Spektrale Auflösung

 

Spektrale Satellitensensoren sehen die Erde grau. Dies liegt daran, dass sie jeden Wellenlängenbereich getrennt voneinander in so genannten Spektralkanälen aufnehmen. Hier nimmt er dann nur Helligkeitsunterschiede wahr. Blaues Licht wird im blauen, grünes Licht im grünen und rotes Licht im roten Kanal aufgenommen. Je mehr Kanäle ein Fernerkundungssensor hat, umso höher ist also die spektrale Auflösung eines Satelliten. Bei herkömmlichen Sensoren, wie die des Landsat-Satelliten, liegt die spektrale Auflösung bei 7 Kanälen (Abb.). Hierbei nehmen drei das sichtbare Licht, drei das Infrarot und einer die Wärmestrahlung der Erdoberfläche auf.

 

Kanäle eines typischen Mulitspektralsensors


Aufnahmekanäle eines typischen Multispektralsensors. Aufgenommen werden in diesem Beispiel das blaue, rote und grüne Licht sowie das nahe und mittlere Infrarot.

 

Dadurch, dass spektrale Sensoren mehrere Aufnahmekanäle zur Erdbeobachtung nutzen redet man auch von der multispektralen Fernerkundung. Es gibt aber auch Sensoren, die 200 oder mehr Aufnahmekanäle haben. In solchen Fällen spricht man nicht mehr von multispektral, sondern von hyperspektral. Die Frage, welche Spektralkanäle ein Sensor bekommen soll, richtet sich vornehmlich nach zwei Grundbedingungen: Die atmosphärischen Fenster und die spektrale Signatur des Beobachtungsobjekts.

 

Fenster und Banden

Bei spektralen Satellitensensoren gilt es zu beachten, dass sie nur den Teil der von der Erde ankommenden Strahlung aufnehmen können, die von der Atmosphäre durchgelassen werden. Die Atmosphäre der Erde enthält nämlich Gase und kleine Teilchen, wie z.B. Eiskristalle, Wassertröpfchen oder Staub. Diese sogenannten Aerosole absorbieren und streuen bestimmte Teile des elektromagnetischen Spektrums. Die Wellenlängenbereiche, die in der Atmosphäre für den Satellitensensor zur Erdbeobachtung "verloren" gehen nennt man Absorptionsbanden. Die, die durch die Atmosphäre zum Sensor gelangen, nennt man Atmosphärische Fenster. Die untere Abbildung zeigt, wie viel Prozent von der Erdoberfläche durch die Atmosphäre gelangt. Auch wird gezeigt, wie intensiv die Sonnenstrahlung in den einzelnen Wellenlängenbereichen überhaupt ist. Wie man sieht nimmt die Intensität, also die Strahlungsenergie je mehr ab, desto weiter man in den langwelligen Bereich des elektromagnetischen Spektrums vorstößt.

 

Absorptionsbanden der Atmosphäre

 

Absorptionsbanden der Erdatmosphäre. In den markierten Wellenlängenbereichen würde ein Satellitensensor so gut wie nichts empfangen. Um trotzdem das mittlere Infrarot zu erreichen, verbreitert man hier die Kanäle (s.o.).

 

Spektraler Fingerabdruck

Neben den Atmosphärischen Fenstern ist bei der Auswahl der spektralen Kanäle eines Sensors vor allem das Reflexionsverhalten von Objekten der Erdoberfläche interessant. Wie man in der unteren Animation sehen kann, reflektieren unterschiedliche Objekte in den verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums auch unterschiedlich.

 


Durch klicken auf die Buttons am unteren Bildrand kann man den spektrale Fingerabruck von Wasser, Boden und verschiedenen Vegetationszuständen ablesen.

 

So reflektiert trockener Boden bspw. besonders stark und kontinuierlich hoch im Infrarotbereich, während Wasser nur im sichtbaren Bereich des Lichts reflektiert und daran anschließend nur noch absorbiert. Ähnlich wie jeder Mensch einen eigenen markanten Fingerabdruck hat, haben auch Objekte der Erdoberfläche durch unterschiedliche Absorption und Reflexion von Licht einen spektralen Fingerabdruck, den man sich über eine geschickte Auswahl der Kanäle zu Nutze machen kann (siehe oben).

 

Unsichtbares Infrarot

Man muss bei der Festlegung der spektralen Auflösung eines Sensors also überlegen, ob er sich auf gewisse Objekte der Erdoberfläche spezialisieren soll oder nicht. Neben den Kanälen des sichtbaren Lichts, ist in der multispektralen Fernerkundung dabei vor allem der Infrarotbereich von großer Bedeutung.

Der infrarote Spektralbereich schließt sich im elektromagnetischen Spektrum direkt an das sichtbare Licht (0,3-0,7 Mikrometer) an und liegt in einem Wellenlängenbereich zwischen 0,7 und 1000 Mikrometer. Infrarote Strahlung ist für das menschliche Auge nicht sichtbar und unterteilt sich in das nahe (NIR), kurzwellige (SIR), mittlere (MIR), langwellige (LIR) und thermale Infrarot (TIR).

 

Bereiche des infraroten Lichts

Zum infraroten Spektrum gehören bspw. das Infrarot von Fernbedienungen oder die Wärmestrahlung. Infrarote Wellen besitzen größere Wellenlängen als das sichtbare Licht und sind für den Menschen nicht sichtbar.

 

Wie man in der oberen Animation zum spektralen Fingerabdruck sehen kann, ist gerade das Reflexionsverhalten von gesunder Vegetation sehr interessant. So reflektieren gesunde Pflanzen im grünen Bereich des Lichts recht stark, im roten und blauen aber eher gering. Dies liegt am Chlorophyll der Blätter, die zur Photosynthese die Energie des blauen und des roten, nicht aber des grünen Lichts nutzen. Im nahen Infrarot steigt die Reflexionskurve extrem steil an und verbleibt dann auf sehr hohem Niveau, bis sie zum mittleren Infrarot aufgrund von Absorption durch den hohen Wassergehalt in gesunden Pflanzen wieder abfällt. Woher aber kommt der sprunghafte Anstieg vom roten zum nahen Infrarot, der sogenannte red edge?

 

Infrarotreflexion bei Blättern


Ein Blatt reflektiert aufgrund seiner Struktur und seiner chemischen Zusammensetzung infrarotes Licht  doppelt so stark als grünes Licht.

 

Das liegt daran, dass infrarotes Licht an den Zellwänden der Blatt-Zellen mehrfach reflektiert wird. Aufgrund der hohen Reflexionswerte im infraroten Bereich heben sich gesunde Pflanzen (viel Chlorophyll und stabile Zellwände) im Infrarot-Kanal von Satellitenbildern besonders gut ab. Könnte der Mensch infrarot sehen, so würden Blätter also nicht grün, sondern infrarot erscheinen.

 


Der spektrale Fingerabdruck eines Blattes im Verlaufe der Zeit.

 

 

Die Animation zeigt, wie sich die Reflexionseigenschaften und damit der spektrale Fingerabdruck eines Blattes im Laufe der Zeit verändern. Deutlich erkennt man, dass der oben beschriebene red edge bei gesunden Pflanzen sehr ausgeprägt ist. Welkt eine Pflanze, verringert er sich recht schnell.

 

Wärmestrahlung in der Fernerkundung

Wie man es von Infrarotlampen kennt, gehört die Wärmestrahlung auch zum infraroten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Anders aber, als das nahe bis langwellige Infrarot, ist das thermale Infrarot keine Form der reflektierten Sonnenstrahlung. Vielmehr ist es die bei der Absorption entstehende Eigenstrahlung der Erdoberflächen-Objekte. Alle Körper, seien sie nun belebter oder unbelebter Art, geben an ihre Umgebung Wärme ab. Einige mehr, andere weniger. Die Fernerkundung kann sich mittels des Thermalkanals diese Art Strahlung zunutze machen. Seine Bilder besitzen eine geringere räumliche Auflösung als andere Kanäle, da die Thermalstrahlung der Erde nicht so intensiv ist, wie die reflektierte Sonnenstrahlung.

 

 

Roter und thermaler Aufnahmekanal im Swipe. Welcher ist welcher? (Bilder von USGS/NASA Landsat Program)

 

 

Im Swipe oben befindet sich ein multispektrales Bild von Berlin im Sommer. Zu sehen sind der rote Kanal und der Thermalkanal. Deutlich erkennt man, dass das Bild des roten Kanals keinen großen Unterschied zwischen Stadt- und Waldflächen macht, während sich im Thermalkanal die Stadt wie eine große hellgraue Fläche vom Umland abhebt. Dies liegt daran, dass die Materialien, aus denen Städte hauptsächlich bestehen (Asphalt, Zement, Beton, Ziegel etc.) eine geringe Albedo aufweisen und sehr viel Wärme speichern und abgeben können. Gerade nachts sind Städte deshalb viel Wärmer, als ihr Umland. Aufgrund dieses Wärmegradienten (=Wärmeunterschied) nennt man Städte auch "Wärmeinseln".

 

Wie genau die Fernerkundung vom Infrarot-Bereich und von der thermalen Strahlung noch profitieren kann, erfährt man hier.

 


Fazit:

Spektrale Aufnahmesysteme der Fernerkundung nehmen jede Wellenlänge für sich in Spektralkanälen auf, sodass für sie je ein Grauwertbild entsteht. Je mehr Kanäle ein Spektralsensor hat, um so höher ist seine spektrale Auflösung. Ordnet man drei Grauwertbildern eine Grundfarbe zu, so erhält man ein Echt- oder Falschfarbenbild. Dadurch, dass Objekte der Landoberfläche in den verschiedenen Wellenlängenbereichen auch unterschiedliche reflektieren und absorbieren, besitzen sie einen charakteristischen Fingerabrduck. Gesunde Vegetation zeichnet sich bspw. durch den red edge, dem steilen Anstieg der Reflexionskurve vom roten zum infraroten Licht, aus. Die spektrale Auflösung von vielen Sensoren reicht sogar bis in den thermalen Bereich des elektromagnetischen Spektrums.