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Fernerkundung - Beispiele aus der Praxis


 



Was ist Fernerkundung?


Fernerkundung ist das berührungsfreie Erkunden oder Vermessen entfernter Objekte. Ohne Fernerkundung wäre beispielsweise die Erforschung von Planeten oder anderen Himmelskörper nicht möglich. Aber auch für die Erdbeobachtung werden bereits seit einigen Jahrzehnten Fernerkundungsverfahren eingesetzt. Mit der Fernerkundung der Erde entstand die Möglichkeit, schnell und flächendeckend Informationen über unseren Planeten zu gewinnen.

Die Aufzeichnung der Daten erfolgt durch Sensoren, die auf Satelliten oder Luftfahrzeugen montiert sind. Bei den aufgezeichneten Informationen handelt es sich of um Bilddaten. Die meisten Verfahren verwenden Licht oder Radarwellen. Werden Radarwellen verwendet, können Fernerkundungsbilder der Erdoberfläche auch nachts oder bei Bewölkung aufgezeichnet werden. Die Anwendungsfelder der Fernerkundung sind äußerst vielfältig. Einige Beispiele werden im Folgenden vorgestellt.


TerraSAR-X_TanDEM-X

Die Satelliten TerraSAR-X und TanDEM-X im Formationsflug (Flughöhe ca. 500 km).


Sentinel-1_Goldene_Aue

Aufnahme des Sentinel-1 Satelliten über Thüringen (Südharz, Goldene Aue). Das Gebiet wird dominiert von landwirtschaftlichen Nutzflächen, die farbig hervortreten. Diese Farbeffekte ergeben sich aus den verschiedenen Zuständen der Oberfläche zu den drei Aufnahmezeitpunkten.



Beispiele

Satellitengestützte Vermessung von Hebungs- und Senkungsprozessen

Radaraufnahmen und insbesondere die spezielle Messtechnik der Interferometrie ermöglichen es, die Geländetopographie sowie Veränderungen der Erdoberfläche mit extrem hoher Genauigkeit zu vermessen. So lassen sich etwa ungewöhnliche Verformungen der Erdkruste bzw. Erdoberfläche aufspüren, die durch Erdbeben, Massenbewegungen wie Lawinen und Bergstürze oder andere Naturereignisse verursacht wurden.

Auch für Thüringen ist die Radarinterferometrie von großer Bedeutung: So gibt es in Thüringen zahlreiche Gebiete, die durch Subrosion gefährdet sind. Subrosion bezeichnet die unterirdische Ausspülung und Lösung von Gesteinen durch Wasser, vor allem die Auslaugung von Salzgesteinen. Erdfälle und Erdeinsenkungen sind die Folge.

Subsidenz_Sondershausen

Dank Radarinterferometrie können solche Gebiete besser überwacht werden, wie das Bild am Beispiel von Sondershausen veranschaulicht. Die Karten wurden aus mehreren Radaraufnahmen aus den Jahren 1995 bis 2010 erstellt und zeigen die Senkungsraten im Gebiet der Stadt Sondershausen für den jeweiligen Zeitraum. Hauptursache der Erdabsenkungen ist das Salzbergwerk, das zum Teil direkt unter der Stadt liegt.

Der jahreszeitliche Wandel  aus dem Weltraum

Erdbeobachtungssatelliten kartieren die Entwicklung der Pflanzen im Laufe des Kalenderjahres in Abhängigkeit von Witterung, Klima und Landnutzung - die so genannte Phänologie. Tägliche Aufnahmen der NASA Erdbeobachtungssatelliten TERRA und AQUA liefern ein detailliertes Bild der Vegetationsdynamik Thüringens. Auf dem aus 14 Jahren Bilddaten basierenden Falschfarbenbild zeichnen sich die verschiedenen Naturräume und Landnutzungen des Freistaats ab.  

Thueringen_Phaenologie

Rote Bereiche stehen für eine hohe und ganzjährige Nettoprimärproduktion der Vegetation (z. B. Thüringer Wald). Die abgegrenzten blauen Flächen stehen für laubholzdominierte Naturräume und Grünland (z.B. Laub- und Mischwälder im Hainich), welche sich durch einen ausgeprägten phänologischen Jahresgang der Vegetation auszeichnen. Grüne Flächen deuten auf sehr starke interannuelle Schwankungen und hohe Produktionsraten der Vegetation hin. Deutlich hebt sich das durch intensive ackerbauliche Nutzung geprägte Thüringer Becken von den Mittelgebirgslandschaften ab. Dunkle Flächen deuten auf eine sehr geringe Pflanzenaktivität hin. Somit geben die Städte in Thüringen gute Orientierungspunkte auf dem Satellitenbild.

Messung von Waldeigenschaften mittels Drohnendaten

Bei einem Drohnenflug werden mehrere hundert Einzelbilder aufgezeichnet. Diese Einzelbilder haben eine Überlappung von ca. 80 %. Dadurch werden alle überflogenen Objekte aus mehreren Blickwinkeln aufgezeichnet, was die Ableitung von dreidimensionalen Punktwolken ermöglicht.

Drohnendaten_Roda-Wald

Diese Punktwolken bilden die 3D-Struktur des überflogenen Gebietes virtuell ab. Anhand dieser Daten lässt sich beispielsweise Wald vermessen. Es können Waldparameter wie Baumhöhe, Kronenschlussdichte, Baumart, Baumdichte oder Holzvorrat abgeleitet werden. Diese Parameter sind zum einen für die Forstwirtschaft von großem Interesse. Zum anderen bilden sie für die Jenaer Wissenschaftler die Datengrundlage zur Kalibrierung von Modellen, die die Ableitung von Waldparametern aus satellitenbasierten Radardaten ermöglichen sollen.


Waldvermessung mit Terrestrischem Laserscanning (TLS)

Eine weltweite Abschätzung der Waldbiomasse ist nur mit Hilfe von Satelliten möglich. Dazu bedarf es aber bodengestützter Validierungs-messungen. Diese werden u.a. im Staatsforst bei Trockenborn mit einem terrestrischen Laserscanner  (TLS) durchgeführt.

TLS_Roda-Wald

Das Bild zeigt einen Ausschnitt der mit dem TLS erstellten Punktwolke aus der Perspektive. Allerdings ist der Aufwand für TLS-Vermessungen immens. Deshalb ist für eine landesweite Erfassung der Biomasse in den Wäldern Thüringens eine Kombination mit lokalen Befliegungen (z.B. Drohnen) und übergreifenden Satellitenbildern notwendig.


Die Morphologie der Landeshauptstadt

Die genaue Erfassung von Gebäuden und Gebäudestrukturen ist essentieller Bestandteil einer nachhaltigen Stadtplanung. Mittels Erdbeobachtungsdaten lassen sich solche Informationen flächen-deckend ableiten. Am Beispiel der Stadt Erfurt wurde eine Gebäudemaske erstellt, welche auf Farbbildern des Umweltsatelliten WorldView-2 und Daten einer Laserscanning-Befliegung durch das Thüringer Landesamt für Vermessung und Geoinformation basiert.


Morphologie_Erfurt



Landbedeckung und Landoberflächentemperaturen der Stadt Erfurt

An einem heißen Sommertag, mit Lufttemperaturen über 30° C, wird der Effekt der urbanen Wärmeinseln besonders deutlich. Hotspots bilden sich hauptsächlich dort aus, wo viel versiegelte Fläche und dichte Bebauung vorherrscht. Insbesondere das Stadtzentrum sowie Gewerbeflächen weisen erhöhte Oberflächentemperaturen auf. Im Gegensatz dazu tragen natürliche Landbedeckungen wie Wiesen, Wälder und Gewässer zur Abkühlung der Erdoberfläche bei und mildern somit den durch künstliche Oberflächen geschaffenen Hitzestress.

Waermeinsel_Erfurt

Im oberen Bildteil ist die Landbedeckung Erfurts anhand sechs grundlegender Klassen dargestellt (brache Ackerflächen, Wiesen/Weiden, Gewässer, Wälder sowie versiegelte Flächen und Gebäude). Im unteren Bereich ist die berechnete Landoberflächentemperatur des thermalen Kanals einer Landsat-8 Szene abgebildet (Aufnahmezeitpunkt: 19.07.2014 - 10.09 Uhr).


Hochwassererkennung per Satellit

Hochwasser_Elbe

Die Fernerkundung kann natürliche Ereignisse nicht verhindern, aber mögliche Katastrophen können durch Fernerkundung überwacht werden, um Verluste zu minimieren wie z. B. während eines Hochwassers. Das Hochwasser vom August 2002 betraf Sachsen und Sachsen-Anhalt in Deutschland am schwersten. Entlang der Elbe kam es zu 21 Deichbrüchen und nachfolgender Überschwemmung von einer Fläche von mehr als 300 km² (Internationale Kommission zum Schutz der Elbe, 2004). Die Aufnahmen zeigen das Hochwasser vom August 2002, aufgenommen vom Landsat-7 Satelliten (links), und die Region bei normalem Wasserstand mit Landsat-5 (rechts). Die blauen und schwarzen Regionen repräsentieren Wasser, Vegetation ist grün dargestellt und rosa Bereiche sind vegetationslos.


Kartierung der Waldbiomasse auf der Nordhalbkugel

Die Landflächen unserer Erde sind zu gut einem Drittel von Waldflächen bedeckt. Dabei spielen die borealen Wälder der Nordhalbkugel eine wichtige Rolle im Klimasystem. Da Wälder der Atmosphäre Kohlenstoffdioxid (CO₂) entziehen, spielt die Kartierung der Waldbiomasse eine wichtige Rolle, um den globalen Kohlenstoffkreislauf besser zu verstehen und in Zukunft genauere Klimaprognosen erstellen zu können. Genaue Messungen des Holzvorrates und der Größe des Kohlenstoffspeichers sind mit herkömmlichen Methoden der Forstinventur aufgrund der enormen Flächenausdehnung nicht zu erreichen. Hier kann die Fernerkundung mit Radarsatelliten wertvolle Dienste leisten.

Waldbiomasse_Nordhemisphaere

Die Karte zeigt den Holzvorrat, gemessen in Kubikmeter pro Hektar. Für diese Karte ca. 70.000 Radar-bilder aus dem Zeitraum Oktober 2009 bis Februar 2011 verarbeitet. Spezielle Auswertealgorithmen wandeln die Satellitenbilder in eine thematische Karte des Holzvorrates um.