Spektroskopie

 

Wenn im Alltag von Satellitenbildern gesprochen wird, so sind damit meistens Bilder von spektral-digitalen Aufnahmesystemen gemeint. Natürlich können diese Systeme aber auch an Flugzeugen angebracht sein.
Was genau sind nun spektral-digitale Aufnahmesysteme bzw. Spektroskopie? Sie arbeiten mit Sonnenlicht, das von der Erdoberfläche zurückgeworfen wird. Es ist also, wie photographisch-digitale Systeme, ein passives Aufnahmeverfahren der Fernerkundung.

Spektral-digitale Aufnahmesysteme nehmen das von der Erde reflektierte Sonnenlicht nach Wellenlängen getrennt in sogenannten Aufnahmekanälen auf. Das bedeutet, dass spektrale Aufnahmesensoren für verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums jeweils einen Aufnahmekanal besitzen. Viele spektrale Fernerkundungssensoren besitzen dabei einen Kanal für das rote Licht, einen für das grüne, einen für das blaue und noch zwei für das infrarote Licht. Das Produkt eines jeden Aufnahmekanals ist ein sogenanntes Grauwertbild. Was ist das?

 

Reflektiertes Licht im Rasterbild

Ein Fernerkundungssensor nimmt von der Erde reflektiertes Licht auf und speichert es als Zahlen im Raster ab - die Zahlen geben die Intensitäten der Reflexion eines Areals wieder.

 

Grauwertbilder sind keine bloßen Fotos. Hinter einem solchen Bild stecken vielmehr tausende Zahlen, die in Spalten und Zeilen angeordnet sind. Diese Anordnung nennt man Raster. Die einzelnen Zellen in einem solchen Raster werden Pixel genannt. Was sind das für Zahlen in einem solchen Rasterbild?

 

Verschiedene Intensitäten

 Reflektiert eine Fläche viel Sonnenlicht, so wird der Fläche im Raster eine hohe Zahl zugewiesen. Absorbiert eine Fläche viel Sonnenlicht, so wird der Fläche im Raster eine niedrige Zahl zugewiesen.

 

Es sind Grauwerte. Sie geben die Intensität des von der Erde reflektierten Lichts wieder (Abb.). Reflektiert eine Fläche sehr viel rotes Licht, wie beispielsweise Tennisplätze, so erscheint diese Fläche auf dem Grauwertbild des roten Kanals ganz weiß und auf dem des grünen Kanals eher schwarz.
Im Swipe unten sieht man zwei verschiedene Grauwertbilder von Bonn. Eines wurde im grünen Kanal und eines im nahen Infrarot-Kanal aufgenommen. Welches Grauwertbild gehört wohl welchem Kanal?

 

 

Grauwertbilder des grünen und infraroten Kanals. Was ist was? (Bilder von USGS/NASA Landsat Program)

 

 

Wie können Satellitenbilder, wie man sie z.B. im Internet findet, farbig sein, wenn doch die Bilder eines jeden Satellitenkanals grau sind? Dies geschieht, indem man Bilder aus verschiedenen Wellenlängenbereichen (= Kanäle) übereinander legt und ihnen bestimmte Farben zuweist. Wie dies funktioniert, kann man im interaktiven Grauwertbild-Mixer ausprobieren:

 

Wenn „Papa Schlumpf“ mit roter Hose und blauer Haut dargestellt werden soll, dann muss man den drei Grauwertbildern der Kanäle "Rot", "Grün" und "Blau" die richtigen Farben zuordnen. Das Grauwertbild, auf dem die Hose weiß erscheint, müsste man auf das rote Feld legen, denn weiß zeigt in Grauwertbildern an, dass in diesem Bereich sehr viel von der jeweiligen Farbe aufgenommen worden ist. Das Grauwertbild, auf dem „Papa Schlumpfs“ Haut wiederum weiß erscheint, gehört dann vermutlich zum blauen Kanal und müsste auf das blaue Feld gelegt werden. Wenn man jetzt noch das dritte Bild auf das grüne Feld legt, bekommt man „Papa Schlumpf“ so angezeigt, wie man ihn kennt. Das entstandene Farbbild nennt man deshalb auch Echtfarbenbild. Wenn man sich vertan haben sollte und „Papa Schlumpf“ z.B. eine grüne Hose und eine gelbe Haut bekommen hat, dann hätte man ein sogenanntes Falschfarbenbild erzeugt.

 

 

Im Grauwertbild-Mixer kann man versuchen ein Echtfarbenbild von Papa Schlumpf zu erzeugen!

 

 

Echtfarbenbilder und Falschfarbenbilder gibt es auch bei digitalen Satellitenbildern. Im Grauwertbild-Mixer unten sieht man nun statt der Grauwertbilder von Papa Schlumpf, Grauwertbilder eines Satelliten. Zu sehen sind die wegen ihrer Form berühmten Oasen von Kufra in Libyen. Allerdings sind nun vier Bilder vorhanden. Neben den bereits bekannten Grauwertbildern des roten, grünen und blauen Kanals muss also noch eines hinzugekommen sein. Hierbei handelt es sich um ein Grauwertbild des sogenannten Infrarot-Kanals. Während rotes, blaues und grünes Licht für das menschliche Auge sichtbar ist, ist infrarotes Licht für den Menschen unsichtbar.

 

 

Spektrale Sensoren haben meist mehr als drei Aufnahmekanäle. Es wird nun schon schwieriger im Grauwertbild-Mixer ein Echtfarbenbild zu erzeugen (Bilder von USGS/NASA Landsat Program.


 

Bei „Papa Schlumpf“ wäre ein Falschfarbenbild nicht sehr sinnvoll. In der Fernerkundung haben Falschfarbenbilder aber durchaus einen Sinn, z.B. zur besseren Unterscheidung von Vegetation und Gewässern. Dazu wird der Farbe Rot statt dem roten Kanal der Infrarot-Kanal zugewiesen. Der rote Kanal wird wiederum auf Grün gelegt und der grüne Kanal auf Blau. Das mag verwirrend klingen, bringt im Ergebnis aber Dinge an der Landoberfläche zum Vorschein, die vorher nur schwer erkennbar gewesen sind. Das Unsichtbare wird also sichtbar gemacht.

 

Mit dem Swipe-Tool kann man dies einmal ausprobieren. Es wird sich zeigen, dass man Unterschiede innerhalb von Waldflächen viel besser im Falschfarbenbild ausmachen kann als im Echtfarbenbild.

 


Fazit:

Wie Photographische Systeme, nehmen auch spektrale Systeme das von der Erdoberfläche reflektierte Sonnnelicht auf, allerdings getrennt voneinander in sogenannten Aufnahmekanälen. Für jeden Spektralbereich gibt es einen eigenen Aufnahmekanal. Das Produkt eines Aufnahmekanals sind Grauwertbilder, die die Intensität der aufgenommenen Strahlung wiedergeben. Kombiniert man die Grauwertbilder des sichtbaren Lichts (Rot, Grün, Blau) richtig, so entsteht ein Echtfarbenbild. Bei allen anderen Kombinationen entstehen Falschfarbenbilder.