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meMethoden der Fernerkundung
Vorlesung für geographischen StudiengängeModul MNF-Geogr. 14Aktive Aufnahmesysteme
Prof. Dr. Natascha Oppelt
Arbeitsgruppe Fernerkundung & UmweltmodellierungGeographisches Institut Christian-Albrechts-Universität zu Kieloppelt@geographie.uni-kiel.de
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Aktive Aufnahmesysteme
Aktive Systeme erzeugen elektromagnetische Strahlung, die
1. Von einem Sensor zur Erdoberfläche (von der Atmosphäreweitgehend unbeeinflusst) transmittiert wird,
2. dort mit der Erdoberfläche interagiert und einen Teil der EMS streut;
3. der gestreute Anteil der EMS wird vom Sensor empfangen.
Keine Abhängigkeit von natürlichenStrahlungsquellen (Sonne, Erde)
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1. RADAR
- Funktionsweise
- Bildgeometrie
- Bildradiometrie
2. Weitere aktive Systeme
- Lidar
- Sonar
(Quelle: Elachi & Zyl 2006)
Aktive Aufnahmesysteme
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1. RADAR (RAdio Detection And Ranging)
Funktionsweise
− Basiert auf der Transmission von Mikrowellen (1 – 100cm)
RADAR
Bildgebende Verfahren(aus empfangener EMS kann
Bild berechnet werden)
z.B. - Wetterradar- SAR, SLAR
Nicht-bildgebende Verfahren(Messergebnis als reiner Zahlenwert)
z.B. - Radar-Altimeter- Geschwindigkeitsmesser
Aktive Aufnahmesysteme
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Verwendete Kanäle = Bänder
Wellenlängen in cm bzw. Frequenzen in GHz
Benennung ursprünglich aus WW2
Band P L S C X Ka
λ [cm] 60-100 15 - 30 10-15 3.7 – 7.5 2 – 4.5 0.7 – 2
ν [GHz] 0.2 – 0.5 1 - 2 2-4 4 - 8 7 – 12 30 - 40
Erklärung Previous Long Short Compromise
X marks theSpot Kurz
Nutzung
Vegetation, Gletscher-
und Meereis(Flugzeug)
Eis und Schnee, Bodenfeuchte, Ozeanographie,
Geologie, Landnutzung
(Satellit, Flugzeug)
NS,Flughafen-
überwa-chung
Eis- und Schnee, Geländemodelle,
Wald, Bewegungen der
Erdoberfläche (Satellit,
Flugzeug)
Interferometrie,Biomassenab-
schätzung Wald (Flugzeug)
Wolken (Flugzeug)
Radar - Funktionsweise
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Ursprüngliche System = (real aperture) Side Looking Airborne Radar (SLAR)
(Quelle: Jensen 2008)
Radar - Funktionsweise
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Azimuth = Flugrichtung
Range = Blickrichtung (near und far)
Depression angle [γ] = Depressionswinkel
Incidence angle [θ] = Einfallswinkel
Radar Nomenklatur
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Zuerst Auftreffen der EMS im near range, zeitlich später im far range
Aus räumlichen Nebeneinander wird zeitliches Nacheinander
Radar Funktionsweise
(Quelle: Albertz 2001)
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(Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)
Auswertung von:
Laufzeiten
Amplitude des Echos
Radar Funktionsweise
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Radarecho (Intensität) wiedergegeben in Grautönen
Andere steuernde Faktoren als in der Optik
(Links: Landsat TM Echtfarbendarstellung Raum Weilheim 8. Juli 1995;
Rechts: ERS-1 Szene )
Was sieht man?
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Fundament der RADAR-Fernerkundung
43
22
)4( rGPP t
r ⋅⋅⋅⋅
=π
λσPr Rückgestreute EMSPt Ausgesandter RADAR-ImpulsG Antennen-Gainr Distanz Sender– Targetσ Effektive Rückstreuung
Gesuchter Parameter = Effektive Ruckstreuung pro Fläche an der Erdoberfläche a
Rückstreukoeffizient σ (radar backscatter coefficient)
Zur Antenne zurückgestreute EMS in Prozent
aσσ =0
Was sieht man? Radargleichung
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Parameter, die die Rückstreuung σ steuern:
Eigenschaften des Aufnahmesystems: − Wellenlänge− Polarisation
Objekteigenschaften: − Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form− Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)
© Jet Propulsion Laboratory
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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge
C-Band
L-Band(Quelle: rsc nasa 2007)
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Wellenlänge
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
SIR C/X-SAR Bildausschnitt aus Brasilien, 10.04.1994
(Quelle: Jensen 2008)
X-Band
C-Band
L-Band
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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation
Vergleichbar mit der Verwendung von Polarisationsfiltern in der Fotographie:
(Quelle: Jensen 2008)
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Polarisation
Folgende Polarisationen sind möglich:
Vertikal polarisierte EMS wird gesendet und empfangen (VV)
Horizontal polarisierte EMS wird gesendet und empfangen (HH)
Vertikal polarisierte EMS wird gesendet, horizontal polarisierte EMS wird empfangen (VH) = Kreuzpolarisation
Horizontal polarisierte EMS wird gesendet, vertikal polarisierte empfangen (HV) = Kreuzpolarisation
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Parameter, die die Rückstreuung steuern:
Eigenschaften des Aufnahmesystems: − Wellenlänge− Polarisation
Objekteigenschaften:
− Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form
− Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften des Aufnahmesystems: Oberflächenrauigkeit
Die Wellenlänge des gesendeten Impulses bestimmt die relative Oberflächenrauigkeit der Zielfläche!
Rauigkeit << Wellenlänge Spiegelnde Reflexion
Rauigkeit ≥ Wellenlänge Diffuse Reflexion
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
(Quelle: Albertz 2001)
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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit
Spiegelnde Reflexion an einer glatten Oberfläche Diffuse Reflexion an einer rauen Oberfläche
(Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)
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Modifizierte Rayleigh Kriterien
Eine Oberfläche ist glatt, wenn
Eine Oberfläche ist rau, wenn
z.B. bei einem Depressionswinkel von 23° (= 0.401 rad)
X-Band (λ = 2.5 cm) hglatt < 0.26 cm; hrau = 1.45 cm
L-Band (λ = 25 cm) hglatt < 2.56 cm; hrau = 14.55 cm
Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit
γλsin25
<h
h Höhenunterschied [cm]λ Wellenlänge [cm]γ Depression Angle [°]
γλsin4.4
>h
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenrauigkeit
z.B. Wellenlänge 3 cm, Depressionswinkel = 45°
(Quelle: Jensen 2008)
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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RADAR Streuung ist eine Kombination aus Oberflächen–und Volumenstreuung
EMS dringt in die Erd- bzw. Vegetationsoberfläche ein
Eindringtiefen unterschiedlich (wellenlängenabhängig)
Süßwasser: 10tel mm – einige cmReines Eis: 1m - 100mMeereis: einige cm - etwa 1mTrockener Boden: wenige cm - wenige mFeuchter Boden: wenige mm - einige cmVegetation: bis mehrere m
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenstruktur
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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenstruktur vs Eindringtiefe
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenform
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
(Quelle: Lillesand & Kiefer 1996)
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RADAR-Impulse „beleuchten“ die Erdoberfläche rechtwinklig zur Flugrichtung
Orthogonal zur Flugrichtung verlau-fende Objekte werden deutlicher abgebildet als parallel zur Flug-richtung verlaufende
Linear verlaufende Objekte können in einem RADAR-Bild dunkel erschei-nen, in einem anderen (andere Flugrichtung) aber hell abgebildet werden
a.
b.look direction
X - band, HH polarization look direction
sX - band, HH polarization(Quelle: Jensen 2008)
Eigenschaften der Erdoberfläche: Oberflächenform
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Parameter, die die Rückstreuung steuern:
Eigenschaften des Aufnahmesystems: − Wellenlänge− Polarisation
Objekteigenschaften:
− Oberflächenrauigkeit, -struktur, -form
− Elektrische Leitfähigkeit (dielektrische Eigenschaften)
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
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Eigenschaften der Erdoberfläche: Dielektrische Eigenschaften
Wichtigster Parameter = Dielektrizitätskonstante ε
Grundsatz: Je größer die ε,desto mehr Rückstreuung
Trockene, natürliche Materialien (z.B. Boden) ε = 3-8
Im Bild dunkel
Feuchter Boden ε = 20-30
Wasser ε = 80
aber, Effekt konkurriert mit glatter Oberfläche
Steuernde Faktoren der Rückstreuung
© FAOC-Band SAR Experimental station (Phoenix, AZ)
SEASAT Los Angeles © USGS
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1. RADAR
- Funktionsweise
- Bildgeometrie
- Bildradiometrie
2. Weitere aktive Systeme
- Lidar
- Sonar (Quelle: Elachi & Zyl 2006)
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Geometrische Auflösung im Rohdatenbild (Slant Range Image)Unterschied zwischen Slant Range und Ground Range Distance
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Bei Schrägsicht: Geometrische Auflösung in Senderichtung (Slant Range Resolution SRR)
Je länger die Impulsdauer, umso schlechter ist die SlantRange Auflösung
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Geometrische Auflösung im Slant Range Bild
Trennung der Objekte A und B nur möglich, wenn die RADAR-Keule vollständig an A vorbei ist, bevor sie Objekt B erreicht
SRR möglichst klein
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Umrechnung der Slant Range Geometrie in eine Kartenprojektion
Ground Range Geometrie (Ground Range Resolution GRR)
GRR wird mit wachsender Entfernung vom Sensor besser (aber keine lineare Beziehung)!
Kein Nadirbild möglich
Radar Bildgeometrie
²²
²²²
HSRRGRR
GRRHSRR
−==>
+=
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Berechnung der GRR
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Die Azimuth Auflösung AR abhängig vom Öffnungswinkel des RADAR-Strahls (β) und der Ground Range Distance (GRD)
Berechnung der geometrischen Auflösung in Azimut-Richtung
Azimuth-Auflösung ist im Nahbereich besser!
Radar Bildgeometrie