Grundlagen der Fernerkundung

Unter Fernerkundung versteht man grundsätzlich einen Informationsgewinn über Objekteigen-schaften, ohne mit diesen Objekten in direkten Kontakt zu treten. Nach HILDEBRANDT (1996) kann Fernerkundung daher wie folgt definiert werden: „Fernerkundung im umfassenden Sinne ist die Aufnahme oder Messung von Objekten, ohne mit diesen in körperlich Kontakt zu treten, und die Auswertung dabei gewonnener Daten oder Bilder zur Gewinnung quantitativer und qualitativer Informationen über deren Vorkommen, Zustand oder Zustandsänderung und ggf. deren natürlichen und sozialen Beziehungen zueinander.“ (HILDEBRANDT; 1996:1) Der Informationsgewinn erfolgt mit Hilfe von Fernerkundungssensoren, die sich an Bord des Satelliten befinden. Als Informations-träger dienen physikalische Wellen der elektromagnetischen Strahlung, die sich zwischen dem zu untersuchenden Objekt und dem Sensor in Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. In Abhängigkeit von der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung wird diese von den Objekten reflektiert, emit-tiert bzw. absorbiert. Infolgedessen werden die verschiedenen Eigenschaften der Objekte, wie z.B.

unterschiedliche Oberflächenstrukturen, in den Aufnahmen des Sensors abgebildet und können mittels geeigneter Auswertungsverfahren für den Anwender in nutzbare Informationen umgewan-delt werden. (LÖFFLER, 1994: 22ff)

Die elektromagnetische Strahlung erstreckt sich über ein breites Spektrum, welches in verschiedene Bereiche gegliedert wird.(vgl. Abbildung 2) Die Grundlage dieser Einteilung beruht auf der Art der Entstehung sowie der Wirkung der Strahlung. Ebenfalls zeigt Abbildung 2, daß die Grenzen der verschiedenen Spektralbereiche fließend ineinander übergehen. Die Trennung der einzelnen Spek-tralbereiche erfolgt auf der Basis der Wellenlänge λ und der Frequenz f. (ALBERTZ, 1999: 9ff, LÖFFLER, 1994: 17ff)

Abbildung 2:Das elektromagnetische Spektrum Quelle: LÖFFLER, 1994:18

Für die Fernerkundung ist nur ein bestimmter Teil des gesamten Spektrums von Interesse. Dieser setzt sich aus dem Bereich des sichtbaren und des infraroten Lichts sowie dem Bereich der Mikro-wellen zusammen. Ferner unterscheidet man zwischen natürlicher und künstlicher elektromagneti-scher Strahlung. Quellen der natürlichen Strahlung sind die Sonne und die Erde, da sie aufgrund ihrer Temperatur ein konstantes Spektrum verbreiten. Infolge der höheren Strahlungsenergie der Sonne, befindet sich ihr Strahlungsmaximum bei ca. 480 nm und somit im Bereich des sichtbaren Lichts, wohingegen das Maximum der Erde bei 10 µm, und somit im Bereich des thermalen Infra-rot liegt. Aufgrund der natürlichen Quellen der elektromagnetischen Strahlung wird dieser Bereich der Fernerkundung auch als passive Fernerkundung bezeichnet. Dem gegenüber steht die aktive Fernerkundung, bei der die elektromagnetische Strahlung künstlich erzeugt wird. Das wesentliche Charakteristikum der aktiven Systeme liegt in der gleichzeitigen Funktion als Sender der Strahlung und Empfänger der Information. Als Beispiel kann die Radarfernerkundung dienen, bei der die Mikrowellen über eine Antenne ausgestrahlt und die von der Erdoberfläche zurückgesandten In-formationen aufgenommen werden.

In der vorliegenden Arbeit wurden Fernerkundungsdaten aus dem Spektralbereich des reflektierten Sonnenlichtes verwendet. Diese Spektralbereiche umfassen den Bereich des sichtbaren und infra-roten Lichtes und werden in der Fernerkundung unter dem Begriff „Optischer Bereich“ zusammen-gefaßt. Im Gegensatz zum Optischen Bereich, liegt der Vorteil des Mikrowellenbereiches in einer höheren Einsatzmöglichkeit. Mit Mikrowellen sind Aufnahmen auch bei Dunkelheit, Regen und Bewölkung möglich, woraus sich eine höhere zeitliche Verfügbarkeit der Daten ergibt. Der Vorteil

Theoretische Grundlagen

des optischen Bereiches besteht dagegen in einer wesentlich detaillierteren Differenzierung unter-schiedlicher Landbedeckungen. (ALBERTZ, 1991:44ff, LILLESAND & KIEFER, 2000: 677ff;

LÖFFLER, 1994: 43ff&76ff)

Abbildung 3 (LILLESAND & KIEFER 2000: 17) zeigt am Beispiel der drei Oberflächenbedeckungen Boden, Vegetation und Wasser, daß verschiedene Oberflächen ein unterschiedliches spektrales Verhalten aufweisen, und daß sich das Reflexionsverhalten je nach Wellenlängenbereich ändert.

Das Refelexionsverhalten der Vegetation wird im Spektralbereich des Sichtbaren Lichtes im we-sentlichen durch die Blattpigmente beeinflußt. Bei etwa 7 µm, am Übergang vom sichtbaren Be-reich zum nahen Infrarot, steigt die Reflexion der Vegetation an, und beträgt im Mittel zwischen 40 und 50%. Hervorgerufen wird dieser Anstieg hauptsächlich durch die Blattzellstruktur. Da diese Struktur bei verschiedenen Pflanzenarten variiert, können in diesem Wellenlängenbereich anhand der gemessenen Reflexion, Pflanzenarten unterschieden werden. (Lillesand & Kiefer, 2000: 17ff) Ab 1.3 µm bestimmt der Wassergehalt der Pflanze das Reflexionsverhalten, wobei sich die Höhe der Reflexion umgekehrt proportional zum Wassergehalt verhält. Die Eintiefungen in der Reflexi-onskurve bei 1.4 µm, 1.9 µm und 2.7 µm resultieren aus sogenannten Wasserabsorptionsbanden.

Hier erfolgt durch das in den Blätter enthaltene Wasser eine besonders ausgeprägte Absorption. Im Gegensatz zur Vegetation wird das Reflexionsverhalten des Bodens durch die Bodenfeuchtigkeit, die Oberflächenstruktur sowie durch den Gehalt an organischen Substanzen bestimmt. Da sich diese Faktoren nicht bestimmten Spektralbereichen zuordnen lassen, zeigt die Reflexionskurve einen sehr glatten Verlauf. Schließlich reflektieren Wasserflächen nur einen geringen Teil der ein-fallenden Strahlung. Die Stärke der Reflexion ist in erster Linie vom Gehalt an Trübstoffen abhän-gig. Je nach Art und Höhe des Stoffeintrags kann sich die Absorption wesentlich erhöhen. (STRUNZ

& GÜLS, 1999:72) Im Kontrast zu natürlichen Flächen setzen sich anthropogen geschaffene Flä-chen aus einer Vielfalt an unterschiedliFlä-chen Materialien zusammen. Für die Bedachung von Häu-sern können z.B. Tonziegeln, Dachpappe, Teerbeläge, Schiefer, Beton oder Metall eingesetzt wer-den. (COWEN & JENSEN, 1998: 164, WASSERAB, 2000: 20) Darüber hinaus zeichnen sich Städte und Siedlungen durch eine hohe strukturelle Heterogenität aus. Hieraus ergibt sich, je nach dem räumlichen Auflösungsvermögen des Sensors, das Problem der Bildung von Mischsignaturen.

Trotz dieser Eigenschaften ähnelt das spektarle Verhalten von anthropogenen Flächen dem natür-lich anstehender Gesteine. (Lillesand & Kiefer, 2000: 17ff)

Abbildung 3: Kurven der spektalen Reflexion von Vegetation, Boden und Wasser Quelle: Lillesand & Kiefer 2000: 17

Die Fernerkundung stellt insgesamt eine wirkungsvolle Methode zur Gewinnung von Umweltin-formationen dar. Der Vorteil der Fernerkundung gegenüber Kartierungen besteht sowohl in der Aktualität und der globalen Verfügbarkeit der Daten als auch der kostengünstigen Erfassung.

(QUATTROCHI & PELLETIER, 1991: 52) Ferner besteht über die multitemporale Interpretation die Möglichkeit des langfristigen Monitorings von Landschaftsausschnitten. Unter dem Begriff des Landschaftsmonitorings wird ein System von Beobachtungen verstanden, mit dem sowohl der der-zeitige Zustand einer Landschaft beschrieben als auch Veränderungen innerhalb der Landschaft erkannt werden kann. (BASTIAN & SCHREIBER, 1994: 186) Die Analyse historischer Landbedek-kungen stellt hierbei die Basis für den Vergleich mit der heutigen Landschaft dar. Über diesen Ver-gleich sind Aussagen zur Dynamik der Landschaft während eines bestimmten Zeitraumes möglich.

(LAUSCH, 2000: 22, MAAS, 1999:48)

STRUNZ UND GÜLZ (1999) teilen die fernerkundungsgestützten Verfahren zur Erfassung der Land-bedeckung und ihrer Veränderung in die vier Gruppen ein:

ƒ kalibrierte Daten

ƒ transformierte Daten

ƒ klassifizierte Daten

ƒ aus klassifizierten Daten abgeleitete Maßzahlen

Die Einteilung der vier Gruppen beruht auf dem Grad der Prozessierung der Eingangsdaten. Den geringsten Grad der Prozessierung weisen kalibrierte Daten auf. Diese Daten dienen zur Erfassung von Reflexionsunterschieden und werden daher z.B. zur Erfassung von Veränderungen der Refle-xion von Waldgebieten durch Kahlschläge eingesetzt. Zur Gruppe der transformierten Daten zählen alle Vegetationsindizes, die durch arithmetische Verknüpfungen der Spektralkanäle oder deren

Theoretische Grundlagen

linearer Transformation berechnet werden können. (s.a. 6. 3) Klassifizierte Daten zeichnen sich bereits durch einen Grad der Interpretation durch den Bearbeiter aus, da die einzelnen Bildelemente thematischen Klassen zugeordnet werden. (s.a. 7.2) Über den Vergleich mehrere Zeitschnitte be-steht die Möglichkeit, Veränderungen der Landbedeckung zu detektieren. Die Veränderungsanaly-sen auf der Grundlage der ersten drei Prozessierungsstufen basieren auf dem Vergleich einzelner Bildelemente, so daß die räumliche Anordnung der im Bild enthaltenen Information unberücksich-tigt bleibt. Zur Auswertung der strukturellen Information der Fernerkundungsdaten eignen sich verschiedene Maßzahlen, die das räumliche Muster der Landbedeckung quantitativ beschreiben.

Abgeleitet werden diese Maßzahlen aus den klassifizierten Fernerkundungsdaten. (s. 3.2) (STRUNZ

& GÜLS, 1999: 69ff)