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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.

Kolloquium zum Habilitationsverfahren von Stefan W. Dech, Universität Würzburg, Fakultät für Geowissenschaften

Wichtige geophysikalische Parameter durch

Satellitenfernerkundung

Landoberflächen– Albedo oder Reflexionsgrade– Anteil der zur Photosynthese genutzten Strahlung (FAPAR) – Blattflächenindex (LAI)– Oberflächentemperatur (LST)– Landoberflächenbedeckung und -nutzung– Feuchte, Rauhigkeit – (Bidirektionale Reflexionseigenschaften von Oberflächen)

Meeresoberflächen– Oberflächentemperatur (SST)– Gelbstoffe, Schwebstoffe– Chlorophyllkonzentration

Atmosphäre– Wolkenphysikalische Parameter (Bedeckungsgrad, Eis- und Flüssigwasserweg,

Strahlungstemperatur, Emissivität, optische Dicke)– Spurengaskonzentrationen (z.B. O3,,H2O, NO2, CH4, etc.)– Aerosol-optische Dicke– Niederschlag



Geophysikalische Parameter der Landoberfläche

Zum Spektralismus der AVHRR-Kanäle: Der Informationsträger

Kanal 1 Kanal 2 Kanal 3 Kanäle 4 und 5

Kanal 1: Absorption durch Blattpigmente (v.a. Chlorophyll)Kanal 2: Reflexionsmaximum durch gesunde Zellstruktur

Kanal 1: 0,55 - 0,68m solare ReflexionKanal 2: 0,725 - 1,1m solare ReflexionKanal 3: 3,55 - 3,93m solare Reflexion und

thermische AusstrahlungKanal 4: 10,3 - 11,3m thermische AusstrahlungKanal 5: 11,5 - 12,5m thermische Ausstrahlung



Der Vegetationsindex als normalisierte Differenz (NDVI) ist eine bezugslose Größe und definiert als

wobei NIR die Reflexionsgrade im AVHRR-Kanal 2 undVIS die Reflexionsgrade im AVHRR-Kanal 1 sind

Er liefert Information über die „Grünheit“ der Vegetation, definiert als Differenz der NIR- und VIS-

Reflexionsgrade die Dichte der Vegetation, definiert als das Verhältnis der vegetationsbestandenen

Fläche des betrachteten Bildelementes zur Gesamtfläche des Bildelementes und ist somit als Funktion von Art, Zustand und Dichte der Vegetationseinheiten zu

verstehen Er erlaubt die quantitative Bestimmung wichtiger Folgeparameter

wie die zur Photosynthese absorbierte Strahlung (FAPAR) den Blattflächenindex (LAI) die Landoberflächenbedeckung bzw. -nutzung den Emissionsgrad von Landoberflächen (z.B. zur Ableitung der

Landoberflächentemperatur)

Informationsgehalt des NDVI

VIS)(NIRVIS)(NIR

NDVI



NDVI als Schlüsselgröße für Folgeparameter

Reflexionsgradeam Oberrand der Atmosphäre

AVHRR-Kanäle 1 und 2

NDVINormalized Difference Vegetation Index

Zeitreihe

FAPARFraction of Absorpted Photosynthetically Active Radiation

LAILeaf Area Index

- single sided green leaf area per unit ground area -

Parameter Oberfläche

Strahlungstemperaturenam Oberrand der Atmosphäre

AVHRR-Kanäle 4 und 5

Vorverarbeitung / Korrekturen- Wolkenerkennung

- atmosphärische Prozesse- anisotropes Reflexionsverhalten der Landoberflächen

LSTLand Surface Temperature

LandbedeckungVegetationstypisieru

ng phänologischer

StandEmissionsgrad

Indikatoren und Parameter fürBiomasse, Phytomasse, Primärproduktion, Modellierung des Systems Erde/Atmosphäre



Beispiele geophysikalischer Parameter aus NDVI-Daten

Landbedeckung8 Klassen aus NDVI-Zeitreihe:- Städte und offener Boden- Landwirtschaftl. Nutzflächen- Sonderkulturen (z.B. Wein)- Weideland und Wiesen- Laubwälder- Nadelwälder- Mischwälder- Seen

FAPARZeitraum: 28.5.-5.6. 1996Wertebereich:von 0,0 bis 1.0Städte und vegetationsfreieGebiete sind weiß

LAIZeitraum: 28.5.-5.6. 1996Wertebereich:von 1,0 - > 8,0 Städte und vegetationsfreieGebiete sind weiß

LSTDatum: 5.6. 1996, 12:31 UTWertebereich:von 20 - 45 Grad CelsiusWolken sind weiß



„TOA“-basierte NDVI-Zeitreihe



Störgrößen bei der Berechnung des NDVI

Der NDVI wird „negativ“ beeinflußt durch Bodenart und Bodenfeuchtigkeit bei nicht vollständig vegetationsbedeckten

Bildelementen Anisotropie des Reflexionsverhaltens der beobachteten Objekte auf der Oberfläche

sowie durch nicht erkannte teilweise oder vollständig bewölkte Bildelemente und durch

Wolkenschatten atmosphärische Streu-, Reflexions-, Absorptions-, Transmissions- und

Emissionsprozesse durch Spurengase und Aerosole als Funktion des Satellitenzenitwinkels sowie durch Wolkenschatten

Folge: NDVI-Zeitreihen sind durch „Rauschen“ gekennzeichnet Dieses kann als Funktion der genannten Einflußgrößen verstanden werden



Störgrößen bei der Berechnung des NDVI

Neben der Güte der Kalibration der solaren Kanäle 1 und 2 der Beobachtungsrichtung (Sensor Erdoberfläche, Sonne Erdoberfläche, rel.

Azimut) der Vergleichbarkeit der „Hintergrundinformation“ (nasser Boden, trockener

Boden, etc.) einer guten Erfassung und dem Ausschluß bewölkter oder teilweise bewölkter

Bildelemente dem Ausschluß von Bildelementen unter Wolkenbeschattung

hängt die Qualität des NDVIs entscheidend ab vom atmosphärischen Zustand während der Aufnahme.

Daher: operationelle Bestimmung des NDVI mit hoher Genauigkeit schwierig!

Welche Lösungsansätze gibt es? Statistische Verfahren Modellierung der Zeitreihen „Atmosphären“-Korrektur der Eingabekanäle 1 und 2



Reduktion der Störgrößen durch Zeitsynthesen

Durch Bestimmung des maximalen NDVI-Wertes bei multiblen Messungen/Pixel

Vorteil: deutliche Reduktion der Wolkeneinflüsse, Reduktion atmosphärischer Störungen, operationell realisiert

Nachteil: Reduktion des Informationsgehaltes über den phänologischen Gang, Bevorzugungen von „Vorwärtsstreuern“, Einflüsse der Atmosphäre nur minimiert, aber nicht korrigiert,

absolute Genauigkeit daher nur eingeschränkt

NDVI-TagesmaximumwerteDatum: 1. Mai 1997Basis: 3 AVHRR-Aufnahmen um10.00 12.00 und 14.00 UT

NDVI-WochenmaximumwerteBasis: 21 AVHRR-AufnahmenZeitraum: 6. Bis 12. Mai 1997

NDVI-MonatsmaximumwerteBasis: 93 AVHRR-AufnahmenZeitraum: 1. bis 31. Mai 1997



NDVI-Zeitreihen am Beispiel des Nildeltas

MVCMärz 1996

MVCApril 1996

MVCMai 1996

Basis:Operationelle NDVI-Zeitreihen aus NOAA-14 AVHRRWertebereich: -0,1 bis 0,7

Zeitreihe bei 30° 38,55N 31° 34,56 E

März April Mai



Reduktion der Störgrößen durch Interpolation

Durch räumliche oder spektralanalytische Verfahren wie die Harmonische Reihe

Vorteil: Keine bewölten Bildelemente Nachteil: Wissen um phänologischen Gang der Vegetation pro Bildelement

erforderlich, nicht korrigierte Einflüsse von Wolkenschatten und v.a. atmosphärische Prozesse führen zu unsystematischen Fehlern

NDVI-Wochenmaximum15.-21. Mai 1995

Mit Harmonischer Analyseinterpolierter Datensatz

Gemessener und interpolierter NDVI-VerlaufOktober 1995 - März 1997 (4939,8 N, 850,2 E)



Reduktion der Störgrößen durch Atmosphärenkorrektur

Ziel: Berechnung von Reflexionsgraden des Bodens durch Korrektur der atmosphärischen Absorptions- und Streuprozesse

in den AVHRR-Kanälen 1 und 2

Welche Einflußgrößen müssen berücksichtigt werden? Sauerstoffabsorption (O2) Ozonabsorption (O3) Wasserdampfabsorption (H2O) Absortions- und Streuprozesse an Aerosolen Streuprozesse an Luftmolekülen in Abhängigkeit vom Luftdruck (Rayleigh-Streuung)

als Funktion von Satellitenzenitwinkel Sonnenzenitwinkel Elevation Relativer Azimut

Problem: „Exakte“ Lösung nur durch Kenntnis dieser Größen und Strahlungstransportgleichung für jedes Pixel möglich



Operationelle Atmosphärenkorrektur

Wissen: Seit einigen Jahren gibt es Strahlungstransportmodelle mit sehr hoher Genauigkeit, z.B. Fascode, Modtran, Lowtran, Exact, 5S oder 6S

Problem: Extrem hohe Rechenzeit selbst bei Hochleistungsrechnern Ansatz: Parametrisierung der Strahlungstransfergleichungen

Beispiel: Simplified Method for Atmospheric Correction (SMAC) durch RAHMANN & DEDIEU (1994)

Größe RMS MR [%]Wasserdampftransmission 0.0029 0.95Ozontransmission 0.0002 0.1Sauerstofftransmission 0.000074 0.021Direkte + diffuse Durchläss. 0.0039 1.24Sphärische Albedo 0.0019 4.9Optische Dicke Aerosol 0.00003 0.05Refl. Rayleigh + Aerosol 0.0008 3.09

Bodeneflexionsgrad VIS 0.0018 2.35Bodenreflexionsgrad NIR 0.0022 3.11

Vergleich 5S und SMAC NDVI-Berechnung „Europa“ (ca. 20 Mio Pixel)

SUN Ultra Sparc

5S: 4320 h (180 d) SMAC: 4,3 h



Klimatologien zur Atmosphärenkorrektur? Ozondynamik

Gesamtsäule Ozon aus ERS-2 GOME-Daten(GOME=„Global Ozone Monitoring Experiment“)Datum: 15.10.1997Interpolation: Harmonische ReiheEinheit: Dobson

Ozon-Klimatologie: OktoberBasis: Langjährige Mittel aus TOMS-DatenQuelle: Cospar International Reference Atmosphere (CIRA)Einheit: Dobson

200 250 300 350200 250 300 350



Variabilität des atmosphärischen Aerosols

Lidar-gemessenes AerosolInstitut für Atmosphärische Umweltforschung (IfU) Garmisch-Partenkirchen

Daten mit freundlicher Genehmigung von Dr. Jäger, IfU Garmisch-Partenkirchen

Mt. PinatuboEl Chichon

St. Helens

1980 1990



Klimatologien zur Atmosphärenkorrektur? Wasserdampf

Meteosat-6 „Wasserdampfkanal“

Datum:16. 10. 1997, 15:30 UTKalibration:Strahlungstemperaturen am Oberrand der AtmosphäreWertebereich: 220 bis 273 K von weiß nach schwarzSpektralbereich: 5,7 m - 7,1 m

- Strahlungstemperatur ist gekoppelt an die Menge des Wasserdampfes;

Wasserdampfverteilung ist dynamisch in Raum und Zeit. Berücksichtigung des Wasserdampfs durch Klimatologien erscheint ungeeignet

Bestimmung des Wasserdampfgehaltes aus Temperaturmessungen in den AVHRR-Kanälen 3, 4 und 5



Wasserdampfgehalt aus AVHRR-Kanaldifferenz T4-T5

Ansatz nach ROGER & VERMOTE (1997)

),*,(A

wobei

)T A(TU

v

oh

98100750

542

0 1 2 3 4 5 5

AVHRR-Kanal-5 im Vergleich zu AVHRR-Kanal-4 im Bereich höherer Extinktion

Größere H2O-Absorption im Kanal 5

Differenz der Strahlungstemperaturen T4 und T5 in linearer Abhängigkeit zum Wasserdampfgehalt bei bekanntem Emissionsgrad der Oberfläche (z.B. über Wasser)

Problem: Emissionsgrad der Landoberfläche a priori nicht bekannt! Daher: Differenz T4 und T5 enthält Information über H2O-Konzentration und Emissionsgrad der Oberfläche Ansatz: Bestimmung des Emissionsgrades durch Zusammenhang mit NDVI (nach Van de GRIEND & OWE (1993) und Quantifizierung des Anteils von durch Langzeitstatistik

Über Land kann nach ROGER & VERMOTE (1997) mit A=1,0 gerechnet werden.



Eingabequellen für operationelle Atmosphärenkorrektur

Sonnenzenitwinkel Berechnung über Orbit-Sensormodell (gelöst) Satellitenzenitwinkel Berechnung über Orbit-Sensormodell (gelöst) Relativer Azimut Berechnung über Orbit-Sensormodell (gelöst) Wolkendetektion Spektraler Ansatz (DECH 1996, 1997) Ozongehalt ERS-2 GOME-Daten (gelöst) Sauerstoffgehalt konstant als Funktion der Höhe uber NN

(gelöst) Bodenluftdruck GLOBE-Höhendaten (gelöst)

Wolkenschattendetektion Koppelung Winkel/Wolkentemperatur (noch zu implementieren)

Wasserdampfgehalt Temperaturdifferenz T4-T5 (ROGER & VERMOTE 1997)

Problem „Emissivität“ nur teilweise gelöst

Aerosoloptische Dicke Hintergrundaerosol (nicht gelöst über Land)



Ergebnisse der Atmosphärenkorrektur

-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8-0,1 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Datum: 5.6.1996NOAA-14 AVHRRNDVILinks: TOA-Reflexions- gradeRechts: Boden- Reflexionsgrade

vorher nachher



NDVI-Differenz „TOA“ und Bodenreflexionsgrade

0,0 0,25 0,5 0,75 1,0 1,25 1,5 1,75 2,0

Datum: 5.6.1996NOAA-14 AVHRR

vorher nachher

Häu

fig

keit

(%

)Differenz NDVIBODEN - NDVITOA

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