Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Institut für Meteorologie und Geophysik
Einführung in die Fernerkundung
Leopold Haimberger
Sommersemester 2014
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Über den Vortragenden …
• Ao. Prof. Leopold Haimberger– [email protected]– http://homepage.univie.ac.at/
leopold.haimberger/– Zimmer 2F512, Tel. 4277-53712
• “Sprechstunde”: nach den UE
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Vorlesung
• Fr, 9.00-11.00, Raum 2E206• Übungen Fr 12-13 und 13-14, Raum 2F513
• Prüfung: mündlich, nach Ende der VO– Termine: nach Vereinbarung
• Unterlagen:– ftp://srvx7.img.univie.ac.at/pub/Fernerkundung/
Aus dem Studienplan
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
ECTS Gesamt: 5 NPI: 3 PI: 2Beschreibung/Inhalt Das Modul führt in das Gebiet der Fernerkundung ein und hatfolgende Schwerpunkte:− Elektromagnetisches Spektrum− Radianz, Strahlungsgesetze− Wechselwirkung: elektromagnetische Strahlung und Materie− Das Vorwärts- und das Retrievalproblem− Elektrooptische Systeme− Temperatur- und Spurenstoffprofile− Limb-sounding− Passive und aktive Mikrowellensysteme− RADAR/LIDAR− Streuungsmesssysteme− Plattformen für remote sensing (Satellit, Flugzeug, …)− Grundzüge der Datenauswertung
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Zeitplan-Vorlesung Termin Thema 7.3.2014 Überblick, Geschichte, Klassifizierungen
14.3.2014 Strahlungstransfer 21.3.2014
Strahlungstransfer
28.3.2014
Passive Mikrowellensysteme
4.4.2014
Assimilation von Satellitendaten
11.4.2014
Assimilation von Satellitendaten
2.5.2014
Infrarotsysteme
9.5.2014
16.5.2014
Assimilation von Satellitendaten
23.5.2014
Aktive Mikrowellensysteme
30.5.2014
RADAR und LIDAR
6.6.2014
Windprofiler
13.6.2014 GPS Radiookkultation 20.6.2014 Reserve 27.6.2014 Prüfungen
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Kenntnisse, die vorausgesetzt oder nur kurz wiederholt
werden• Lineare Algebra – Matrizen und Matrixfaktorisierungen– Vektorräume– Normen, Projektionen– Orthogonalität– Eigenwerte und -funktionen
• Analysis– Reihen harmonischer Funktionen– Taylorreihen– Komplexe Zahlen und Funktionen– Lineare Differentialgleichungen und Wellengleichungen
• Theoretische Meteorologie• Elektronische Datenverarbeitung
– Elementare MATLAB-Kenntnisse
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Literatur• Stephens, G. L., 1994: Remote
Sensing of the Lower Atmosphere• Reese, W. G. 2001: Physical
Principles of Remote Sensing• Bauer, P.,2002: Introduction to
Microwave radiative transfer• http://www.ecmwf.int/training/
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
1. Einleitung
1.1 Definition: Die Fernerkundung (englisch: Remote
Sensing) ist die Gesamtheit der
Verfahren zur Gewinnung von
Informationen über die Erdoberfläche
oder anderer nicht direkt zugänglicher
Objekte durch Messung und
Interpretation der von ihr
ausgehenden (Energie-)Felder. Als
Informationsträger dient dabei meist
die reflektierte oder emittierte
elektromagnetische Strahlung
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
1.2 Geschichtliches: Fotos und
Luftaufnahmen
Die erste Luftbildaufnahme von Gaspard Felix Tournachon (Nadar) aufgenommen von einen Fesselballon 1,700-ft. über Paris (Frankreich, 1858).
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Im 19.Jh Entdeckung der elektromagnetischen Wellen: IR durch HerschelUV durch RitterRadiowellen durch Hertz
1863 Theorie der elektromagnetischen Wellen (Maxwell)
1886 Radiowellen werden an metallischen Gegenständen reflektiert (Hertz)
Luftfotographie ab Mitte 19.Jh zunächst noch von Ballonen und Drachen, dann von Flugzeugen
1904 Ortung von Schiffen, Zügen mit Radiowellen
Ziviler Nutzen der neuen Technik in der Zwischenkriegszeit in der Kartografie, Geologie, Land- und Forstwirtschaft.
1.2 Geschichtliches:
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Zweite Weltkrieg brachte Entwicklungsschub (IR-Geräte, Radar)
Falschfarbenfilme entwickelt in den 50er Jahren wurden zur Erstellung von Vegetationskarten verwendet
60er Jahre: Erste Sensoren im All (TIROS-1, April 1960)
Juli 1972: Start des ERST Satelliten durch die NASA (Landsat).
1979: Assimilation von TOVS Satellitendaten in die numerische Wettervorhersage
1985: Earth Radiation Budget Experiment – Beginn des Klimamonitoring mit Satellitendaten
Seither: Ein enormer Boom von Satelliten und bodengestützten Fernerkundungssystemen für ein breites Anwendungsspektrum
1.2 Geschichtliches – Satelliten und digitale Bildverarbeitung
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Hurricane Mitch, 271098
Buschfeuer
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Satellitengestütztes Wetter- und Klimabeobachtungssystem
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
1.3 Anwendungen:
Hohe Kosten der Entwicklung und des Betriebes
gerechtfertigt durch globale Bedeckung, hohe
Frequenz und digitale Echtzeitverfügbarkeit von
Daten.- Atmosphäre:
- Temperatur- Niederschlag- Verteilung und Art der Wolken- Windgeschwindigkeiten- Konzentrationen von Spurenstoffen
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1.3 Anwendungen an Oberfläche: - Topographie- Temperatur- Albedo- Bodenfeuchtegehalt- Vegetationstypen- Energiespektra der Meereswellen- Farbe- Dynamisches Verhalten v.
Meereis,Eisbergen- etc
European Centre for Medium Weather Forecasts
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13 co-operating states
Iceland
CzechRepublic
Slovenia
Romania
Serbia
Hungary
Croatia
Estonia
Lithuania
Morocco
Slovakia
Latvia
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Am ECMWF assimilierte Daten
• SYNOP/SHIP/METAR– Ps, Wind-10m, RH-2m
• AIREP– Wind, Temp
• DRIBU– Ps, Wind-10m
• TEMP/DropSONDE– Wind, Temp, Spec
Humidity• PILOT
– Wind profiles
• ATOVS and AIRS– HIRS, AIRS and AMSU
radiances• SSM/I
– Microwave radiances (clear-sky)
– TCWV in rain and clouds• Meteosat/MSG/GOES
– Water Vapour IR-channel, AMVs
• QuikSCAT and ERS-2– Ambiguous winds-10m
• GOME/SBUV– Ozone retrievals
• GPS-RO/ COSMIC– Bending angle
• SSMIS• TMI• AMSR-E• ASCAT• IASI
Conventional Satellite
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Fernerkundungsdatentypen am ECMWF
Radio occultation
Geo IR and Polar MW Imagers
Feature tracking in imagery (e.g. cloud track winds), scatterometers and doppler winds
Geo IR Sounder
Radar andGPS total path delay
PolarIR + MWsounders
FeuchteMasse
Wind
Spurenstoffe
Ultraviolet sensors
Sub-mm,and near IR plusVisible (e.g. Lidar)
IR = InfraRedMW = MicroWave
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0
2
4
6
8
10
12
14
16
num
ber
of d
ata
used
per
day
(mill
ions
)
1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009
Year
quantity of satellite data used per day at ECMWF
CONV+SATWINDS
TOTAL
Zunahme assimilierter Satellitendaten
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Einfluss auf Vorhersagequalität
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
FC-Qualität steigt durch verbesserte Assimilation von Satellitendaten
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Zwei dumme Fragen:
• Wie nutzt ein Vorhersagezentrum Satellitendaten?
• Wie kann man den atmosphärischen Zustand (real oder in einem Modell)– d.h. thermodynamische Zustandsgrößen in
einem atmosphärischen Volumen• mit Satellitendaten
– meist spektrale Radianzen• vergleichen?
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Zwei Vergleichsmöglichkeiten
1. Man berechnet die beobachtete Radianz y aus dem atmosphärischen Zustand x
– Das Vorwärtsproblem: Y=H(x)
2. Man berechnet den atmosphärischen Zustand x aus der Radianz y
– Das Retrieval-Problem x=HT(y), auch als Inverses Problem bezeichnet
– Das Retrieval Problem ist fast immer unterbestimmt!
3. H ist der Beobachtungsoperator. In ihm steht die Meß- und Strahlungsphysik
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Aus Vorhersage berechnetes Meteosat-Bild
Observedsatellite radiance
Model radianceModelT and q
H compare
Meteosat imagery
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Near-IR satellite observations – CH4 and CO
Near-infrared (Sciamachy) and infrared (AIRS) instruments provide estimates of CH4, CO, and CO2.
These observations show, among other things, clearly the effect of wetlands, rice paddies, pollution, and biomass burning on atmospheric concentrations.
Retrievals
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Retrieval aus visible channel - Aerosol
Aerosol is usually measured as the total impact on the radiation observed by the satellite. This does not account for the various types of aerosols (e.g., sea salt, desert dust).
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Formaldehyde total columnGEMS HCHO: Mean 20030715-30
Unit: 1015 molec/cm2
GOME: July 2001
http://www.gse-promote.org/
GEMS HCHO is of the right order of magnitude
Einführung in die Fernerkundung, SS 2014
Systematik der Vorlesung• Einführung Strahlungstransfer• Einführung eines relevanten satelliten-
gestützten Messverfahrens• Erklären des Messprinzips,
Formulierung des Beobachtungsoperators
• Lösung des Retrievalproblems• Weitere Meßsysteme
Strahlungstransfer• Wiederholung der Grundlagen
– Radianz und Irradianz– Optischer Weg– Planck‘sches Gesetz
• Strahlungsübertragungsgleichung• Anwendung für passive remote
sensing• Anwendung für Energiehaushalt• Skriptum/Buch Theoretische
Meteorologie I (em. Prof. Hantel)Einführung in die Fernerkundung, SS 2014