EINBLICKE NR.24 OKTOBER 1996
 
FORSCHUNGSMAGAZIN DER CARL VON OSSIETZKY UNIVERSITÄT OLDENBURG
 

Fernerkundung - nah gesehen

von Dietrich Hagen

Die Geschichte der Erderkundung ist in eine neue Phase getreten: Nach Jahrhunderten persönlichen Einsatzes teils wagemutiger, teils erfolgsbesessener Entdecker sowie knapp 200 Jahren Erdbeobachtung von Fluggeräten aus kann die Oberfläche des Planeten nun aus dem Weltraum untersucht werden. Mit der wachsenden Entfernung haben sich die Beobachtungstechniken verändert. Stand am Anfang das freie Auge, traten im nächsten Abschnitt optische Hilfsmittel wie Ferngläser und Kamerasysteme hinzu, die jüngst durch optoelektronische Abtaster (Scanner) ergänzt werden. Solche Geräte registrieren neben dem sichtbaren Licht auch Wellenbereiche, die jenseits der Wahrnehmung des menschlichen Auges liegen.

Sehen ist ein mehrstufiger Prozeß, der ungefähr in folgender Weise beschrieben werden kann: ein breites Band elektromagnetischer Strahlung erreicht von der Sonne kommend die Erdoberfläche, wird von den Eigenschaften der verschiedenen Oberflächen gefiltert, absorbiert und zum Teil zurückgeworfen, wovon wiederum ein Teil auf das Auge fällt und dort, durch die Linse gebündelt, auf die lichtempfindlichen Zellen des Augenhintergrunds trifft. Der Sehnerv leitet den Reiz zum Zentralnervensystem weiter, wo das eigentliche Sehen stattfindet, m.a.W., das Bild der Welt entsteht im Gehirn.Analog zu diesem im einzelnen noch nicht vollständig aufgeklärten Prozeß findet auch das berührungslose Erkunden der Erdoberfläche mit satellitengestützten Aufnahmesystemen statt.

Meßgrundlagen der Satellitenbilder

Der weite Bereich elektromagnetischer Strahlung, an dessen kurzwelligem Ende die sehr harten Gamma-Strahlen und an dessen langwelligem Ende die Radiowellen liegen, tritt im Bereich von 0,4 bis 0,7 µ (1µ = 1/1000 mm) als sichtbares Licht mit den Farben Blau, Grün und Rot auf. Darunter schließt das Ultraviolett, darüber der Bereich des Infrarot an. Gerade im Infrarot wird zur genaueren Kennzeichnung noch einmal zwischen nahem, mittlerem und fernen Infrarot unterschieden. Diese Unterscheidung ist nützlich, weil viele die Erderkundung interessierende Oberflächen Wellen dieses Typs reflektieren. Dazu gehören insbesondere mesophyllführende Blattgewebe oder allgemeiner ausgedrückt, die Vegetation. Aber auch die anderen Wellenbereiche reagieren in ihrer Wechselwirkung mit Stoffen der Erde typisch. Zum Beispiel vermag Blau bis zu einem gewissen Grad in (klares) Wasser einzudringen und wird dann von Algen, Plankton oder dem Boden reflektiert. Grün läßt die grüne Vegetation erkennen, wohingegen das erwähnte nahe Infrarot speziell für die Beurteilung der Vitalität der Pflanzen herangezogen wird. Das ferne Infrarot ist u.a. Ausdruck der thermalen Eigenstrahlung der Erde, die aus dem radioaktiven Zerfall des Erdkerns stammt. Die Rückstrahlung von Wüsten, Hausdächern und gepflasterten Straßen ist dagegen im radiometrischen Sinn ähnlich. Sie ähnelt der Klasse "vegetationsfreier Boden" aber nur dann, wenn dieser trocken ist. Schon ein geringer Anteil Wasser verändert die Zusammensetzung der Reflexion und läßt feuchte Böden dann sicher von anderen Oberflächen unterscheiden. Es gilt also: gleiche Wellenlängen werden von verschiedenen Oberflächen unterschiedlich reflektiert; andererseits reagiert die gleiche Oberfläche auf verschiedene Wellenlängen verschieden.

Aufnahme der Daten

Die hier verwendeten Daten werden von dem Sensor TM = Thematic Mapper bereitgestellt, der an Bord eines Satelliten der Landsat-Serie montiert ist. Dieser kreist in einer sonnensynchronen Umlaufbahn nahe den Polen in einer durchschnittlichen Höhe von 705,3 km in 98,9 Minuten um die Erde. Das bedeutet, daß ein bestimmter Punkt jeweils zur gleichen Tageszeit überquert wird. Aufgrund einer geringen Verschiebung jeder Umdrehung ist der Ausgangspunkt nach 16 Tagen wieder erreicht. Während des Überflugs tastet der Sensor die Erdoberfläche in einem 185 x 170 km großen Feld zeilenweise mit einer Empfindlichkeit von 256 Stufen in sieben Kanälen ab. Als Kanäle werden die Ausschnitte aus dem elektromagnetischen Spektrum bezeichnet. Die Bildzeilen sind in Einheiten (Pixel) von 30 x 30 m Kantenlänge unterteilt. Zusammengefaßt ergibt sich daraus die folgende Beurteilung: die spektrale Auflösung dieser Daten ist sehr gut, die radiometrische Auflösung ist ebenfalls sehr gut und die Flächenauflösung ist ziemlich gut. Andere Systeme zeigen zwar Objekte mit bis zu 10 m, sogar bis 1 m Kantenlänge, dafür reduziert sich die radiometrische Auflösung um die Hälfte und spektral steht oft nur ein panchromatischer Kanal zur Verfügung.

Dieses Rohprodukt muß mit Hilfe verschiedener Rechen- und Filteroperationen um Fehler bereinigt werden, die aus Erdbahnschwankungen, Taumelbewegungen des Satelliten, Sensorunterschieden und atmosphärischen Störungen, z.B. Wasserdampf und Kohlendioxid (CO²) in der Atmosphäre, herrühren.

Die typische Fläche einer Satellitenszene (185 x 170 km) umfaßt datentechnisch 35 bis 50 Megabyte (Millionen Informationen). Solche Datenmengen können nur in sehr leistungsfähigen PC oder in Workstations bearbeitet werden. Tatsächlich ist aber nicht die Einzelinformation, sondern die Gesamtheit und Verteilung gleicher oder ähnlicher Daten wichtig. Auswertungstechniken sind daher statistische Verfahren und Anzeigeoperationen, die Ordnungen in der Datenstruktur aufzeigen.

Eigenschaften der Daten

Den verschiedenen Spektralkanälen kommen u.a. die folgenden Aufgaben zu: Es wurde erwähnt, daß sichtbares Blau (hier: 0,45-0,52 µ, Kanal 1) in klares Wasser eindringt und erst an festen Bestandteilen reflektiert wird. Nahes Infrarot (0,76-0,90 µ, Kanal 4) wird dagegen von Wasser nicht reflektiert. Das läßt sich in der Weise nutzen, daß aus der Kanalkombination 1 + 4 einerseits die Grenze von Land zu Gewässer, andererseits der Gehalt an Schwebstoffen identifiziert werden kann. Im sichtbaren Grün (0,52-0,60 µ, Kanal 2) liegt ein Reflexionsgipfel der chlorophyllhaltigen Vegetation, im sichtbaren Rot (0,63-0,69 µ, Kanal 3) dagegen die maximale Chlorophyllabsorption. Im Verhältnis von Rot und nahem Infrarot liegt deshalb ein Schlüssel zur qualitativen Vegetationskartierung. Aus dem Fehlen von nahem Infrarot ist andererseits - in der Regel allerdings zusammen mit weiteren Merkmalen - auf die Ausbreitung von Siedlungen zu schließen. Schwierigkeiten bereiten solche Siedlungen wie die Stadt Oldenburg, die für ihren hohen Grünanteil bekannt sind: Straßenbäume, öffentliche Parks und zahlreiche Hausgärten ergeben zusammen mit der Bebauung und dem Straßennetz ein sehr kleinteiliges Mosaik von Rückstrahlungswerten in den meisten Spektralklassen. Die Bearbeitung von Satellitenbildern kann deshalb auf eine gute Bodenkenntnis zumindest von Teilen des zu kartierenden Geländes nicht verzichten.

Kommt eine automatische Klassifizierung nicht in Betracht, werden daher im anschließenden Schritt bekannte Gebiete beispielhaft nach vordefinierten Schlüsseln digitalisiert, d.h. dem Rechner übergeben, z.B. 'lockere Wohnbebauung', 'Innenstadt', 'Gewässer', 'Nadelwald'. Über die innerhalb dieser Grenzen liegenden Trainingsgebiete errechnet das System die charakteristische Zusammensetzung der Reflexionsspektren. So "lernt" das System, nach gleichen oder ähnlichen Spektren in den übrigen Flächen der Szene zu suchen und diese anzuzeigen.

Kartierung der Landnutzung

Die Kartierung der Landnutzung im engeren Sinn beginnt mit einer möglichst genau zu beschreibenden Aufgabe bzw. dem erwarteten Ergebnis. Im Forschungsprozeß wird dann durch Klärung der jeweils notwendigen Voraussetzungen solange zurückgegangen, bis die "einfachen" Tatsachen vorliegen oder Produkte aus anderen Quellen übernommen werden können, am Beispiel einer Vegetationskarte:

Nach diesem logischen Baum läßt sich das Ablaufschema erstellen, von dem im folgenden allerdings die Verzweigungen in den Zwischenschritten nicht aufgenommen sind:

  • Bestimmung des Differenzierungsgrads der Ergebniskarte nach Zahl und Art der zu kartierenden Einheiten
  • Vorbereitung der Daten (Fehlerkorrektur, Kontraststreckung, Begrenzung des Arbeitsgebiets)
  • Auswahl und Digitalisierung der Trainingsflächen
  • Auswahl des Klassifikationsverfahrens z.B. automatische, unüberwachte Verfahren, halbautomatische, überwachte Verfahren usw.
  • Multispektrale Klassifikation
  • Erste Güteprüfung: z.B. Hauptkomponentenanalyse (Wieviel Prozent des Bildinhalts werden durch den aussagestärksten Kanal erklärt, wieviel Prozent durch den zweitstärksten usw.)
  • Ggf. Korrektur und Neubeginn bei Schritt 3.
  • Zusammenfassung hochdifferenzierter Spektralmuster aus verschiedenen Kanalkombinationen zu aussagefähigen Karteneinheiten
  • Einpassung der Kartiereinheiten in den geodätischen Rahmen des Gauß-Krüger-Netzes der amtlichen Topographischen Karte (Geokodierung)
  • Zweite Güteprüfung: Vergleich mit Realnutzungskartierung, Luftbildern, Karten unterschiedlicher Herkunft
  • Ggf. Korrektur durch Neubeginn bei Schritt 8. oder 3.
  • Konfektionierung der Karte: Kartenrahmen, Legende, Trennen der Farben zur Vorbereitung des Drucks
  • Produkte:
    a) gedruckte Landnutzungskarte b) Information Layer für ein Digitales Landschaftsmodell c) Interpretationen, Tabellen, Diagramme.

Forschungsprobleme

Karten unterscheiden sich von digitalen Satellitenszenen in einem ebenso einfachen wie folgenreichen Grund: In Karten wird durch den kartographischen Prozeß des Auswählens, Vereinfachens, Betonens, Unterdrückens, Hinzufügens (von Signaturen, Grenzen, Namen usw.) ein Bild der erdräumlichen Substanz hergestellt; ein Satellitenbild dagegen zeigt, wie diese von oben aussieht. Die direkte Einsichtnahme bietet z.B. ein differenziertes Bild des Kronendachs in einem Waldbestand nach Zusammensetzung, Altersklassen, Bestandsdichte und Vitalität, wo eine Karte allenfalls die Signatur "Mischwald" ausweist. Dieser Umstand läßt sich aber nicht für ein einfaches 'Besser-Schlechter' zugunsten einer Darstellung ausspielen. Der inhaltlichen und formalen Strukturierung der Karten steht eine hohe Detailgenaugkeit und Aktualität der Satellitenszenen gegenüber.

Das Verhältnis von Detail zur Fläche ist in der Satellitenbildauswertung bedeutsam. Streng genommen müßte ein Bodenelement die doppelte Größe eines Pixels umfassen, damit dieses eindeutig die Strahlungsintensität nur dieser Erdstelle mißt, bei Berücksichtigung einer Überlappung in Flugrichtung sogar die vierfache, also 60 x 60 m. Tatsächlich lassen sich aber Mischpixel nicht vermeiden (Beispiel: halb Scheunendach, halb hofnahe Weide), die somit die spektrale Signatur eines Bodenelements verändern. Dieses Problem ist um so gravierender, je kleinteiliger das aufzunehmende Nutzungsmuster ist (Innenstädte).

Die Aufnahme gleicher spektraler Signaturen zu einem Zeitpunkt erfaßt nicht unbedingt einen Nutzungstyp, denn Ackerflächen sind mit verschiedenen Feldfrüchten bestellt, sie können auch verschieden weit in ihrer Vegetationsphase bis einschließlich zur Ernte vorangekommen sein (Kahlfeld), oder eine Untersaat ist aufgelaufen und entspricht der Reflexionscharakteristik einer gerade sprießenden Wiese. Andererseits nehmen gemäß der Realkartierung gleichartige Nutzungen auf verschiedenen Untergründen verschiedene Werte an, je nachdem, ob der Acker auf einem Moor, in der Marsch oder auf der Geest angelegt ist.

Trainingsflächen für die automatisierte Spektralmusterberechnung müssen daher aus weit auseinander liegenden, jedoch gleichartigen Nutzungen ausgewählt werden, um die Zuordnungssicherheit zu erhöhen. Bei diesem Vorgehen liegt die Trefferquote zwischen 90 und 98 Prozent.

Zum Schluß zwei Beispiele, warum eine vollständige Zuordnung aller Pixel nicht erreichbar ist: Eine Baumgruppe auf einem Sportfeld wird vom System als 'Laubwald' erkannt, desgleichen ein offenes Kleingehölz in der Feldflur; ein Kartierer am Boden würde jedoch entsprechend der vorherrschenden Bodennutzung einmal 'Sportplatz', im anderen Fall 'Stüh, Gebüsch', u.U. sogar 'Brachland' eintragen.

Nicht genutzte Bahnanlagen wie in Oldenburg-Krusenbusch können sich zu Biotopen entwickeln, die spektral einer Grünland-Gebüsch-Formation ähneln. Zu kartieren wären sie allerdings unter ihrer ursprünglichen Verwendung, etwa 'Aufgelassene Industrie-/Verkehrsflächen', ggf. mit dem Zusatz: 'biologisch wertvoll'. Dies macht zugleich deutlich, daß das Begriffspaar 'richtig-falsch' unangemessen ist und das Problem von inhaltlicher Seite geklärt werden muß. Hierzu ist die Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen erforderlich.

Weitere Anwendungen

Mit der Auswertung von Satellitenszenen steht ein Instrument zur Verfügung, das die Wellenbereiche jenseits des optischen Spalts zur Erderkundung einsetzt. Zwar sind einige Standardalgorithmen der Bildstatistik weithin anerkannt, ihre Weiterentwicklung und Anwendung auf den spezifischen Raum birgt aber Probleme, die nur im Verbund mit guten Fach- und Regionalkenntnissen gelöst werden können. Die Erzeugung einer automatisierten Landnutzungsklassifikation, die zur Zeit entsteht, ist zugleich die Grundlage einer multitemporalen Analyse räumlicher Veränderungen, die von vielen Seiten beobachtet und abgefragt werden: Ausbreitung der Siedlungen (auch qualitativ), Wachstum der Städte, Veränderung der landwirtschaftlichen Nutzflächen, Ernteschätzungen, Monitoring von Natur- und Landschaftsschutzgebieten, Überwachung von Strömungsrichtungen und Sandtransport an der Wattenküste. Geeignete Daten werden laufend gewonnen und sind im Prinzip abrufbar. Bevor jedoch Langzeitstudien angelegt werden können, müssen die Ausgangsinformationen bereitgestellt werden.

Der Autor

Dr. Dietrich Hagen studierte in Berlin, Hamburg und Köln Geographie, Germanistik und Geologie. Er lehrt seit 1971 in Oldenburg Physische Geographie und Kartographie. Gastwissenschaftler war er an den Universitäten Torun, Gdansk und Towson, MD (USA). Seine Arbeitsschwerpunkte sind derzeit computergestützte Verfahren der Kartenerstellung, Fernerkundung und Geographische Informationssysteme.