Fernerkundungsgrundlagen

Sensortypen

Grundsätzlich lassen sich Fernerkundungssensoren in zwei Gruppen einteilen:

  1. Aktive Sensoren senden elektromagnetische Strahlung aktiv aus und nehmen die von der Erdoberfläche zurückkommenden Signale wieder auf. Hierzu gehören etwa Lidar-Systeme (Light detection and ranging), die mit Laserstrahlen die Oberfläche abtasten, und Radar-Systeme (Radio direction and ranging), die Radiowellen abgeben und aufnehmen. Beispiele sind Satelliten wie TerraSAR-X und Sentinel-1.
  2. Passive Sensoren dagegen erzeugen keine eigene Strahlung, die sie dann wieder empfangen könnten, sondern nehmen die reflektierte Strahlung anderer Quellen wie der Sonne auf. Zu diesen zählen z.B. die Satelliten der Landsat-Serie, RapidEye, Sentinel-2 und die geplante hyperspektrale EnMAP-Mission. Des Weiteren gibt es passive Sensoren wie Landsat 8, die auch im langwelligeren thermalen Infrarot arbeiten und die von der Erde emittierte Wärmestrahlung aufnehmen können.
aktiv_passiv



Bei den passiven optischen Sensoren, gibt es eine Reihe an unterschiedlichen Systemen. Sie unterscheiden sich z.B. in der Anzahl der Kanäle, mit denen verschiedene Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums wahrgenommen werden können. Unsere Augen sind im Grunde auch passive Fernerkundungssensoren, die das sichtbare Licht von etwa 400-700 nm wahrnehmen - also nur einen kleinen Teil des gesamten Spektrums. Kurzwelligere oder langwelligere Strahlung können wir nur mit Hilfe von speziellen Kameras und Sensoren wahrnehmen. So wird quasi sichtbar gemacht, was für uns unsichtbar ist.

Erdatmosphäre

Entscheidend für die Funktionsweise von Satelliten ist die atmosphärische Durchlässigkeit bzw. die sogenannten atmosphärischen Fenster. Die Erdatmosphäre blockiert einen Großteil der Sonnenstrahlung und lässt nur bestimmte Strahlung ungehindert bzw. abgeschwächt durch. Durch Absorption (Englisch: absorption) wird die Energie der elektromagnetischen Strahlung abgeschwächt oder so stark blockiert, dass auf der Erdoberfläche nichts mehr davon ankommt. Streuung (Englisch: scattering) hingegen beschreibt das Ablenken der Strahlung in eine andere Richtung ohne Absorbtion. Die Prozesse von Absorption und Streuung sind wellenlängenabhängig, wobei kurzwelligere Strahlung stärker gestreut wird:

  • Die Mie-Streuung tritt eher im sichtbaren Spektralbereich auf und wird in erster Linie durch größere Moleküle wie Wasser und Aerosole verursacht. Dabei entspricht deren Größe der jeweiligen Wellenlänge.
  • Die Rayleigh-Streuung wird von Molekülen verursacht, die kleiner sind als die Wellenlänge der jeweiligen Strahlung, und tritt vor allem im kurzwelligen Bereich auf wie ultraviolette Strahlung und in blauem Licht. Verantwortlich sind in erster Linie Sauerstoff, Kohlendioxid und Stickstoff. Die Rayleigh-Streuung ist u.a. dafür verantwortlich, dass der Himmel tagsüber blau erscheint und in der Dämmerung rötlich.

Im Gegensatz zu diesen sogenannten selektiven Streuungsvorgänge ist die nicht-selektive Streuung unabhängig von der Wellenlänge. Ein Beispiel ist etwa Dunst (Englisch: haze), der das sichtbare Licht gleichermäßig streut, oder Wolken, die uns weiß erscheinen.

Elektromegnetisches Spektrum