Fernerkundung bedeutet, dass etwas aus der Ferne erfasst wird.

D.h. es gibt eine Interaktion zwischen dem Objekt und Sensor.

In der Fernerkundung können wir daher drei Arten der Informationsgewinnung über ein Objekt unterscheiden:

1. durch Reflexion,

2. durch Emission

3. und durch eine Kombination aus Emission und Reflexion.

Refelxion wird am meisten genutzt, weil dabei Sonnenlicht verwendet wird.

Ein Spektralband ist ein bestimmter, zusammenhängender Wellenlängenbereich innerhalb des elektromagnetischen Spektrums, den ein Sensor oder Messgerät getrennt erfasst.

Einfache Erklärung:

Viele optische Sensoren (z. B. in Satelliten, Kameras oder Spektrometern) messen nicht jede einzelne Wellenlänge einzeln, sondern fassen Wellenlängen in „Bändern“ zusammen. Ein Spektralband beschreibt also:

• Wo im Spektrum gemessen wird (z. B. sichtbares Licht, Nahinfrarot, Thermalinfrarot)

• Wie breit dieser Bereich ist (z. B. 10 nm, 50 nm oder mehrere 100 nm)

Wie stehen elektromagnetische Strahlung und Fernerkundung im Zusammenhang?

Das Ziel der Fernerkundung besteht darin, zu verstehen, wie EM-Energie mit der Oberfläche interagiert, um aus den Bildern besser relevante Informationen extrahieren zu können.

Was beeinflusst elektromagnetsiche Strahlung?

1. chemische

2. physikalische

3. biologischen

   ….Eigenschaften des Objekts.

   Beispiele: Pigmentstatus der Blätter wirkt sich auf die blauen und roten Bereiche des VIS-Spektrums aus.

   Wassergehalt beeinflustt die kurzwelligen Infrarot- (SWIR) und thermischen Infrarotbereiche (TIR).

Woran wird sie definiert, anhand:

• Wellenlänge oder

• Frequenz

Hauptbereiche des elektromagnetischen Spektrums sind…

• Gamma- und Röntgenstrahlung

• Ultraviolett (UV): Liegt knapp unterhalb des sichtbaren Bereichs, nur selten für Fernerkundung verwendet.

In Fernerkundung genutzt werden…

• VIS-Bereich ist EM-Stalhulung um Ultravioletten und sichtbaren Bereich(0,4–0,7 µm) Der Bereich, den das menschliche Auge wahrnimmt (ca. 0,4–0,7 µm). Wichtig für optische Sensoren, klassische Luft- und Satellitenbilder.

• Infrarot: Unterteilt in nahes (NIR), mittleres (MIR) und thermisches Infrarot (TIR). Wird häufig für Vegetationsanalysen, Temperaturmessungen und Wasserhaushaltsstudien benutzt.

• MW-Bereich = Mikrowellen: Wird in der Radar-Fernerkundung und für aktive Systeme verwendet (z.B. Bodenfeuchte-Messungen).

Stefan-Boltzmann-Gesetz

= Strahlung nimmt mit steigender Temp. zu

Das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschreibt die Abhängigkeit der Strahlungsemission von der Temperatur eines Körpers. Die Formel lautet:

F=εσT^4

Dabei ist:

• F die emittierte Strahlungsenergie (Strahlungsflussdichte)

• ε (Epsilon) die Emissivität des Körpers (für einen idealen schwarzen Körper gilt ε = 1)

• σ (Sigma) die Stefan-Boltzmann-Konstante mit dem Wert 5.67×10^-8

• T die absolute Temperatur in Kelvin

Dieses Gesetz zeigt, dass die Strahlungsleistung proportional zur vierten Potenz der Temperatur ist - eine kleine Temperaturerhöhung führt also zu einer erheblichen Zunahme der emittierten Strahlung.

Wien'sches Verschiebungsgesetz

Das Diagramm auf der rechten Seite illustriert das Wien'sche Verschiebungsgesetz, welches beschreibt, wie sich die Wellenlänge der maximalen Strahlungsemission mit der Temperatur verändert. Je heißer ein Körper ist, desto kürzer ist die Wellenlänge, bei der die maximale Strahlung emittiert wird.

Die Kurven zeigen die spektrale Verteilung der Strahlung für verschiedene Temperaturen (300 K bis 6000 K):

Sonnenstrahlung (ca. 6000 K)

Die Sonne, mit einer Oberflächentemperatur von etwa 6000 K, emittiert kurzwellige Strahlung mit einem Maximum im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums (ca. 0.4-0.7 µm).

Erdstrahlung (ca. 300 K)

Die Erde hat eine durchschnittliche Oberflächentemperatur von etwa 300 K (ca. 27°C). Bei dieser viel niedrigeren Temperatur emittiert die Erde langwellige Strahlung mit einem Maximum bei etwa 10 µm. Dieser Bereich liegt im thermischen Infrarot (TIR), weit außerhalb des für uns sichtbaren Spektrums.

Bedeutung für die optische Fernerkundung

Diese physikalischen Prinzipien sind fundamental für die Fernerkundung:

Passive optische Sensoren nutzen das von der Sonne reflektierte Licht im sichtbaren und nahen Infrarotbereich. Sie können nur tagsüber bei ausreichender Sonneneinstrahlung arbeiten und erfassen hauptsächlich Oberflächeneigenschaften wie Vegetation, Bodentypen oder Wasserqualität.

Thermische Infrarotsensoren erfassen die von der Erde selbst emittierte langwellige Strahlung. Diese Sensoren können Tag und Nacht arbeiten, da sie nicht auf Sonnenlicht angewiesen sind, und liefern Informationen über die Oberflächentemperatur.

1. Sonnenexitanz (Solar exitance) – gelbe Kurve oben

• Zeigt die gesamte Energiemenge, die die Sonne abstrahlt

• Hat ein Maximum im sichtbaren Bereich (um 0,5 µm)

• Fällt bei längeren Wellenlängen stark ab

2. Sonnenbestrahlungsstärke (Solar irradiance) – zwei gelbe Kurven unten

• Bei ToA (Top of Atmosphere): Zeigt die Sonnenstrahlung außerhalb der Erdatmosphäre – mit mehreren Spitzen im sichtbaren Bereich (0,2–0,8 µm)

• Am Boden (at the ground): Deutlich schwächer, da die Atmosphäre einen großen Teil der Strahlung absorbiert oder streut

3. Erdexitanz (Earth exitance) – rote Kurve rechts

• Zeigt die Wärmestrahlung, die von der Erdoberfläche emittiert wird

• Peak im Thermal-Infrarot-Bereich (TIR) bei etwa 10 µm

• Diese Strahlung stammt von der Wärmeabstrahlung der Erde bei normaler Bodentemperatur

Die zwei Strahlungsquellen

1. Sonnenstrahlung (rote Kurve oben links)

• Temperatur: 6000 K (sehr heiß)

• Peak im sichtbaren Bereich (VIS) bei etwa 0,5 µm

• Dies ist die reflektierte Sonnenstrahlung, die von Objekten auf der Erde reflektiert wird

2. Erdstrahlung (rote Kurve unten rechts)

• Temperatur: 300 K (ca. 27°C – normale Bodentemperatur)

• Peak im thermalen Infrarot (TIR) bei etwa 10 µm

• Dies ist die Wärmestrahlung, die die Erde selbst abstrahlt

  
  

Atmosphärische Transmission

Das Transmissionsfenster (hellblaue Fläche) zeigt, welche Wellenlängen die Atmosphäre durchlassen:

• Sichtbarer Bereich (VIS): 0,4–0,7 µm ✓ gut durchlässig

• Nahes Infrarot (NIR): 0,7–1,3 µm ✓ gut durchlässig

• Kurzwelliges Infrarot (SWIR): 1,3–3 µm ✓ teilweise durchlässig

• Mittleres Infrarot (MIR): 3–5 µm ✗ starke Absorption

• Thermales Infrarot (TIR): 8–14 µm ✓ gut durchlässig

• Mikrowellen (MW): > 0,5 cm ✓ sehr gut durchlässig

Die schwarzen Bereiche zeigen, wo die Atmosphäre fast vollständig absorbiert (Wasserdampf, CO₂, Ozon).

1. Optische Sensoren (Optical scanners):

   • Messen die reflektierte Sonnenstrahlung

   • Arbeiten in sichtbarem und nahinfrarotem Bereich

   • Funktionieren nur tagsüber

2. Thermale Sensoren (Thermal scanners):

   • Messen die von der Erde emittierte Wärmestrahlung

   • Arbeiten im thermalen Infrarotbereich (8–14 µm)

   • Funktionieren Tag und Nacht

3. Radar:

   • Arbeitet im Mikrowellenbereich

   • Durchdringt Wolken (Atmosphäre ist für MW transparent)

   • Aktiver Sensor (sendet selbst Strahlung aus)

Diese Kombination ermöglicht eine umfassende Erdbeobachtung in verschiedenen atmosphärischen Bedingungen!

Landsat und AVHRR sind optische und thermische Sensoren, die reflektierte Sonnenstrahlung und emittierte thermische Strahlung messen.

Diese Sensoren nutzen „atmosphärische Fenster“, um die Erdoberfläche zu beobachten.

Atmosphärische Fenster sind Wellenlängenbereiche, in denen die Atmosphäre für Strahlung weitgehend durchsichtig ist.

…besitzt zwei Sensoren:

OLI: Operational Land Imager misst reflektierte Sonnenstrahlung in 9 Spektralbändern (Bänder 1–9), 30 m räumliche Auflösung.

—> optisch (VIS, NIR, SWIR)

TIRS: Thermal Infrared Sensor misst emittierte thermale (Wärme-)Strahlung in 2 Spektralbändern (Bänder 10–11), 100 m räumliche Auflösung.

—> thermisch

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🌈 Was sind Spektralbänder?

Ein Spektralband ist ein bestimmter Bereich von Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, den ein Satellitensensor misst.

👉 Stell dir das Licht wie einen Regenbogen vor – der Regenbogen besteht aus vielen Farben (= Wellenlängen). Ein Satellit „schneidet“ aus diesem Regenbogen bestimmte schmale Bereiche heraus und misst nur diese.

Diese Bereiche nennt man Spektralbänder (engl. spectral bands).

📷 Warum braucht ein Satellit mehrere Bänder?

Weil verschiedene Materialien (Wasser, Pflanzen, Schnee, Boden, Beton…) bei verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich aussehen bzw. unterschiedlich reflektieren oder emittieren.

Beispiele:

• Pflanzen reflektieren sehr stark im nahen Infrarot → Band 5 (Landsat OLI)

• Wasser absorbiert stark im kurzen Infrarot → kaum Signal in Band 6

• Wärmeabstrahlung liegt im thermischen Infrarot → TIRS-Band 10/11

🛰️ Beispiel mit Landsat 8 (OLI + TIRS)

Der Sensor hat 11 Spektralbänder, jedes mit einer bestimmten Aufgabe:

= ist ein Sensor, er misst:

• sichtbare und infrarote Strahlung

• Temperatur der Erdoberfläche

• Bewölkung

• Vegetation

• Meerestemperaturen

1 km räumliche Auflösung

Er ist kein einzelner Satellit, sondern ein Instrument, das auf vielen verschiedenen Satelliten montiert wurde.

Zum Beispiel:

• NOAA-POES Satelliten (ca. 833 km Höhe)

• MetOp-A und MetOp-B (ca. 820 km Höhe)

Dadurch gibt es eine sehr lange Datenreihe von über 40 Jahren – wichtig für Klimaforschung.

AVHHR/2 ist eine weiterentwickelte Version des Sensors.

MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)

MODIS-Sensor auf zwei Satelliten:

• Terra: Äquatorüberflug am Vormittag, seit 1999

• Aqua: Äquatorüberflug am Nachmittag, seit 2002

36 Spektralbänder mit unterschiedlicher räumlicher Auflösung:

250 m, 500 m, 1000 m

Sentinel‑2A

2 Satelliten:

1. Sentinel‑2A seit 23.06.2015

2. Sentinel‑2B seit 07.03.2017

10, 20 oder 60 m räumliche Auflösung, je nach Band

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erfasst 13 Spektralbänder mit:

4 Bändern bei 10 m

6 Bändern bei 20 m

3 Bändern bei 60 m

Beim Auftreffen von Sonnenlicht auf eine Oberfläche teilt sich die einfallende Energie in drei Wege auf: Ein Teil wird von der Oberfläche zurückgeworfen (Reflexion), ein Teil im Material in Wärme oder chemische Energie umgewandelt (Absorption), und ein Teil durchdringt das Material und tritt auf der anderen Seite wieder aus (Transmission). Diese drei Prozesse zusammen verbrauchen die gesamte einfallende Strahlung, weshalb die Summe ihrer Anteile gleich 1 ist (1=ρ+α+τ1=ρ+α+τ).

​

Die Größen ΦΦ und ϕϕ stehen für Strahlungsleistung bzw. Strahlungsfluss in Watt und beschreiben, wie viel Energie pro Zeit ankommt, reflektiert, absorbiert oder transmittiert wird. Die Größen LL bezeichnen die Strahldichte, also Strahlungsfluss pro Fläche und Raumwinkel, und sind wichtig, um zu beschreiben, wie ein Sensor (zum Beispiel ein Satellit) die von der Oberfläche ausgehende Strahlung „sieht“.

​

Blätter sind grün…

weil Chlorophyll hauptsächlich im blauen und roten Bereich des Spektrums absorbiert.

Die Reflexion ist abhägig von…

• Wellenlänge

• Oberflächenmaterial, chemische Zusammensetzung

• Zustand: Rauigkeit und Feuchtegehalt

Typische spektrale Signatur von Vegetation

• Sichtbares Licht (0,4–0,7 µm): Chlorophyll

  • Blau + Rot: starke Absorption durch Chlorophyll → geringe Reflektanz.

  • Grün: weniger Absorption → „Green peak“, Blätter erscheinen grün.

• Red Edge (ca. 0,68–0,75 µm):

  • Übergang von starker Absorption (Rot) zu starker Streuung (NIR).

  • Sehr steiler Anstieg der Reflektanz; wichtig für Vegetationsindizes.

  • weil die Chlorophyll‑Absorption nachlässt und gleichzeitig die Streuung im Blattinneren zunimmt.

• Nahes Infrarot, NIR (ca. 0,75–1,3 µm): Blattstruktur

  • Hohes „NIR‑Plateau“.

  • Ursache: starke Streuung an Blattzellen, geringe Absorption.

• Kurzwellige IR, SWIR (ca. 1,3–2,5 µm): Wassergehalt

  • Reflektanz sinkt wieder deutlich.

  • Zellwasser absorbiert stark (v. a. um 1,4 und 1,9 µm) → Info über Wassergehalt.

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sichtbaren Spektralbereich (0,4–0,7 µm) wird Licht unterschiedlich stark von Blattpigmenten absorbiert. Blaues und rotes Licht werden besonders stark durch Chlorophyll aufgenommen, weshalb in diesen Wellenlängen nur wenig Licht reflektiert wird. Grünes Licht wird dagegen deutlich schwächer absorbiert. Dadurch entsteht ein sogenannter „Green Peak“ in der Reflektanz, und Blätter erscheinen für das menschliche Auge grün.

Der Red-Edge-Bereich (etwa 0,68–0,75 µm) beschreibt den Übergang vom roten sichtbaren Licht zum nahen Infrarot. In diesem Bereich nimmt die Chlorophyll-Absorption rasch ab, während gleichzeitig die Streuung des Lichts im Inneren des Blattes stark zunimmt. Das führt zu einem sehr steilen Anstieg der Reflektanz. Dieser Bereich ist besonders wichtig für Vegetationsindizes, da er empfindlich auf den Zustand und die Vitalität der Vegetation reagiert.

Im nahen Infrarot (NIR, ca. 0,75–1,3 µm) zeigen gesunde Blätter eine sehr hohe und relativ konstante Reflektanz, das sogenannte „NIR-Plateau“. Der Grund dafür ist, dass das Licht in diesem Spektralbereich kaum von Pigmenten absorbiert wird, sondern stark an den Zellwänden und Lufträumen im Blattgewebe gestreut wird.

Im kurzwelligen Infrarot (SWIR, etwa 1,3–2,5 µm) sinkt die Reflektanz wieder deutlich. Ursache dafür ist die starke Absorption durch Wasser im Blattgewebe. Besonders ausgeprägt sind diese Absorptionsbanden um etwa 1,4 µm und 1,9 µm. Dieser Spektralbereich liefert daher wichtige Informationen über den Wassergehalt und den physiologischen Zustand der Vegetation.

Verschiedene Landoberflächen haben eine typische Verteilung in spektralen Bändern:

• Vegetation hat eine hohe Reflexion im nahen Infrarot (NIR) und eine geringe Reflexion in den roten Spektralbändern.

• Böden können hell (hohe Reflexion) oder dunkel (geringe Reflexion) sein.

• Die Reflexion von Böden im roten und im NIR‑Bereich ist stark korreliert (Bodenlinie).

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Erklärung des Inhalts

Die Folie zeigt, dass Vegetation und Böden sich in ihrer Reflexion im roten und NIR‑Bereich deutlich unterscheiden: grüne, gesunde Pflanzen reflektieren wenig im Roten (wegen Chlorophyll‑Absorption), aber viel im NIR, während nackter Boden in beiden Bändern eher moderat bis hoch reflektiert. Dadurch liegen Vegetationspunkte im Diagramm oberhalb der Bodenlinie und oft bei niedrigen Rotwerten, während reine Bodenpixel nahe der Bodenlinie liegen.

Die „Soil Line“ beschreibt den engen linearen Zusammenhang zwischen Rot‑ und NIR‑Reflexion von verschiedenen Bodenarten: je heller der Boden, desto höher sind beide Reflexionswerte ungefähr proportional zueinander. Diese Eigenschaft wird genutzt, um spektrale Vegetationsindizes (z.B. NDVI) zu entwickeln, die Vegetation von Boden trennen, indem sie die hohe NIR‑und niedrige Rot‑Reflexion der Vegetation gegenüber der Bodenlinie ausnutzen.

Oben sieht man die spektralen Signaturen verschiedener Oberflächen: Vegetation (grüne Kurve) reflektiert stark im nahen Infrarot (NIR) und hat deutliche Absorptionsmerkmale im Rot und im kurzen Wellenlängen‑Infrarot (SWIR), während Wasser, Sand, Beton und Schnee andere typische Kurven zeigen. Diese Unterschiede ermöglichen es, Vegetation im Spektrum klar von anderen Oberflächentypen zu trennen.

Unten sind die spektralen Bänder der Sensoren Landsat‑7, Landsat‑8, Sentinel‑2, ASTER und MODIS über die Wellenlänge eingezeichnet; gleichzeitig zeigt die graue Fläche, in welchen Wellenlängenbereichen die Atmosphäre gut durchlässig ist (atmosphärische Fenster).

Die Sensorbänder liegen gezielt dort, wo Vegetation wichtige spektrale Merkmale hat (Blau, Rot, NIR, SWIR) und wo die Atmosphäre relativ transparent ist – genau deshalb sind diese Satelliten besonders gut für das Vegetationsmonitoring geeignet.

Ein Vegetationsindex ist eine mathematische Kombination von Reflektanzwerten verschiedener Spektralbänder, mit der Vegetation hervorgehoben und quantitativ beschrieben werden kann. Er nutzt die typische spektrale Signatur von Pflanzen:

• starke Absorption im roten Bereich (durch Chlorophyll)

• starke Reflektion im nahen Infrarot (NIR) (durch Streuung im Blattinneren)

Gesunde Vegetation reflektiert daher viel NIR und wenig Rot.

• Normiert die Werte auf einen Bereich von -1 bis +1.

  —> durch Nomierung macht den Index weitgehend unabhängig von Beleuchtungsbedingungen und Sensorgeometrie.

• Weltweit am häufigsten genutzter Vegetationsindex.

• Höhere Werte = gesunde, dichte Vegetation.

• Mittlere Werte = Gras, lichtes Blattwerk.

• Niedrige Werte = Boden, Wasser, Städte.

  
  

NIR​ = Reflektanz im nahen Infrarot

SR = Reflektanz im roten Spektralbereich

—> nutzt red edge effekt

Weltraumgestützte Sensoren zur Erdfernerkundung mit elektromagnetischen Wellen

Aktive Sensoren

• Lidar

• Radar

Passive Sensoren

• Optische Sensoren

• Mikrowellenradiometer

Spektralbereiche (unten dargestellt):

• sichtbar

• infrarot

• thermisches Infrarot

• optische Sensoren

Mikrowellenbereich

• Frequenzen: 300 MHz – 300 GHz

• Wellenlängen: 1 m – 1 mm

Radar-Frequenzbänder:

• P-, L-, S-, C-, X-, Ku-, Ka-, K-Band

Quelle: Moreira et al.

Erklärung der Folie

1. Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Frequenz

• hohe Frequenz → kurze Wellenlänge

• niedrige Frequenz → lange Wellenlänge

Das ist wichtig, weil unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich mit der Erdoberfläche interagieren.

2. Einordnung im elektromagnetischen Spektrum

Die Grafik zeigt einen Übergang von:

• optischen Bereichen (sichtbar, Infrarot)

• hin zu Mikrowellen

👉 Optische Sensoren arbeiten im nm–µm-Bereich, 👉 Mikrowellensensoren im mm–cm–m-Bereich.

3. Aktive vs. passive Sensoren

Aktive Sensoren

Sie senden selbst Strahlung aus und messen das zurückgestreute Signal.

• Lidar: Laser (optischer Bereich)

• Radar: Mikrowellen

➡️ Vorteil:

• unabhängig von Sonnenlicht

• Radar kann durch Wolken messen

Passive Sensoren

Sie messen natürlich abgestrahlte oder reflektierte Strahlung.

• Optische Sensoren: reflektiertes Sonnenlicht

• Mikrowellenradiometer: natürliche Mikrowellenemission

➡️ Vorteil:

• liefern physikalische Informationen (z. B. Temperatur, Feuchte)

4. Mikrowellenbereich in der Fernerkundung

Der rot markierte Bereich zeigt den Mikrowellenbereich, der für Radar und Radiometer genutzt wird.

• Wellenlängen: 1 mm bis 1 m

• Frequenzen: 300 MHz bis 300 GHz

👉 Mikrowellen können:

• Wolken, Rauch und teilweise Vegetation durchdringen

• Bodenfeuchte, Rauigkeit und Struktur erfassen

5. Radar-Bänder (P, L, C, X …)

Die verschiedenen Radar-Bänder unterscheiden sich durch ihre Wellenlänge:

👉 Je länger die Wellenlänge, desto tiefer dringt sie in Vegetation oder Boden ein.

Kernaussage der Folie

• Die Folie ordnet Mikrowellen-Radar in das elektromagnetische Spektrum ein.

• Sie zeigt den Unterschied zwischen aktiver und passiver Fernerkundung.

• Sie erklärt, warum verschiedene Radar-Bänder für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden.

Vorteile von Mikrowellen (MWs) im Vergleich zum optischen/infraroten Bereich

• Mikrowellen durchdringen die Atmosphäre und – bis zu einem gewissen Grad – Wolken und Regen.

• Unabhängig von der Sonne als Beleuchtungsquelle.

• Größere Eindringtiefe in Vegetation und Boden.

  
  

  Aktive und passive Mikrowellensensoren

  Aktive Mikrowellensensoren = Radare (RAudio Detection And Ranging)

  • Scatterometer

  • Synthetic Aperture Radars (SAR)

    —> Side looking airborne Radar (SLAR)

  Passive Mikrowellensensoren

  • Radiometer

  Erklärung aktive Sensoren

  Aktive Mikrowellensensoren senden selbst Mikrowellenimpulse aus und messen das von der Erdoberfläche bzw. Atmosphäre zurückgestreute Signal. Dadurch liefern sie unabhängig von Sonnenlicht Informationen über Eigenschaften wie Rauigkeit, Struktur oder Feuchtigkeit der Oberfläche. Scatterometer messen vor allem die Stärke der Rückstreuung, z.B. um Windgeschwindigkeiten über dem Meer abzuleiten, während Synthetic Aperture Radar (SAR) hochauflösende Bilder produziert, in denen sich Formen wie Gebäude oder Felder erkennen lassen.

  Erklärung passive Sensoren

  Passive Mikrowellensensoren senden keine Strahlung aus, sondern registrieren die natürliche Mikrowellenstrahlung, die Erde und Atmosphäre selbst emittieren. Radiometer messen diese Strahlungsintensität und wandeln sie in physikalische Größen wie Helligkeitstemperatur um, aus der sich etwa Bodenfeuchte, Meereis-Eigenschaften oder Niederschlagsmengen ableiten lassen.

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  Was ein Scatterometer macht

  Ein Scatterometer ist ein aktiver Radarsensor, der Mikrowellen zur Erdoberfläche sendet und die Stärke der zurückgestreuten Signale misst. Aus dieser Rückstreuung werden vor allem Oberflächeneigenschaften wie Windgeschwindigkeit über dem Meer, Rauigkeit der Wasseroberfläche oder Eigenschaften von Landflächen abgeleitet (z.B. Vegetationsbedeckung, Bodenfeuchte).

  Was ein Synthetic Aperture Radar macht

  Ein Synthetic Aperture Radar ist ebenfalls ein aktives Radar, erzeugt aber hochaufgelöste Bilder der Erdoberfläche. Es bewegt sich (z.B. auf einem Satelliten) entlang einer Bahn, nimmt viele Radarechos nacheinander auf und kombiniert sie rechnerisch zu einer „synthetischen“ großen Antenne, wodurch eine sehr hohe räumliche Auflösung erreicht wird. Damit kann man z.B. Geländeformen, Städte, Wälder, Gletscher, Flutgebiete oder Bodenbewegungen (Erdbeben, Hangrutschungen) sehr genau erfassen – unabhängig von Tageszeit und Bewölkung.

Ein „Side-looking airborne Radar (SLAR)“ ist ein konkretes Beispiel für einen aktiven Mikrowellensensor, wie auf der vorherigen Folie genannt (Radar/SAR). Es zeigt, wie so ein Radar auf einem Flugzeug seitlich auf den Boden schaut, wie der Radarstrahl verläuft und wie sich daraus die geometrische Auflösung des Radars ergibt. Damit wird praktisch veranschaulicht, wie ein Radarsystem arbeitet, das dann – mit geeigneter Verarbeitung – auch als Synthetic Aperture Radar (SAR) betrieben werden kann.

Erklärung der Folie

• Das Flugzeug trägt ein Radar, das seitlich nach unten auf den Boden schaut; dadurch wird ein Streifen (Swath) entlang der Flugbahn abgetastet. Die Schrägentfernung R misst die Distanz entlang des Radarstrahls, während die Bodenentfernung (ground range) die horizontale Entfernung auf dem Boden ist.

• Die Schrägentfernungsauflösung hängt von Pulsdauer und Lichtgeschwindigkeit ab: je kürzer der Puls, desto kleiner der auflösbare Abstand entlang der Strahlrichtung. Durch die Projektion auf den Boden wird diese Auflösung bei flachen Einfallswinkeln schlechter.

• Die Azimutauflösung wird durch Wellenlänge, Antennenlänge und Entfernung bestimmt: eine längere Antenne oder kürzere Wellenlänge verbessert die Auflösung quer zur Blickrichtung; mit zunehmender Entfernung R wird sie schlechter. Diese Zusammenhänge sind die Grundlage dafür, dass man bei SAR die „synthetische Apertur“ nutzt, um im Azimut eine viel bessere Auflösung zu erreichen.

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Die neue Folie erklärt, wie man aus dem „normalen“ Side‑looking Radar (SLAR) ein Synthetic Aperture Radar (SAR) macht und warum dadurch die Auflösung besser wird. Auf der SLAR‑Folie hast du die Azimutauflösung ρAZ=λ/L×RρAZ=λ/L×R: sie ist umso besser, je länger die Antenne LL ist – bei einem echten Flugzeug ist LL aber begrenzt. Die SAR‑Folie zeigt nun, dass man während des Fluges viele Einzelaufnahmen desselben Punktes P macht und diese so kombiniert, als hätte man eine viel längere Antenne („synthetic aperture“), wodurch die Azimutauflösung stark verbessert wird.

Kurz: SLAR = seitlich blickendes Radar mit begrenzter Auflösung durch reale Antennenlänge; SAR = gleiche Geometrie, aber viele Messungen entlang der Flugbahn → virtuelle Verlängerung der Antenne → viel höhere Bildauflösung im Azimut.

Foreshortening, Layover und Shadow entstehen, weil SAR seitlich schaut und Punkte nur nach ihrer gemessenen Entfernung entlang der Radar‑Sichtlinie im Bild anordnet, nicht nach ihrer wahren Bodenlage.

​

Geometrische Effekte in SAR‑Bildern

1. Foreshortening (Verkürzung)

   • Zur Antenne hin geneigte Hänge erscheinen im Bild verkürzt.

   • Foreshortening‑Effekte nehmen mit größer werdendem Blickwinkel (look angle) ab.

2. Layover (Überlagerung)

   • Der Berggipfel wird im Bild auf den Boden vor dem Berg projiziert.

   • Layover‑Effekte nehmen mit größer werdendem Blickwinkel ab.

3. Shadow (Schatten)

   • Der Bereich hinter dem Berg kann vom Sensor nicht gesehen werden.

   • Schatteneffekte nehmen mit größer werdendem Blickwinkel zu.

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Foreshortening (Verkürzung)

Ein zum Sensor geneigter Hang wird zuerst am Fuß und kurz danach am Gipfel getroffen, die Echozeiten liegen also eng beieinander.

​Da SAR diese Punkte in Reichweitenrichtung nach Echozeit sortiert, rücken sie im Bild zusammen und der Hang wirkt verkürzt und steiler, oft als helle, „zusammengedrückte“ Zone.

​

Layover (Überkippen)

Wird der Hang so steil, dass der Gipfel dem Radar näher ist als der Fuß, kommt das Echo vom Gipfel sogar früher an als das vom Fuß.

​Im Bild wird der Gipfel daher vor den Fuß gelegt, der Berg scheint in Richtung Sensor „umgekippt“, und Signale von Vordergrund, Hang und ggf. Dach überlagern sich zu einer sehr hellen, verzerrten Struktur.

​

Shadow (Radarschatten)

Die dem Sensor abgewandte Seite eines steilen Objekts wird von den Radarstrahlen nicht erreicht, ebenso der Boden direkt dahinter.

​Dort kommen keine Echos zurück, daher entstehen im SAR‑Bild schwarze bzw. sehr dunkle Bereiche ohne Textur; ihre Ausdehnung wächst mit steilerem Gelände und größerem Blickwinkel.

• HH: Horizontal gesendet, horizontal empfangen.

• VV: Vertikal gesendet, vertikal empfangen.

• VH: Vertikal gesendet, horizontal empfangen.

• HV: Horizontal gesendet, vertikal empfangen.

Mikrowellen sind elektromagnetische Wellen, deren elektrisches Feld in einer bestimmten Ebene schwingt; diese Ebene nennt man Polarisation.​Beim Radar kann das Antennensystem auswählen, ob es horizontal oder vertikal polarisierte Wellen aussendet und in welcher Polarisation es wieder empfängt, wodurch unterschiedliche Bezeichnungen wie HH, VV, HV oder VH entstehen.

Jeder der gezeigten Satelliten trägt mehrere Sensoren/Instrumente an Bord. Einer dieser Sensoren ist jeweils ein aktiver Mikrowellen‑Sensor in Form eines C‑Band‑Synthetic‑Aperture‑Radars (SAR); daneben gibt es oft noch weitere Instrumente, z.B. optische Sensoren oder Spektrometer.

Europäische C‑Band‑SAR‑Reihe:

Name + Sensor

ERS‑1 und ERS‑2 SAR

• C‑Band, 5,6 cm

• Polarisation: VV

• Auflösung:

  • Az: 6–30 m

  • Rg: 26 m

• Wiederholzyklus: 35 Tage

• Satelliten:

  • ERS‑1: 1991–2001

  • ERS‑2: 1995–2011

ENVISAT ASAR (Advanced SAR)

• C‑Band: 5,6 cm

• Polarisation: VV, HH, VV/HH, HV/VV, VH/VV

• Auflösung:

  • Rg × Az: 28 m

• Wiederholzyklus: 35 Tage

• Satelliten:

  • ENVISAT: 2002–2012

Sentinel‑1 SAR

• C‑Band, 5,5 cm

• Polarisation: VV+VH oder HH+HV

• Auflösung (Interferometric Wide Swath mode):

  • Az: 5 m

  • Rg: 20 m

• Wiederholzyklus: 12 Tage

• Satelliten:

  • Sentinel‑1A: seit 3. April 2014

  • Sentinel‑1B: seit 25. April 2016

Backscatter = Rückstreuung:

Fähigkeit eines Objekts, Radarsignale zum Sensor zurückzuwerfen

Radarquerschnitt:

Verhältnis zwischen empfangener und einfallender Signalintensität

Backscatter hängt ab von:

• Objektgröße: größeres Objekt = stärkere Rückstreuung

• Orientierung der Objekte (lokaler Einfallswinkel)

• Lokale Topographie

• Oberflächenrauigkeit

• Relativer Permittivität des Oberflächenmaterials

Was bedeuten diese Punkte?

Die Objektgröße beeinflusst, wie viel Radarenergie ein Objekt insgesamt zurückstreut: große Gebäude oder Bäume erzeugen meist ein stärkeres Signal als kleine Steine oder Grashalme. Die Orientierung ist wichtig, weil Flächen, die dem Radar „entgegengekippt“ sind, mehr Energie in Richtung Sensor spiegeln als Flächen, die vom Radar weg geneigt sind.

Lokale Topographie (Hänge, Täler, Exposition) verändert den effektiven Einfallswinkel und damit die Stärke des Backscatters. Eine raue Oberfläche streut das Signal in viele Richtungen und liefert daher oft ein stärkeres, aber diffuseres Rückstreusignal als eine sehr glatte Fläche, die wie ein Spiegel viel Energie in eine andere Richtung lenkt und im Bild dunkel erscheint.

Die relative Permittivität beschreibt, wie gut ein Material elektrische Felder „durchlässt“ oder speichert und hängt stark vom Wassergehalt ab. Nasse Böden oder feuchte Vegetation haben eine hohe Permittivität und streuen das Radarsignal deutlich stärker zurück als trockene, was in Radarbildern meist als hellere Pixel sichtbar wird.

Oberflächenrauigkeit

Die Rückstreuung hängt von der Oberflächenrauigkeit ab

• Keine Rückstreuung: Glatte Oberfläche, spiegelnde Reflexion

• Mäßige Rückstreuung: Mittlere Rauigkeit

• Starke Rückstreuung: Raue Oberfläche, diffuse Streuung

Scattering mechanisms = Streumechanismen

Rough Surface = Raue Oberfläche

• diffus verschiedene Richtung

• Oberfläche erscheint heller od. dunkler

Volume = Volumenstreuung

• dringt in Volumen aus vielen kleinen Streuelementen ein z.b. Baumkrone

• Welle wird mehrfach an Blättern, Zweigen und Stämmen gestreut

Double Bounce = Doppelte Reflexion / Double-Bounce-Streuung

• Welle refelektiert zwischen zwei nahezu senkrechten Flächen hin‑ und her

Backscatter beschreibt, wie stark eine Fläche das ausgesandte Radarsignal wieder zum Sensor zurückstreut. Je nach Material, Rauigkeit und Struktur einer Oberfläche fällt die Rückstreuung schwach, mittel, hoch oder sehr hoch aus.

Geringe Rückstreuung

• Glatte Oberfläche

• Ruhiges Wasser, Straßen

• Sehr trockenes Gelände, Sand

Mäßige Rückstreuung

• Mittleres Maß an Vegetation

• Ackerkulturen

• Mäßig raue Oberfläche

Hohe Rückstreuung

• Raue Oberfläche

• Dichte Vegetation, Regenwald

Sehr hohe Rückstreuung

• Städtische Gebiete

• Geländehänge, die zum Radar hin geneigt sind

• Sehr raue Oberfläche

Die Folie sagt: Für SAR‑Radar können Mikrowellen in Vegetation, Eis und trockenen Boden eindringen, und je länger die Wellenlänge, desto stärker bzw. tiefer ist die Penetration (X‑Band ≈ 3 cm, C‑Band ≈ 6 cm, L‑Band ≈ 23 cm).

„Wahl der SAR‑Frequenz“

• „Mikrowellen können in Vegetation, Eis und trockenen Boden eindringen“.earthdata.nasa​

• „Längere Wellenlänge = stärkere (tiefere) Penetration“.sciencedirect+1​

SAR‑Signalpenetration in Abhängigkeit von der Sensorwellenlänge:

• X‑Band ~ 3 cm

• C‑Band ~ 6 cm

• L‑Band ~ 23 

Erklärung

Die Skizzen zeigen, dass kurze Wellenlängen (X‑Band) vor allem an der Oberfläche oder an den Baumkronen streuen, während längere Wellenlängen (C‑ und besonders L‑Band) tiefer in Vegetation, lockere Sedimente (Alluvium) oder Gletschereis eindringen und daher auch von Strukturen unter der Oberfläche zurückgestreut werden. Der Grund ist, dass Materialien ihre dielektrischen Eigenschaften mit der Frequenz ändern: Bei niedrigerer Frequenz (längerer Wellenlänge) ist die effektive Dämpfung kleiner, sodass das Radar weniger schnell abgeschwächt wird und weiter in das Medium hineinreicht.

Für die Praxis bedeutet das:

• X‑Band ist gut, um Details der Oberfläche und der oberen Vegetationsschicht zu sehen, aber fast ohne Blick „unter“ die Oberfläche.

• C‑Band liefert ein gemischtes Signal aus Krone und etwas tieferen Schichten; es wird z.B. von Sentinel‑1 genutzt.

• L‑Band kann sogar den Boden unter lichter Vegetation oder Schichten in trockenem Boden und Eis erfassen und ist deshalb für Waldstruktur, Biomasse und Kryosphärenstudien besonders wertvoll.

Fernerkundung hydrologischer Variablen

Schnee

• Schneebedeckung/-fläche, Schneeäquivalent (Snow Water Equivalent), Gefrieren/Auftauen, …

Eisschilde und Gletscher

• Höhe, Fläche, Fließgeschwindigkeit/-richtung, Gefrieren/Auftauen, …

Land

• Bodenfeuchte, Grundwasser, Evapotranspiration, Abfluss, Feuchtgebiete, Bewässerung

Ozeane und Binnengewässer (Flüsse, Seen, …)

• Ausdehnung, Ozeanfarbe, Qualität (Trübung), Temperatur, Wind, Wassertiefe, Wasserstand, Salzgehalt, …

Atmosphäre

• Wolken, Niederschlag, Wasserdampf, …

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Meteorologische Dürre beginnt mit einem Niederschlagsdefizit an der Oberfläche und wirkt meist relativ kurzfristig, z. B. wenn es über Wochen deutlich zu wenig regnet. Wenn das Defizit anhält, überträgt es sich auf den Boden: Es entsteht eine Bodenwasser‑ bzw. landwirtschaftliche Dürre, bei der Pflanzen unter Wassermangel leiden, Erträge sinken und Vegetationsstress sichtbar wird.

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PEI: Standardisierter Niederschlags‑Evapotranspirations‑Index

• Standardisierung (z‑Transformation) von P – ET

• Wird aus Wetter‑Reanalysedaten berechnet

ESI: Evaporativer Stressindex

• Wird aus der Differenz zwischen potenzieller und tatsächlicher Evapotranspiration berechnet

• Tatsächliche ET basiert auf Thermaldaten (Landoberflächentemperatur)

SWI: Bodenwasser‑Index

• Abgeleitet aus Radarbeobachtungen

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