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Fernerkundung
Der Begriff Fernerkundung bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt …
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Grundidee und Bedeutung
Fernerkundung bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren, mit denen Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt zugängliche Objekte gewonnen werden. Das geschieht durch Messung und Interpretation von elektromagnetischen Wellen oder Schallwellen, die von diesen Objekten ausgehen oder reflektiert werden. Der zentrale Unterschied zu vielen anderen Erfassungsmethoden ist die berührungsfreie Beobachtung: Das Untersuchungsobjekt muss nicht direkt betreten oder angefasst werden.
Typische Plattformen für Fernerkundungssensoren sind Flugzeuge und Satelliten. Als Sensoren dienen zum Beispiel Kameras oder Scanner. Vereinzelt werden auch Drohnen oder Ballons eingesetzt. Zur Fernerkundung gehören unter anderem Photogrammetrie und Satellitengeodäsie. Planetologie und Astronomie werden dagegen nicht zur Fernerkundung gerechnet, obwohl dort ebenfalls Fernerkundungssensoren vorkommen.
Fernerkundungsdaten sind besonders wichtig in Geowissenschaften, Geographie, Umweltwissenschaften und Geophysik. Sie ermöglichen globale Beobachtungen der Erdoberfläche und der Atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung. Satellitengestützte Sensoren können dasselbe Gebiet wiederholt erfassen, zum Teil täglich. Dadurch lassen sich große Räume überblicken, Veränderungen beobachten und schwer zugängliche Gebiete untersuchen. Fernerkundung kann außerdem eine hohe Aktualität und Kontinuität der Messwerte liefern.
Geschichte und Entwicklung
Die Fernerkundung hat ihre Ursprünge in der militärischen Aufklärung. Zunächst versuchte man, von erhöhten Punkten wie Bergen aus Bewegungen des Gegners zu beobachten. Mit dem Beginn der Luftfahrt änderte sich die Perspektive: Statt einer seitlichen Ansicht wurde eine Draufsicht von oben möglich.
Anfangs nutzte man Fesselballone mit menschlichen Beobachtern und Zeichenblock. Später kamen Flugzeuge mit Luftbildkameras hinzu. Luftbildfotografie konnte schon früh ausgewertet werden, aber die Ergebnisse hingen stark von der Person ab, die sie interpretierte.
Heute werden Daten mit Satellitenplattformen, Bildaufzeichnungsgeräten und Spektralabtastern gewonnen. Diese Daten können mit Computersystemen be- und verarbeitet werden, etwa durch digitale Bildverarbeitung. Seit den 1990er Jahren wurden automatisierte und systematische Auswertungen deutlich verbessert. Trotzdem bleibt die visuelle Bildinterpretation weiterhin wichtig.
Während Fernerkundung zunächst vor allem zur Erfassung des aktuellen Zustands der Erdoberfläche diente, also zur Kartierung, wird seit den 1990er Jahren zunehmend auch die Erfassung von Veränderungen betrieben. Dieses wiederholte Beobachten nennt man Monitoring.
Sensoren und Satelliten
In der Fernerkundung werden passive und aktive Systeme eingesetzt. Passive Systeme messen Strahlung, die bereits vorhanden ist. Dazu gehört die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung, zum Beispiel bei einer Multispektralkamera. Auch von der Erdoberfläche selbst ausgesandte Eigenstrahlung kann gemessen werden, zum Beispiel mit einer Wärmebildkamera.
Aktive Systeme senden selbst Signale aus und empfangen deren reflektierte Anteile. Dazu gehören Mikrowellen- oder Laserstrahlen, etwa bei Radarsystemen oder Laseraltimetern. Ein Laseraltimeter misst Entfernungen beziehungsweise Höhen mit Laserstrahlen.
Gebräuchliche Sensortypen sind Multispektralkameras, Thermalbildkameras, Radarsysteme, Hyperspektralsensoren, Mikrowellenradiometer, Laseraltimeter, Interferometer und Luftbildkameras. Ein Hyperspektralsensor misst besonders viele enge Spektralbereiche, während ein Mikrowellenradiometer passive Mikrowellenstrahlung erfasst.
Es befinden sich viele Fernerkundungssatelliten in der Erdumlaufbahn. Je nach Aufgabe werden sie auch als Umweltsatelliten oder Wettersatelliten bezeichnet; die Übergänge zwischen diesen Kategorien sind fließend. Wichtige staatliche oder halbstaatliche Programme sind Copernicus, Envisat, ERS, Landsat, SPOT, IRS, Earth Observing System mit Terra und Aqua, TerraSAR-X, TanDEM-X und Sentinel. Kommerzielle Anbieter sind unter anderem DigitalGlobe, Airbus Defence and Space, Planet Labs mit Terra Bella und BlackSky Global. Diese Satelliten unterscheiden sich in spektraler, räumlicher, zeitlicher, optischer und radiometrischer Auflösung.
Einsatzgebiete
Fernerkundung wird in vielen Disziplinen eingesetzt, weil sie große Gebiete mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung erfassen kann. In Geowissenschaften, Geographie, Kartografie und Geodäsie hilft sie zum Beispiel bei Höhenrelief, Wasserwegen, Geologie, Landbedeckung, Landnutzung, Landmanagement und Urbanisierung.
In der Forstwirtschaft dient Fernerkundung unter anderem Inventarisierungen, Holzpotentialabschätzungen, Waldschadenskartierungen und Wegebauplanungen. In der Landwirtschaft wird sie für Erntevorhersagen, die Erfassung von Anbauflächen, die Überprüfung subventionierter Brachflächen und precision farming verwendet. Auch Vegetationsphänologie, also die zeitliche Abfolge von Entwicklungsphasen der Vegetation, kann untersucht werden.
Im Katastrophenschutz werden Fernerkundungsdaten etwa bei Waldbränden, Vulkanausbrüchen, Erdbeben und Dürremonitoring genutzt. Bei Waldbränden kann das Ausmaß der Zerstörung erfasst werden; bei Vulkanausbrüchen geht es um Vorhersage und Überwachung; bei Erdbeben können Höhenänderungen untersucht werden.
Weitere Einsatzfelder sind Umweltverschmutzung, zum Beispiel Öleinleitung auf den Weltmeeren, sowie Klimatologie, Meteorologie und Ozeanographie. Dazu gehören Wettervorhersage, Klimaüberwachung, Seegangsmessung, Atmosphärenphysik und Atmosphärenchemie. Beobachtet werden unter anderem Spurengase, Wolken, Aerosole, Temperatur, Luftdruck, Strahlungshaushalt und Emissionen wie Kohlendioxid. Außerdem wird Fernerkundung in Archäologie, Rüstungskontrolle und Menschenrechtsbeobachtung eingesetzt, etwa für Vorher-Nachher-Vergleiche großflächiger Zerstörungen.
Einteilung nach Anwendung, Messung und Auswertung
Fernerkundung lässt sich nach Anwendungsbereich, Messverfahren und Auswerteverfahren untergliedern. Nach Anwendungsbereich unterscheidet man zum Beispiel bodenkundliche, landwirtschaftliche, botanisch beziehungsweise vegetationskundliche, forstwirtschaftliche, geologische, hydrologische, ozeanographische, limnologische, urbane, Umwelt-, klimatologisch-meteorologische, atmosphärische, archäologische und geodätische Fernerkundung. Auch Satellitengeodäsie, Photogrammetrie und Luftbildarchäologie gehören in diese Einteilung.
Nach Messverfahren wird danach unterschieden, in welchen Wellenlängenbereichen und mit welchen Methoden Daten erhoben werden. Dazu gehören Photogrammetrie und Luftbildmessung, spektrale Fernerkundung in optischen Wellenlängenbereichen wie UV, VIS und IR, passive Mikrowellenfernerkundung beziehungsweise Radiometrie, aktive Mikrowellenfernerkundung mit Radar, Laseraltimetrie und Radarinterferometrie. Bei fein verästelten Wasserflächen kann ausgenutzt werden, dass sie sich durch spiegelnde Reflexion stark von Landflächen abheben. Dadurch ist eine spektrale Auswertung möglich, selbst wenn die Bildauflösung nicht ausreicht, um den Uferverlauf aufzulösen.
Nach Auswerteverfahren unterscheidet man unter anderem Klassifizierung und Segmentierung, Zeitreihenanalyse, empirisch-statistische beziehungsweise chemometrische Analyse, Strahlungstransfermodellierung, Modellinversion, Assimilation in dynamische Modelle, Entmischungsverfahren, Veränderungsdetektion, Bildspektroskopie, Luftbildinterpretation, visuelle Interpretation und photogrammetrische Verfahren wie Stereophotogrammetrie.
Methoden und schulische Nutzung
Bei der Analyse analoger und digitaler Fernerkundungsdaten werden viele Methoden eingesetzt. Dazu gehören Verfahren der digitalen Bildverarbeitung, etwa Datenaufbereitung für visuelle Interpretationen, Kontrastspreizung, Farbsättigung, Transformationen des Farbraumes, Merkmalsextraktion und Mustererkennung. Klassifizierungs- und Segmentierungsverfahren können überwacht oder unüberwacht sein; Beispiele sind Clusterverfahren, Maximum-Likelihood-Klassifikator, Support Vector Machine und Kohonennetze.
Wichtige Arbeitsschritte sind geometrische Korrekturen, geometrische Rektifizierung und Entzerrung sowie radiometrische und atmosphärische Korrekturen. Weitere Methoden sind Filterverfahren im Orts- und Frequenzbereich, Texturanalyse, statistische und chemometrische Verfahren, Regressionsanalyse, Hauptkomponentenregression, Diskriminanzanalyse, geostatistische Verfahren wie Kriging und Co-Kriging sowie Zeitreihenanalyse und Signalverarbeitung.
Auch lernende Verfahren und künstliche Intelligenz werden genannt, darunter künstliche neuronale Netze, genetische Algorithmen und Optimierungsverfahren. Daneben spielen Strahlungstransfermodellierung, mathematische Modellierung, Inversion von Strahlungstransfermodellen, spektrale Entmischung, Sensitivitätsanalyse, Computersimulation und Assimilationsverfahren eine Rolle. Verfahren der Geoinformatik wie GIS-Analysen, morphologische Bildverarbeitung, Data-Mining, Labor- und Geländespektroskopie, visuelle Bildinterpretation und Photogrammetrie ergänzen das Methodenspektrum.
Für den Schulunterricht wird versucht, Fernerkundung als Thema und als Hilfsmittel einzubinden. Dabei können photographische, digitale oder mikrowellengestützte Luft- und Satellitenbilder genutzt werden. Auch Methoden wie Resampling, Klassifikation von Landoberflächen und Zeitreihenanalysen können didaktisch eingesetzt werden. Genannt werden Lernplattformen und Lernmodule wie FIS, geospektiv und YCHANGE sowie Software wie Google Earth und das Geoinformationssystem QGIS.
