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 Aufklärungsflugzeug
Geschichte der Erdbeobachtung
 
Luftbilder
 
Im ersten Weltkrieg überflogen Aufklärungsflugzeuge die feindlichen Stellungen, um Truppenbewegungen zu beobachten. Flugzeuge wurden mit ganz normalen Fotoapparaten bestückt - so entstanden die Vorläufer moderner Fernerkundungssysteme. Mit Hilfe der Luftaufnahmen war es möglich, Informationen über Stellung und Stärke der feindlichen Truppen zu sammeln.

Im Zweiten Weltkrieg wurde diese Technik weiterentwickelt. Vor der Landung der Alliierten in der Normandie wurden Luftaufnahmen von der Küste gemacht, um geeignete Landepositionen ausfindig zu machen. Durch die Messung küstennaher Wellen konnte die Wellenlänge bestimmt und davon ausgehend die Wassertiefe berechnet werden. Es wurde Infrarotfilm eingesetzt, um grüne Vegetation zu erkennen und von Tarnnetzen zu unterscheiden

In den 60er Jahren wurden Filme entwickelt, die unterschiedlich auf verschiedene Wellenlängen reagierten. Hiermit ließen sich beispielsweise unterschiedliche Vegetationsarten kartografisch erfassen.

Kurze Zeit später wurden weitere Fernerkundungsverfahren entwickelt. Flugzeuggetragene Radarsysteme wurden experimentell zur Kartierung eingesetzt. 1960 wurde TIROS 1, der erste Wettersatellit, in seine Umlaufbahn geschossen. Er versorgte den meteorologischen Dienst der USA täglich mit Aufnahmen von Wolkenformationen und läutete ein neues Zeitalter in der Wettervorhersage ein.

Die Entwicklung nicht-fotografischer Fernerkundungssysteme schritt schnell voran, nachdem 1972 der erste Erkundungssatellit für die Kartografierung, Landsat 1, seine Umlaufbahn erreichte. Der Satellit verfügte über einen völlig neuen Sensortyp, den so genannten multispektralen Scanner (MSS). Diese Technologie lieferte Daten in Form einer digitalen chorologischen Matrix, wodurch wesentliche Fortschritte bei der Bildverarbeitung erzielt werden konnten.  
 
Satellite with multispectral scanner
Satellit mit multispektralem Scanner
Multispektrale Scanner
 
Heute ist der Scanner eines der wichtigsten Instrumente der Fernerkundung. Scanner werden auf der Erde, in Flugzeugen und in Satelliten eingesetzt. Die Detektoren jedes Scanners sind für Strahlungsmessungen in spezifischen Kanälen ausgelegt. Die spektrale Auflösung hängt von der Anzahl der Kanäle, ihrer Breite und Lage im elektromagnetischen Spektrum ab und ist je nach Sensor unterschiedlich. Die Kombination dieser Faktoren entscheidet darüber, für welchen Zweck die Satellitenbilder eingesetzt werden.

Rechts ist das Schema eines Scanners in einem rotierenden Satelliten zu sehen. Die Strahlung der abgetasteten Fläche auf der Erde trifft auf einen Spiegel und wird von dort aus durch einen optischen Filter geleitet, der die verschiedenen Wellenlängen trennt. Anschließend durchlaufen die Strahlen eine Reihe von Detektoren, die jeweils die Strahlungsmenge in ihrem Empfindlichkeitsbereich (Kanal) messen. Pro Kanal wird ein Messwert angegeben. Bei diesen Messwerten handelt es sich um Zahlen - der Scanner zeichnet also digitale Daten auf. Jeder Kanal liefert pro abgetasteter Fläche eine Zahl. Dadurch entsteht eine chorologische Matrix. Die Gesamtheit der von den einzelnen Kanälen gelieferten Zahlen bildet die spektrale Signatur der abgetasteten Fläche.

Der Spiegel reflektiert die Strahlung einer quadratischen Einheits-Fläche auf der Erdoberfläche. Die Größe dieser abgetasteten Fläche bestimmt die räumliche Auflösung des Bildes und hängt von der Optik des Aufnahmeinstrumentes und der Höhe des Flugzeuges oder Satelliten ab.

Der Satellit dreht sich um die eigene Achse, während er sich in seiner Umlaufbahn vorwärts bewegt. Bei jeder Umdrehung wird eine neue Scanlinie auf der Erde abgetastet. Da sich der Satellit auf seiner Umlaufbahn weiterbewegt, stellt ein Blendenmechanismus sicher, dass das Licht nur nach einem vorgegebenen Muster eingelassen wird. Die Scanlinien werden so in abgetastete Einheits-Flächen aufgeteilt. Dadurch werden Daten für eine chorologische Matrix gesammelt. Die Zahlen in der Matrix, d.h. die digitalen Daten, werden im normalen Funkverkehr an die Bodenstationen übertragen.

Beim sogenannten Pushbroom-Scanning wird eine lineare Anordnung von Detektoren rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Satelliten oder Flugzeugs ausgerichtet. Satelliten, die mit Pushbroom-Scanning arbeiten, rotieren nicht. Die Detektoren erfassen die chorologische Matrix, während der Satellit sich auf seiner Umlaufbahn weiterbewegt.

Modernste Militärsatelliten können Flächen mit einer Größe von maximal 10 x 10 cm abtasten. Die genaue räumliche Auflösung wird geheim gehalten, reicht aber aus, um Einzelheiten wie Personen, Fahrzeuge und kleine Anlagen zu erkennen.

Der Wettersatellit Meteosat verfügt über eine Auflösung von 5 x 5 km. Hier sind zwar weniger Details zu erkennen, dafür kann man aber mit nur einer Aufnahme eine Ansicht der ganzen Erde erfassen.
 
 
Hubbard glacier in the southeast of Alaska
Hubbard Gletscher
Radar
 
Radar emittieren die Strahlung, die sie später messen, und fallen daher unter die aktiven Sensoren. Im Gegensatz dazu sind passive Sensoren auf reflektiertes Sonnenlicht oder thermische Infrarotemissionen angewiesen. Ein Beispiel für solche passiven Systeme sind multispektrale Sensoren (s.o.).

Vereinfacht ausgedrückt, sendet ein Radar Signale zur Erdoberfläche. Ein Teil dieser Energie wird reflektiert und als „Echosignal” zurückgestreut. Die Stärke dieses „Echos” hängt dabei von der Oberflächenrauheit und dem Feuchtigkeitsgehalt der Fläche sowie dem Neigungswinkel/der Neigungsrichtung der Oberfläche im Verhältnis zum Radarstrahl ab. Aus der Zeitdifferenz zwischen Aussenden des Signals und Empfang des Echos lässt sich die Entfernung der zurüchstreuenden Oberfläche berechnen.

Das Ausstrahlen von Radarimpulse kostet den Satelliten sehr viel Energie und ist daher kostspielig und aufwändig. Die Radartechnologie ist jedoch so vielversprechend, dass für ihre Weiterentwicklung keine Investitionen gescheut werden.

Radare verwenden längere Wellenlängen, die Wolken und Dunst durchdringen und auch nachts Daten liefern können. Darin liegt der wesentliche Vorteil im Vergleich zu passiven Satelliten, die wolkenempfindlich sind und nur bei Sonnenlicht detaillierte Bilder liefern können.

Radar-Systeme werden in Flugzeugen und in Satelliten eingesetzt. Ihre Bilder liefern topografische Details. Wenn dieselbe Fläche von zwei verschiedenen Blickwinkeln aus abgetastet wird, kann die Entfernung zwischen Objekt und Satellit berechnet und daraus wiederum die Höhe über dem Meeresspiegel ermittelt werden (Radargrammetrie). Mit Hilfe solcher Daten lassen sich dreidimensionale Karten erstellen, die z.B. auch in den Steuersystemen von Marschflugkörpern zur Anwendung kommen. Die Raketensteuerung vergleicht die überflogene Landschaft mit dem vorgegebenen Modell und findet so automatisch ihren Weg zum Ziel. Aber auch im zivilen Bereich sind solche Daten hilfreich, beispielsweise bei der Einschätzung der Auswirkungen einer Überschwemmung.
 
 
Oben ist das Radarbild des Hubbard Gletschers im Südosten Alaskas wurde von Süden aufgenommen. Die Südhänge streuen das Mikrowellensignal des Radarsensors zum Satelliten zurück und erscheinen daher hell. Dunkle Schatten treten dann auf, wenn nur sehr wenig oder keine die Mikrowellenenergie nicht zum Radarsensor zurückgestreut wird. Die erfassten Daten sind bei diesem Verfahren sehr genau. So lassen sich beispielsweise Gletscherspalten erkennen.
 
 

 


 
 
 
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