Fernerkundung

Nachdem seit 1858 bereits Luftbilder und dann auch erste Bilder aus dem Weltraum eine völlig neue, faszinierende Sichtweise auf die Erde ermöglicht hatten, begann im Juli 1972 mit dem Start von ERTS-1 (Earth Resources Technology Satellite), der später in LANDSAT-1 umbenannt wurde, die satellitengestützte digitale Fernerkundung der Landmasse unseres Planeten aus einer Höhe von etwa 705 km. Der damals verwendete MSS-Sensor lieferte gleichzeitig in vier spektralen Bändern Bilder von etwa 185 km x 185 km Größe, wobei jedes Pixel (Bildelement) eine Bodenfläche von 68 m x 82 m erfasste. So waren beispielsweise Band 1 und 2 so modifiziert, dass die Reflexionseigenschaften der gesunden grünen Vegetation bzw. das Absorptionsverhalten des Chlorophylls erfasst werden konnten.

Mit jedem weiteren Satelliten wurde die Sensortechnik verbessert. So liefert LANDSAT-8 seit Ende Mai 2013 Daten: Acht multispektrale Bänder mit einer geometrischen Auflösung von 30 m, ein panchromatisches Band der geometrischen Auflösung von 15 m und zwei thermale Bänder mit der geometrischen Auflösung von 100 m. Da sich die Erde unter dem Orbit des Satelliten hinwegdreht, kann eine flächendeckende Abtastung der Erde erreicht werden. Die Wiederholrate mit der ein Gebiet der Erde wiederkehrend durch den Satelliten LANDSAT erfasst wird, beträgt 16 Tage. In unseren Breiten überlappen sich die Daten zweier am Äquator benachbarter Pässe jedoch soweit, dass sich die Zeit für eine Erfassung aus dem Orbit halbiert. Die für solche Zwecke genutzten sonnensynchronen Umlaufbahnen haben den Vorteil, dass gleiche geographische Breiten über das gesamte Jahr hinweg nahezu zur gleichen Tageszeit (±15 min) überflogen werden.

LANDSAT-Daten reichen mit ihrer Auflösung von 30 m für das relativ kleine Untersuchungsgebiet gerade noch aus, um dieses in seinem Umfeld, Teilen der Leipziger Tieflandsbucht, wie in Abbildung 1 gezeigt, scharf darzustellen. Für die RGB-Falschfarbendarstellung wurden die Spektralbänder 4 (nahes Infrarot) für Rot = R, 5 (mittleres Infrarot) für Grün = G und 3 (Rot) für Blau = B verwendet. Solche Farbkombinationen haben u.a. den Vorteil, dass sich die farblichen Kontraste zwischen den verschiedenen Objekten deutlich erhöhen. Im Vergleich mit der nachfolgenden Echtfarbendarstellung zeigt sich insbesondere, dass dunkelgrüne Flächen mit Vegetation und Wasser kaum voneinander unterscheidbar sind. Wasser wird in dieser Abbildung schwarz dargestellt. Nur Nadelwaldgebiete, in diesem Ausschnitt das Waldgebiet rechts oben, nördlich von Eilenburg, zwischen der dort befindlichen wassergefüllten Kiesgrube und der Kiesgrube bei Laußig gelegen, sind mit ihrer schwarzbraunen Farbgebung ähnlich dunkle Objekte.

Das Stadtgebiet von Leipzig, wie auch andere Ortschaften im Umfeld (z.B. Bad Dürrenberg mit der Saale am linken Bildrand, am rechten Bildrand die Orte Wurzen (Mitte) und Grimma (etwas unterhalb der Mitte), Borna am unteren Bildrand und etwas unterhalb der Mitte des oberen Bildrandes Delitzsch) erkennt man gut an der blauen bis blaugrauen Farbgebung, die sich deutlich von den umgebenden landwirtschaftlichen Flächen (verschiedene rosa bis rotbraune Töne und Türkis) abheben. Während erstere Flächen Auskunft über den unterschiedlichen Vegetationsgrad und, im Zusammenspiel mit weiteren Spektralbändern, zur Vegetationsart Auskunft geben können, handelt es sich bei den türkisfarbenen Flächen um „freien“ Boden, auf dem die Vegetation erst aufläuft bzw. am Beginn der Wachstumsphase steckt. Betonflächen wie die Landebahnen des Flughafens, im gelb eingezeichneten Untersuchungsgebiet links oben erkennbar, weisen ebenfalls eine türkise Farbgebung auf.

Leipzig im Blick des RapidEye-Systems

Für eine bessere Detailauflösung oder für eine höhere Bildschärfe werden jedoch Daten geometrisch höher auflösender Sensoren benötigt. Für die Darstellung des Untersuchungsgebietes in Abbildung 2 wurde dementsprechend auf die Daten des RapidEye-Systems zurückgegriffen. Dabei handelt es sich um ein System von fünf baugleichen Satelliten, die die Erde in 630 km Höhe auf der gleichen sonnensynchronen Bahn (Bahnneigung 97°) in jeweils gleichem Abstand umkreisen. Überfliegt ein Satellit von Norden her kommend die gleiche geografische Breite wie sein Vorgänger, dann hat sich, wie bereits zuvor erwähnt, die Erde innerhalb des zeitlichen Versatzes von etwa 20 Minuten schon etwas weiter unter der Bahn der Satelliten hinweggedreht, so dass, bezogen auf den Vorgänger, ein Streifen etwa 5° weiter westlich aufgenommen wird. Bei diesem System besteht zusätzlich die Option des Sensorschwenks aus der üblichen Nadir-Blickrichtung, so dass Objekte in kürzeren zeitlichen Abständen beobachtet werden können. Senkrecht zur Flugrichtung wird im üblichen Nadir-Modus ein Gebiet von 77 km in fünf spektralen Bändern (im sichtbaren Spektralbereich und im nahen Infrarot) in einer geometrischen Auflösung von 6,5 m erfasst.

Details im RapidEye Bild von Leipzig

Passend zum LANDSAT-Datensatz vom 1. Mai 2011 wurde ein zeitnaher, geometrisch höher aufgelöster wolkenfreier RapidEye-Datensatz vom 27. Juni 2011 für Abbildung 2 verwendet. Darin wird das in Abbildung 1 gekennzeichnete Untersuchungsgebiet in Echtfarbdarstellung mit den Spektralkanälen Rot, Grün und Blau gezeigt. Die Darstellung entspricht dem üblichen Farbempfinden eines Betrachters, wobei sich Vegetation grün bis dunkelgrün abzeichnet. Gerade für dunkelgrüne Flächen ist die bereits erwähnte Unterscheidung zu den sich nahezu schwarz abbildenden Wasserflächen nicht immer eindeutig gegeben, wie das beispielsweise auf den Markleeberger und Störmthaler See am unteren Bildrand, zwischen denen die A 38 verläuft, im Vergleich mit dem nahegelegenen Waldgebiet in der rechten unteren Bildecke zutrifft. Auch der Verlauf von Pleiße und Elster zeichnet sich in dieser Darstellung nicht deutlich gegenüber den umliegenden Grünflächen ab. Selbst das zentral gelegene, langgestreckte Elsterflutbecken ist, im Gegensatz zur Falschfarbendarstellung der LANDSAT-Aufnahme (Abbildung 1), nur schwer zu erkennen.

In gleichzeitig anderen möglichen Falschfarbendarstellungen dieser RapidEye-Szene werden deutlich mehr Details erkennbar, an denen sich der Betrachter orientieren kann. Das hohe Auflösungsvermögen der Daten erlaubt es, dass der gleiche Ausschnitt in Abbildung 3 nicht nur vergrößert dargestellt wird, sondern auch einen relativ scharfen Eindruck vermittelt.

In Abbildung 4 wird eine entsprechende Falschfarbendarstellung des gleichen Ausschnitts gezeigt, der nicht nur eine bessere farbliche Differenzierung von Bildobjekten erlaubt, sondern auch eine einfache visuelle Zuordnung von Objekten mit gleichen farblichen Eigenschaften zu einer Objektklasse ermöglicht.

Das markanteste Objekt, das in der linken oberen Ecke von Abbildung 2, allerdings schon außerhalb des Stadtgebietes liegt, ist ein Teil des Flughafens. Zwischen den Teilobjekten des Flughafens hindurch verläuft im Norden von Leipzig die A 14, die teilweise auch das Stadtgebiet schneidet, bis zur rechten Bildmitte (Osten). Von der linken unteren Bildecke zieht sich deutlich erkennbar die A 38 südlich von Leipzig entlang, ebenfalls bis zur rechten Bildmitte, wobei das Autobahndreieck etwas außerhalb des Bildes liegt. In der oberen Bildmitte, etwas unterhalb der A 14, erkennt man mehrere weiß dargestellte Objekte. Die oberen Gebäude gehören zur Leipziger Messe und darunter befindet sich das ehemalige Versandhaus Quelle. Zwischen den Teilen des hufeisenförmigen Gebäudes kann man sogar den Schriftzug „Quelle“ aus dem All erkennen. Im Zentrum der Stadt, genau in der Bildmitte von Abbildung 2, zeigt sich der Hauptbahnhof mit den zuführenden Gleisen aus Richtung Nordost. Etwas weiter in westlicher Richtung lässt sich das weiß erscheinende ovale Dach des Leipziger Zentralstadions erkennen und genau in östlicher Richtung findet man das Einkaufszentrum in Paunsdorf, dessen weißes Dach wie ein großes schmales J aussieht. An Hand der Einzelbilder und mit einiger Ortskenntnis lassen sich sicherlich weitere Zuordnungen treffen. Da es sich bei Abbildung 1 und 2 um Bilder einer Vegetationsperiode handelt, können die landwirtschaftlichen Flächen an Hand ihrer Form sehr gut einander zugeordnet werden (Abbildung 2).

Um beim Betrachten von Satellitendaten ein besseres Verständnis zu vermitteln, werden sogenannte Interpretationsschlüssel erarbeitet. Dabei handelt es sich um eine Bildlegende, die neben kleinen aber repräsentativen Bildausschnitten der Satellitenszene (Ikons) auch eine verständliche Erläuterung zu deren Inhalt mitliefert (Tabelle 1).

Interpretationsschlüssel für die Betrachtung der RapidEye-Szenen (nach Fichtelmann et al. 2013)

Landnutzung	Prinzipielle Bemerkungen	Echtfarbdarstellung
Wasser	Wasser ist in vielen Fällen ein guter Absorber für das sichtbare Licht. Wasserinhaltsstoffe wie Chlorophyll, Schwimm- und Schwebstoffe können zu Farbunterschieden führen. Helle Untergründe wie Sand können zu Aufhellungen führen.	Wasserflächen werden schwarz abgebildet.
Stadt- und Siedlungsflächen	Mix aus Straßen, Parkflächen, verschieden geneigter Dachflächen mit unterschiedlichen Dachmaterialien, Grünanlagen und gegenseitigen Abschattungen. Die Textur von Siedlungen ist infolge der Vielzahl kleiner Objekte sehr hoch.	Die Farben sind grau, rot, weiß, verschiedene Grüntöne
Ackerflächen	Das Spektralsignal landwirtschaftlich genutzter Flächen ist u.a. durch die Frucht, den Bedeckungsgrad und der Bestandsvitalität definiert. Charakteristisch ist die regelmäßige Geometrie von Schlägen.	Flächen mit vitaler Vegetation sind in unterschiedlich grünen Farbtönen dargestellt. Freie Flächen oder Flächen mit geringem Bestand sind bräunlich dargestellt.
Wälder	Die Textur von Wäldern ist infolge der Wechsel zwischen Baumkrone und Schatten sehr hoch.	Laub-/Mischwälder oder Parkanlagen mit hohem Bestand an Laubbäumen sind als dunkelgrüne Flächen zu erkennen, allerdings von Wasserflächen schwer zu unterscheiden. Zur Unterscheidung werden Falschfarbdarstellungen genutzt.
Betonflächen	Betonflächen wie Autobahnen, Landepisten von Flughäfen und große Parkflächen haben ein hohes Reflexionsvermögen. Beim Wechsel des Straßenbelages auf Asphalt sinkt das Reflexionsvermögen ab und entsprechende Abschnitte werden grau abgebildet.	Betonflächen werden weiß abgebildet.

Erhöhung der Detailschärfe

Die Verwendung der RapidEye-Daten zeigt bereits in der einfachen Darstellung in Abbildung 2 oder in Abbildung 3, dass gegenüber den LANDSAT-Daten in Abbildung 1 eine deutlich höhere Detailschärfe erzielt werden kann. Mit der heutigen Technik können noch schärfere Aufnahmen erzielt werden. So liefert der IKONOS-Satellit aus ähnlicher Bahnhöhe multispektrale Daten mit einer geometrischen Auflösung von 4 m. Zudem liefert dieser Satellit ein panchromatisches Band mit einer geometrischen Auflösung von 1 m. Mit Hilfe mathematischer Verfahren können die multispektralen Bänder künstlich in die geometrische Auflösung des panchromatischen Bandes transformiert werden.

Abbildung 5 zeigt dazu einen Vergleich des Auflösungsvermögens der drei genannten Sensoren am Beispiel des Völkerschlachtdenkmals.

Während für den LANDSAT-Datensatz die Struktur der Anlage um das Völkerschlachtdenkmal mit einer Pixelauflösung von 30 m mehr erahnt werden muss (Abbildung 5a), lassen die RapidEye Daten in Abbildung 5b schon die Anlage erkennen, die dann bei einer Auflösung der IKONOS-Daten von 4 m in dieser Bildgröße schon fast scharf erscheint (Abbildung 5c). Unter Hinzunahme des 1 m aufgelösten PAN-Kanals kann ein noch schärferes Bild erzeugt werden (Abbildung 5d). Noch deutlicher wird diese Qualitätszunahme, wenn man aus den Bildern 5c und 5d jeweils den gleichen Ausschnitt vergrößert darstellt (Abbildung 5e und 5f). Mit Satelliten wie Worldview 2 können mit Hilfe solcher Bildschärfungsverfahren sogar Pixelauflösungen von 0,6 m erzielt werden.

Die Frage, warum nicht alle Satelliten nach einer solch hohen Auflösung streben, lässt sich unter anderem damit beantworten, dass für ein globales Monitoring solche Detailtreue in der Landschaft nicht unbedingt notwendig ist. Andererseits produziert eine hohe Auflösung auch eine hohe Datenmenge, die dann vom Satelliten zur Bodenstation übertragen, dort verarbeitet und gespeichert werden muss.

Die im Beitrag gezeigte gleichzeitige Nutzung von Daten dreier unterschiedlicher Satellitensysteme verdeutlicht, dass die Kombination von geometrisch hoch aufgelösten Daten zu einer verbesserten zeitlichen Auflösung im Monitoring der verschiedensten Regionen führen kann. Wissenschaftliche Untersuchungen stehen bei der Auswertung solcher Daten im Vordergrund und die gezeigten Bilder sind dabei eigentlich nur Nebenprodukte, die allerdings dem Betrachter sehr eindrucksvolle Ansichten von oben vermitteln können.

Wir danken den Firmen Blackbridge und European Space Imaging (EUSI) für die Überlassung der Satellitenbilder.