Hyperspektraltechnik revolutioniert die Erdbeobachtung

Die French Frigate Shoals gesehen von CHRIS an Bord von Proba-1
31 März 2010

Es gibt einen vielversprechenden Trend in der Erdbeobachtung: Satelliten mit Hyperspektralsensoren. Wissenschaftler erwarten von ihnen einen gewaltigen qualitativen Erkenntniszuwachs – das ist eine der Grundaussagen des im März 2010 am ESRIN im italienischen Frascati durchgeführten „Hyperspectral Workshop 2010“.

Annähernd 200 Wissenschaftler der Europäischen Weltraumorganisation ESA, des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Deutschen GeoForschungsZentrums Potsdam (GFZ), der italienischen Raumfahrtagentur ASI und der amerikanischen Luft- und Raumfahrtbehörde NASA nahmen daran teil. Sie präsentierten neueste Hyperspektraldaten des ESA-Forschungssatelliten PROBA 1 und stellten Forschungskonzepte der in Entwicklung befindlichen Hyperspektralmissionen PRISMA, EnMAP und HyspIRI vor.

Hyperspektral schlägt multispektral

Neben optischen und Radarsensoren stellen Hyperspektralsensoren die wichtigste und zugleich neueste Technologie der satellitengestützten Geofernerkundung dar.

Die wesentlichen Vorteile eines abbildenden Spektrometers gegenüber den operierenden Multispektralsystemen mit ihren wenigen und breiten Spektralkanälen liegen in der erheblich verbesserten Genauigkeit bei der Erfassung von Oberflächenmaterialien und in der einzigartigen Detektion von Mineralen. Mit der Hyperspektraltechnik lassen sich also präzise Aussagen über den Zustand der Erdoberfläche treffen sowie Mineralien und Vegetation identifizieren.

ESA und NASA testen Hyperspektraltechnik im Weltraum

Artist's impression of Proba-1 in orbit
Proba im Orbit - künstlerische Darstellung

Hyperspektralsensoren mit ihren bis zu mehreren hundert engen Spektralkanälen registrieren die von der Erde reflektierte Strahlung vom sichtbaren Licht bis hin zum kurzwelligen Infrarot. Erste Tests mit einem flugzeuggetragenen System AVIRIS (Airborne Visible Infra Red Imaging Spectrometer) führte die NASA 1987 durch. Das US-Militär testete wenig später adäquate Systeme in einigen ihrer Satelliten.

Der reguläre Einsatz von Hyperspektralsensoren im All begann mit den Satelliten Earth Observing-1 der NASA (2000) sowie Proba-1 der ESA (2001). Proba verfügt über das „Compact High Resolution Imaging Spectrometer“ CHRIS mit 62 Kanälen, EO-1 über das 220-Kanal-Hyperspektrometer Hyperion.

Beide Sensoren sind – obwohl für viel kürzere Betriebsdauern ausgelegt – immer noch aktiv. Allein CHRIS liefert mit seinen Messdaten zur Beschaffenheit der Landmassen und Küstenzonen die Arbeitsbasis für 300 Wissenschaftlerteams in 50 Ländern.

CHRIS und Hyperion haben jedoch einen Nachteil: Sie können die Erde nicht global erfassen. Das soll sich in den kommenden Jahren ändern. Drei Hyperspektralsensoren der nächsten Generation wollen die Geofernerkundung revolutionieren: PRISMA (Italien), EnMAP (Deutschland) und HyspIRI (USA).

PRISMA (Italien): Technologische Erprobungen

Die italienische Raumfahrtagentur plant für 2012 den Start von PRISMA (PRecursore Iper Spettrale della Missione Operativa).

„PRISMA ist ein Erdbeobachtungssystem, dass einen Hyperspektralsensor mit einer hochauflösenden Kamera vereint. Der Vorteil dieser Kombination besteht in einer höheren Raumauflösung“, erklärt Systemmanager Giancarlo Varacalli. Das über 235 Spektralkanäle verfügende Gerät dient vor allem technologischen Erprobungen. „Es ermöglicht den Einsatz auf vielen Gebieten“, sagt Missionsmanager Francesco Longo und hebt besonders die Bereiche „Landwirtschaft, Umweltschutz und nationale Sicherheit“ hervor.

EnMAP (Deutschland): Neue Qualität von Umweltinformationen

Going hyperspectral
Hyperspektrale Geofernerkundung

DLR und GFZ planen für 2014 den Start von EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program). Sein Hyperspektrometer soll die Erdoberfläche gleichzeitig in mehr als 200 Spektralkanälen zwischen 420 und 2450 Nanometer erfassen – vom sichtbaren Bereich bis zum kurzwelligen Infrarot. Die spektrale Auflösung beträgt nur zehn Nanometer. Damit wird eine optimale diagnostische Erfassung bio-, geochemischer und geophysikalischer Parameter erreicht. Die Bodenauflösung von 30 x 30 Meter Pixelgröße erlaubt die tägliche Erfassung eines Datenstreifens von 30 Kilometer Breite und 5000 Kilometer Länge.

Der auf einer 650 Kilometer hohen polaren Umlaufbahn operierende Satellit kann um bis zu 30 Grad geschwenkt werden. Zur Beobachtung veränderlicher Phänomene ist das ein sehr großer Vorteil. Wesentliches Ziel der EnMAP-Mission ist die globale Beobachtung und Analyse von Ökosystemparametern. Das schließt Untersuchungen charakteristischer Merkmale von Böden und Gesteinen, Küsten- und Süßwasserbereichen sowie Land- und Forstwirtschaft ein. Es geht um detaillierte Informationen über Art und Zustand der Vegetation, der Landnutzung, der Zusammensetzung der Gesteine, der Gewässer und der Kontamination der Umwelt in bisher unerreichter Qualität.

HyspIRI (USA): Erfassung von Umweltereignissen

Auch die NASA hat das Potenzial erkannt und will 2015 ihr Spektrometer HyspIRI (Hyperspectral InfraRed Imager) mit 210 Kanälen ins All bringen. Mit Hilfe dieser Daten sollen vielfältige Prozesse registriert, studiert und transparent gemacht werden, darunter vulkanische und tektonische Aktivitäten, der Wasser- und Nährstoffhaushalt der Vegetation sowie die weltweite Abholzung. HyspIRI soll aber auch als Frühwarnsystem für drohende Trockenheit fungieren.

Globales satellitengestütztes Beobachtungsnetz

Mit den drei Hyperspektralsensoren entsteht in den nächsten fünf Jahren ein satellitengestütztes Beobachtungsnetz, das eine neue Ära in der Erdbeobachtung einläutet. Dank der globalen Erfassung der an der Erdoberfläche anstehenden Objekte und ihrer Merkmale in hoher spektraler und räumlicher Auflösung entstehen qualitativ hochwertige Datensätze. Sie dienen als Eingangsdaten für verfeinerte Umweltmodelle und damit zu einem besseren Verständnis globaler Naturkreisläufe.

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