Fernerkundung: Fortschritte und Anwendungen in der Computer Vision für die Fernerkundung

Von Fouad Sabry

Was ist Fernerkundung

Fernerkundung ist die Erfassung von Informationen über ein Objekt oder Phänomen ohne physischen Kontakt mit dem Objekt, im Gegensatz zu In-situ oder vor Ort Überwachung. Der Begriff wird insbesondere für die Gewinnung von Informationen über die Erde und andere Planeten verwendet. Fernerkundung wird in zahlreichen Bereichen eingesetzt, darunter in der Geophysik, Geographie, Landvermessung und den meisten geowissenschaftlichen Disziplinen. Es verfügt unter anderem auch über militärische, nachrichtendienstliche, kommerzielle, wirtschaftliche, planerische und humanitäre Anwendungen.

Wie Sie davon profitieren werden

(I) Einblicke, und Validierungen zu folgenden Themen:

Kapitel 1: Fernerkundung

Kapitel 2: Mikrowellenradiometer

Kapitel 3: Landsat-Programm

Kapitel 4: Bildgebendes Spektroradiometer mit mittlerer Auflösung

Kapitel 5: Satellitenbilder

Kapitel 6: Multispektrale Bildgebung

Kapitel 7: Bildgebende Spektroskopie

Kapitel 8: Normalisierter Differenzvegetationsindex

Kapitel 9: Hyperspektrale Bildgebung

Kapitel 10: Fernerkundung (Geologie)

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen über Fernerkundung.

(III) Beispiele aus der Praxis für den Einsatz der Fernerkundung in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch gedacht ist

Profis, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Hobbyisten und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Fernerkundung hinausgehen möchten.

 

 

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 5. Mai 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: Fernerkundung

Im Gegensatz zur In-situ- oder Vor-Ort-Beobachtung geht es bei der Fernerkundung darum, Daten über ein Objekt oder Phänomen zu sammeln, ohne sich tatsächlich in dessen Nähe zu befinden. Der Begriff wird häufig verwendet, wenn es um das Sammeln von Daten auf unserem Planeten und anderen im Sonnensystem geht. Viele Zweige der Geowissenschaften (z.B. Explorationsgeophysik, Hydrologie, Ökologie, Meteorologie, Ozeanographie, Glaziologie, Geologie) nutzen die Fernerkundung in ihrer Arbeit. Andere Bereiche, die von der Fernerkundung profitieren, sind Militär, Geheimdienste, Handel, Wirtschaftsplanung und humanitäre Bemühungen.

Im heutigen Sprachgebrauch bedeutet Fernerkundung das Sammeln von Informationen über die Erdoberfläche durch satelliten- oder flugzeuggestützte Sensoren. Basierend auf der Signalausbreitung umfasst diese Region sowohl Land als auch Meer (z.B. elektromagnetische Strahlung). Die Fernerkundung kann entweder als aktiv klassifiziert werden, bei der ein Signal von einem Satelliten oder Flugzeug an ein Objekt gesendet wird und das reflektierte Signal von einem Sensor empfangen wird, oder als passiv, bei der kein solches Signal gesendet wird (wenn die Reflexion des Sonnenlichts vom Sensor erkannt wird).

Es gibt zwei Hauptkategorien von Fernerkundungstechniken: passive und aktive. Strahlung, die von einem Objekt oder seiner Umgebung emittiert oder reflektiert wird, kann mit passiven Sensoren erfasst werden. Passive Sensoren messen in der Regel die Strahlung des reflektierten Sonnenlichts. Einige gängige Arten von passiven Remote-Sensoren sind Kameras, die Folien verwenden, Infrarotdetektoren, ladungsgekoppelte Geräte und Radiometer. Bei der aktiven Sammlung wird jedoch aktiv Energie abgegeben, um Objekte und Räume zu scannen, und die reflektierte oder zurückgestreute Strahlung wird dann von einem Sensor erfasst und gemessen. Beispiele für aktive Fernerkundung sind Radio Detection and Ranging (RADAR) und Light Detection and Ranging (LiDAR), bei denen die Zeitverzögerung zwischen Emission und Rückkehr ausgewertet wird, um die Position, Geschwindigkeit und Richtung eines Objekts zu bestimmen.

Mit Hilfe der Fernerkundung können Informationen über potenziell gefährliche oder unzugängliche Regionen gesammelt werden. Zu den Anwendungen der Fernerkundung gehören die Verfolgung der Entwaldung im Amazonasbecken, die Kartierung von Gletschermerkmalen in der Arktis und Antarktis sowie die Sondierung von Küsten- und Meerestiefen. Die Datenerfassung wurde vom Militär während des Kalten Krieges genutzt, um Informationen über potenziell instabile Grenzregionen zu sammeln. Die Fernerkundung spart nicht nur Geld und Zeit, sondern verhindert auch die Störung von Standorten oder Gegenständen, indem sie Daten aus sicherer Entfernung sammelt.

Daten von allen Punkten des elektromagnetischen Spektrums werden gesammelt und von Satelliten im Orbit übertragen, was in Kombination mit großräumigeren Sensorik und Analyse aus der Luft oder am Boden den Forschern genügend Informationen liefert, um Trends wie El Niño und andere natürliche lang- und kurzfristige Phänomene zu überwachen.

Weitere Anwendungen finden sich in Bereichen außerhalb der Geophysik, wie z.B. dem Management natürlicher Ressourcen, landwirtschaftlichen Sektoren, wie z.B. Landmanagement und -erhaltung, Untersuchte Orte oder Gegenstände, die Strahlung in einer Weise reflektieren oder emittieren, die sich von ihrer Umgebung abhebt, bilden die Grundlage für die multispektrale Erfassung und Analyse. In der Übersichtstabelle finden Sie einen schnellen Überblick über die wichtigsten Satelliten, die für die Fernerkundung verwendet werden.

Die Hauptanwendungen des konventionellen Radars liegen in den Bereichen Flugsicherung, Frühwarnung und bestimmte Arten von großräumigen meteorologischen Daten. Das Doppler-Radar wird für eine verbesserte meteorologische Erfassung verwendet, einschließlich Windgeschwindigkeit und -richtung innerhalb von Wettersystemen sowie des Ortes und der Schwere von Niederschlägen, und von den örtlichen Strafverfolgungsbehörden zur Überwachung von Geschwindigkeitsbeschränkungen. Die Ionosphäre enthält Plasmen, die ebenfalls aktiv gesammelt werden. Großräumige digitale Höhenmodelle werden mit Hilfe von interferometrischem Radar mit synthetischer Apertur erstellt (siehe RADARSAT, TerraSAR-X, Magellan).

Satelliten, die mit Laser- und Radarhöhenmessern ausgestattet sind, haben eine Fülle von Informationen gesammelt. Merkmale auf dem Meeresboden werden mit einer Auflösung von etwa einer Meile kartiert, indem die durch die Schwerkraft induzierten Ausbuchtungen des Wassers erkannt werden. Die Höhenmesser bestimmen Windgeschwindigkeiten und -richtungen sowie Oberflächenwasserströmungen und -richtungen, indem sie die Höhe und Wellenlänge von Meereswellen messen.

Küsten- und Offshore-Gezeitenmesser verwenden Ultraschall (akustisch) und Radartechnologie, um den Meeresspiegel, die Gezeiten und die Wellenrichtung zu erkennen.

Die Entfernungsmessung von Waffen, wie z. B. die Zielsuche mit laserbeleuchteten Projektilen, ist eine gängige Anwendung von LIDAR (Light Detection and Ranging). Luftgestütztes LIDAR kann die Höhe von Objekten und Merkmalen am Boden genauer bestimmen als Radartechnologie, und LIDAR wird verwendet, um die Menge verschiedener Substanzen in der Atmosphäre zu erkennen und zu messen. LIDAR wird häufig zur Fernerkundung von Vegetation eingesetzt.

Die beliebtesten Instrumente sind Radiometer und Photometer, die Strahlung mit einer Vielzahl von Frequenzen sammeln. Sensoren, die ultraviolette und Gammastrahlen verwenden, sind im Vergleich zu den weiter verbreiteten sichtbaren und infraroten Varianten äußerst ungewöhnlich. Darüber hinaus können ihre Emissionsspektren zur Messung atmosphärischer chemischer Konzentrationen verwendet werden.

Nachts werden Radiometer auch eingesetzt, um menschliche Aktivitäten zu erkennen, indem sie die künstliche Lichtleistung überwachen. Zu den Anwendungen dieser Technologie gehören die Überwachung von Dingen wie Bevölkerungswachstum, BIP und dem Zustand der Infrastruktur nach Naturkatastrophen oder Konflikten.

Satelliten, die mit Radiometern und Radar ausgestattet sind, können genutzt werden, um Lavaströme im Auge zu behalten.

Forscher des United States Army Research Laboratory haben gezeigt, dass die spektropolarimetrische Bildgebung bei der Verfolgung von Zielen hilfreich sein kann. Sie beobachteten, dass sich die polarimetrischen Signale von Industriegütern von denen ihrer natürlichen Gegenstücke unterschieden. Diese Ergebnisse basieren auf spektropolarimetrischen und dual-hypersensitiven akusto-optischen Aufnahmen von Militärlastwagen und -anhängern wie dem Humvee. Nahinfrarot-Imager-Spektrometer.

Bild- und Geländeanalytiker in Verkehrs- und Straßenbauämtern haben häufig stereografische Luftbildpaare verwendet, um topografische Karten für potenzielle Routen zu erstellen, zusätzlich zur Modellierung von terrestrischen Lebensraumelementen.

Landsat ist seit den 1970er Jahren im Einsatz und ein Beispiel für eine simultane multispektrale Plattform. Diese thematischen Mapper, die auf Erdbeobachtungssatelliten wie dem Landsat-Programm oder dem IKONOS-Satelliten zu finden sind, erfassen Bilder bei vielen Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung (multispektral). Die Erkundung von Mineralien, die Erkennung oder Überwachung der Landnutzung, die Erkennung gebietsfremder Vegetation, die Abholzung von Wäldern und die Untersuchung der Gesundheit einheimischer Pflanzen und Nutzpflanzen (Satellitenüberwachung) sind nur einige der vielen Anwendungen für thematische Karten, die die Bodenbedeckung und Landnutzung darstellen. Janet Franklin und Ruth DeFries sind nur zwei der prominenten Wissenschaftlerinnen, die aus diesem Grund Fernerkundung einsetzen. Wasserqualitätsindikatoren wie die Secchi-Tiefe, die Chlorophylldichte und der Gesamtphosphorgehalt