mini|Manuelle Fernerkundung mit Luftbildern von Hamburg (1943)
Der Begriff Fernerkundung bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt zugängliche Objekte durch Messung und Interpretation der von ihnen ausgehenden oder reflektierten elektromagnetischen oder Schallwellen.
Im Gegensatz zu anderen Erfassungsmethoden, welche einen direkten Zugang zum Untersuchungs- oder Beobachtungsobjekt erfordern, versteht man unter Fernerkundung die berührungsfreie Erkundung der Erdoberfläche einschließlich der Erdatmosphäre. Dies wird beispielsweise durch Flugzeug- oder Satelliten-getragene Sensoren ermöglicht (Fernerkundungssensoren wie Kameras oder Scanner). Vereinzelt kommen aber auch Drohnen oder Ballons als Plattform zum Einsatz. Der Fernerkundung zugeordnet sind Photogrammetrie und Satellitengeodäsie. Dagegen sind Planetologie und Astronomie nicht der Fernerkundung zugeordnet, obwohl auch hier Fernerkundungssensoren zum Einsatz kommen.
Bei der Fernerkundung finden passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können. Passive Systeme zeichnen die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung auf (zum Beispiel Multispektralkamera) sowie die von der Erdoberfläche emittierte Eigenstrahlung (zum Beispiel Wärmebildkamera). Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflektierte Anteile (zum Beispiel Radarsysteme und Laseraltimeter).
Fernerkundungsdaten sind insbesondere in den Geowissenschaften, Geographie, den Umweltwissenschaften und der Geophysik von großer Bedeutung, da eine globale Beobachtung der Erdoberfläche und -atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung nur mit Hilfe von Fernerkundungssensoren möglich ist. Neben dem synoptischen Überblick über große Räume ermöglichen satellitengestützte Fernerkundungssensoren zudem eine wiederholte (zum Teil tägliche) Abdeckung ein und desselben Gebiets. Zudem bieten Fernerkundungsdaten gegenüber Vor-Ort-Messungen insbesondere bei schwer zugänglichen Gebieten der Erdoberfläche Vorteile. Eine hohe Aktualität und Kontinuität der Messwerte kann erreicht werden.
Geschichte mini|Historische Luftbildkamera (ca. 1950)
Die Fernerkundung hat ihre Ursprünge in der militärischen Aufklärung. Von einem meist hochgelegenen Punkt (Berg) versuchte man die Bewegungen des Gegners zu beobachten. Mit Beginn der Luftfahrt änderte sich die Darstellung von der Perspektive in eine Draufsicht von oben. Anfangs dienten dazu noch Fesselballone mit menschlichen Beobachtern und Zeichenblock, später Flugzeuge mit Luftbildkameras. Die Luftbildfotografie konnte relativ früh ausgewertet werden, allerdings war das Ergebnis immer stark abhängig vom Auswerter. Die heute mit Satellitenplattformen und diversen Bildaufzeichnungsgeräten und Spektralabtastern gewonnenen Daten können mit Computersystemen be- und verarbeitet werden (digitale Bildverarbeitung). Diese automatisierte und systematische Auswertung wurde ab den 1990er Jahren verbessert. Trotzdem bleibt auch heute noch die visuelle Bildinterpretation wichtig.
Während zunächst eine Status-quo-Erfassungen der Erdoberfläche (Kartierung) etabliert hatte, wird seit den 1990er Jahren zunehmend auch die Erfassung von Veränderungen (Monitoring) vorangetrieben.
Die Spannbreite für die Verwendung von Fernerkundungsdaten reicht von Ressourcenmanagement in Land- und Forstwirtschaft sowie Fischerei (z. B. Landnutzungsinventuren, Erntevorhersagen) über die Gewinnung von Umweltinformationen (z. B. Luft- und Gewässerverunreinigungen, Erosion, Desertifikation), Planung und Stadtentwicklung (Kartierung von Siedlungsgebieten etc.) und Katastrophenmanagement (Copernicus u. a.) bis zur Erkundung von Rohstoff- und Wasservorkommen.
Fernerkundungssensoren In der Fernerkundung finden sowohl passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können.
Die gebräuchlichsten Sensortypen sind: Multispektralkamera Thermalbildkameras Radarsysteme Hyperspektralsensoren Mikrowellenradiometer Laseraltimeter Interferometer Luftbildkamera
Fernerkundungssatelliten Es befinden sich eine Vielzahl von Satelliten in der Erdumlaufbahn. Je nach Aufgabengebiet werden diese auch in Umweltsatelliten und Wettersatelliten unterteilt; die Übergänge zwischen beiden Kategorien sind jedoch fließend.
Die wichtigsten staatlichen und kommerziellen Erdbeobachtungssatelliten bzw. Satellitenprogramme sind (halb)staatlich: Copernicus (ESA, Europa) Envisat, (ESA, Europa) ERS, (ESA, Europa) Landsat, (NASA, USA) SPOT, (CNES, Frankreich) IRS, (ISRO, Indien) Earth Observing System (EOS), (NASA, USA), u. a. Terra und Aqua TerraSAR-X, (DLR, Deutschland) TanDEM-X, (DLR, Deutschland) Sentinel, (ESA, Europa) kommerziell: DigitalGlobe (4 WorldView, GeoEye-1) Airbus Defence and Space (SPOT 6 & 7, 2 Pléiades), 15. September 2016 Planet Labs mit Terra Bella (87 Dove-Kleinsatelliten, 5 RapidEye, 5 SkySat) BlackSky Global (Pathfinder-1 und -2)
Die Liste von Erdbeobachtungssatelliten listet viele weitere Satelliten auf. Die aufgeführten Satelliten haben unterschiedlichste spektrale, räumliche, zeitliche, optische und radiometrische Auflösungen.
Einsatzgebiete Entsprechend der Vielfalt des Lebensraums Erde, ist auch das Einsatzgebiet der modernen Fernerkundung sehr weit gefächert. Durch die einzigartige Möglichkeit, auch große Gebiete in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erfassen, wird die Fernerkundung in sehr vielen Disziplinen eingesetzt.
Geowissenschaften, Geographie, Kartografie und Geodäsie Höhenrelief und Wasserwege Geologie (Gesteinstypen, Lagerstätten) Landbedeckung, Landnutzung und Landmanagement Urbanisierung (Ausbreitung der Städte) Forstwirtschaft (Inventarisierungen, Holzpotentialabschätzungen, Waldschadenskartierung, Wegebauplanungen etc.) Landwirtschaft (Erntevorhersagen, Anbauflächen, Überprüfung von subventionierten Brachflächen, precision farming etc.) Vegetationsphänologie (Aspektfolge) Katastrophenschutz Waldbrände (Ausmaß der Zerstörung) Vulkanausbrüche (Vorhersage und Überwachung) Erdbeben (Höhenänderung) Dürremonitoring Umweltverschmutzung (Öleinleitung auf den Weltmeeren) Klimatologie, Meteorologie und Ozeanographie Wettervorhersage Klimaüberwachung Seegangsmessung (Oberflächenwellen, Strömung) Atmosphärenphysik und -chemie Spurengase, Wolken, Aerosole Temperatur, Luftdruck Strahlungshaushalt, Strahlungsbudget Überwachung von Emissionen, z. B. Kohlendioxid Archäologie Archäologische Flugprospektion Rüstungskontrolle Verifikation von Abrüstungsvereinbarungen Menschenrechte Vorher-Nachher-Vergleich großflächiger Zerstörungen
Einteilung und Untergliederung Nach Anwendungsbereich Fernerkundungsdaten kommen in vielen geowissenschaftlichen Disziplinen zur Anwendung. Entsprechend wird die Fernerkundung weiter unterteilt.
Untergliederung der Fernerkundung nach Anwendungsbereich
Bodenkundliche Fernerkundung Landwirtschaftliche Fernerkundung Botanisch/vegetationskundliche Fernerkundung Forstwirtschaftliche Fernerkundung Geologische Fernerkundung/Photogeologie Hydrologische Fernerkundung Ozeanographische Fernerkundung Limnologische Fernerkundung Urbane Fernerkundung/Stadtfernerkundung Umweltfernerkundung (fernerkundliches Umweltmonitoring) Klimatologisch/meteorologische Fernerkundung Atmosphärische Fernerkundung Archäologische Fernerkundung/Luftbildarchäologie Geodätische Fernerkundung/Satellitengeodäsie Photogrammetrie
Nach Messverfahren Fernerkundungsdaten werden in den verschiedensten Wellenlängenbereichen und mit unterschiedlichen Messmethoden erhoben. Entsprechend lässt sich die Fernerkundung weiter untergliedern.
Untergliederung der Fernerkundung nach Messverfahren
Photogrammetrie und Luftbildmessung Spektrale Fernerkundung in optischen Wellenlängenbereichen (UV, VIS, IR). Bei der Fernerkundung von fein verästelten Wasserflächen wird ausgenutzt, dass diese sich in spiegelnder Reflexion stark von Landflächen abhebt, was die spektrale Auswertung selbst dann erlaubt, wenn die Bildauflösung nicht ausreicht, um den Uferverlauf aufzulösen. Passive Mikrowellenfernerkundung, Radiometrie Aktive Mikrowellenfernerkundung (Radar) Laseraltimetrie Interferometrie (Radarinterferometrie)
Nach Auswerteverfahren Zur Bereitstellung flächendifferenzierter Geodaten werden Fernerkundungsdaten mit unterschiedlichen Auswerteverfahren weiterverarbeitet. Je nach gewähltem Auswerteverfahren kann die Fernerkundung weiter untergliedert werden.
Untergliederung der Fernerkundung nach Auswerteverfahren
Fernerkundliche Klassifizierung und Segmentierung Fernerkundliche Zeitreihenanalyse Empirisch-statistische (chemometrische) Analyse von Fernerkundungsdaten Fernerkundliche Strahlungstransfermodellierung Fernerkundliche Modellinversion (Inversion von Strahlungstransfermodellen) Assimilation von Fernerkundungsdaten in prozessorientierte (dynamische) Modelle Fernerkundliche Entmischungsverfahren Fernerkundliche Veränderungsdetektion (engl. Change detection) Bildspektroskopie Luftbildinterpretation und visuelle Interpretation von Fernerkundungsdaten Luftbildmessung und photogrammetrische Verfahren (Stereophotogrammetrie)
Methoden In der Analyse von analogen und digitalen Fernerkundungsdaten kommen eine Vielzahl von Methoden und Verfahren zur Anwendung, die nachfolgend stichwortartig aufgeführt sind. Hinzu kommen geowissenschaftliche Arbeitsschritte, die mit der Erfassung von Referenzmessungen im Gelände zusammenhängen (nicht aufgeführt). Aus der Aufzählung wird deutlich, in welch starkem Maße die Fernerkundung eine methodische Wissenschaft ist.
Methoden der digitalen Bildverarbeitung Datenaufbereitung für visuelle Interpretationen (u. a., Kontrastspreizung, Farbsättigung) Transformationen des Farbraumes Merkmalsextraktion und Mustererkennung Überwachte und unüberwachte Klassifizierungs- und Segmentierungsverfahren (u. a., Clusterverfahren, Maximum-Likelihood-Klassifikator, Support Vector Machine, Kohonennetze) Geometrische Korrekturen, geometrische Rektifizierung und Entzerrung Radiometrische und atmosphärische Korrekturen Filterverfahren im Orts- und Frequenzbereich (u. a., Fourieranalyse) Texturanalyse Statistische und Chemometrische Verfahren Regressionsanalyse multiple und schrittweise multiple Regression Partielle Kleinste-Quadrate-Schätzung Hauptkomponentenregression ( Principal Component Regression, kurz: PCR) Diskriminanzanalyse Statistische Versuchsplanung ( design of experiments) Geostatistische Verfahren Interpolationsverfahren (u. a., Kriging und Co-Kriging) Verfahren der Zeitreihenanalyse und Signalverarbeitung Trendanalyse Fernerkundliche Veränderungsdetektion/change detection Verfahren zur Filterung von Zeitreihen (u. a., Maximum Value Compositing und Savitzky-Golay Filter, Splines) Lernende Verfahren und Verfahren der Künstlichen Intelligenz Künstliche neuronale Netze Genetische Algorithmen Optimierungsverfahren Strahlungstransfermodellierung und Mathematische Modellierung Entwicklung von physikalisch basierten Strahlungstransfermodellen Inversion von Strahlungstransfermodellen Spektrale Entmischungsverfahren ( spectral unmixing) Sensitivitätsanalyse Computersimulation Assimilationsverfahren Kalman-Filter Rekalibrierungs- und Reinitialisierungsverfahren von dynamischen Prozessmodellen Verfahren der Geoinformatik GIS Analysen (u. a., Verschneidungen, Buffering, Topologieanalysen) Morphologische Bildverarbeitung Data-Mining Labor- und Geländespektroskopie Spektroskopische Messungen Verfahren der visuellen Bildinterpretation Bildansprache Texturansprache Bildinterpretation Stereobildinterpretation Photogrammetrische Verfahren Bildmessung Stereophotogrammetrie
Didaktik