K2 Grün 0,53 - 0,61 misst die in diesem Spektralbereich vergleichsweise hohe Reflexion von (gesunder) Vegetation an Land und im Wasser
K3 Rot 0,63 - 0,69 (Minimum der Grünreflektion) misst die unterschiedliche Chlorophyllabsorption verschiedener Pflanzenarten
(-> Unterscheidung von Pflanzenarten); Trennung von Bodentypen, Mineralgehalten
K4 Nahes
Infrarot
NIR
0,78 - 0,90 (Minimum der Chlorophyllreflexion) misst die in diesem Spektralbereich sehr hohe Reflexion gesunder Vegetation -> wird genutzt zur Abschätzung der Aktivität der Biomasse; Erkennung der Küstenlinien wegen geringer Eindringtiefe in Wasser
K5 Kurzwelliges
Infrarot
SWIR oder MIR1
1,57 - 1,78 misst den Wassergehalt in Vegetation und Boden; unterschiedliche Reflexion von Schnee und Wolken; durchdringt dünne Wolken; sehr geringe Eindringtiefe in Wasser; hohe Reflexion von Gesteinen; geologische Kartierung
K6 Thermales
Infrarot
TIR
10,42 - 11,66 misst die von der Erde ausgehende Wärmestrahlung -> thermische Kartierung; Schäden und Stress von Vegetation;
dringt in die oberste Bodenschicht ein -> Bodenkunde und Geologie
K7 Kurzwelliges
Infrarot
SWIR oder MIR2
2,10 - 2,35 misst den Wassergehalt in Vegetation und Boden; geologische und bodenkundliche Anwendungen