Es geht noch bunter 1

Hyper statt Multi

Lange Zeit hatten spektral-digitale Systeme zur Fernerkundung der Erde, die meist an Satelliten angebracht werden, nicht mehr als 5-10 Aufnahmekanäle. Das bedeutet, dass sie gewisse Bereiche des elektromagnetischen Spektrums getrennt voneinander aufnehmen können, wie z.B. rotes, grünes und blaues Licht oder Infrarotstrahlung. Das Hauptproblem bei diesen sogenannten multispektralen Systemen ist, dass ihre Aufnahmebereiche nur eine gewisse Wellenlängenbreite besitzen. Strahlung mit einer Wellenlänge von 0,49 Mikrometern oder mit einer Wellenlänge von 0,57 Mikrometern wird bspw. im gleichen Kanal aufgenommen und damit gleichbehandelt.

 

Nun ist es aber so, dass jedes Material der Erdoberfläche einen ganz bestimmten spektralen Fingerabdruck besitzt. Im groben haben ähnliche Materialien auch ähnliche spektrale Eigenschaften. Möchte man aber bspw. verschiedene Pflanzenarten unterscheiden, so kann es wichtig sein, auch sehr kleine spektrale Unterschiede zu erkennen. Herkömmliche multispektrale Aufnahmesysteme würden nicht erkennen können, ob eine Pflanze bei 0,49 Mikrometer mehr absorbiert als bei 0,57 Mikrometern. Stattdessen mitteln diese Aufnahmesysteme die empfangenen Reflexionswerte über die gesamte Wellenlängenbreite des Kanals.

 

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.

 

Um diese Unschärfe von multispektralen Aufnahmesystemen zu beheben, wurden in den letzten Jahren spektrale Systeme entwickelt, die bis zu 250 Aufnahmekanäle besitzen. Zwar decken sie ähnliche Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ab, doch mit einer viel kleineren Kanalbreite. So ist es ihnen möglich unterschiedliche Reflexionseigenschaften von Materialien im Bereich von 1-5 Mikrometern zu erkennen.

 

Kanäle eines typischen Hyperspektralsensors


Aufnahmekanäle eines typischen Hyperspektralsensors. Aufgenommen wird in diesem Beispiel das komplette Spektrum vom blauen Licht bis hin zum mittleren Infrarot in 128 eng beieinander liegenden Aufnahmekanälen. 

 

Diese spektralen Aufnahmesysteme nennt man aufgrund ihrer enormen Kanalanzahl auch nicht mehr multispektral sondern hyperspektral. Den Unterschied zwischen multi- und hyperspektralen Daten kann man sich veranschaulichen, wenn man die einzelnen Bilder der verschiedenen Kanäle übereinanderlegt. Bei hyperspektralen Systemen entsteht daraus ein Datenwürfel fast ohne Lücken, während man bei multispektralen Systemen nur schwerlich von einem kontinuierlichen Würfel sprechen kann.

 

Im Swipe unten sieht man zwei Kanalbilder eines hyperspektralen Sensors von der Bonner Rheinaue. Beide befinden sich im grünen Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts. Das eine Bild deckt dabei aber einen Bereich zwischen 0,49 und 0,50 Mikrometern ab, das andere einen zwischen 0,56 und 0,57. Während multispektrale Systeme das grüne Licht komplett aufnehmen, also alles zwischen 0,49 und 0,57 Mikrometer, differenzieren hyperspektrale Systeme viel stärker. Die Bonner Rheinaue besteht zum großen Teil aus grüner Vegetation. Nun erkennt man, dass diese im Anfangsbereich des grünen Spektrums viel weniger reflektiert (dunkleres Bild) als im Endbereich (helleres Bild). Diese Unterschiede hätte ein multispektraler Sensor nicht erfassen können.

 

 

Im Swipe befinden sich zwei Bilder, aufgenommen im grünen Bereich des Lichts (Anfangsbereich und Endbereich). Es sind deutliche unterschiede zu erkennen, die nur ein Hyperspektralsensor erfassen kann. (Bilder von HyVista Corp. (HyMap))


 

 


Fazit:

In den letzten Jahren hat sich die spektrale Auflösung von Fernerkundungssystemen zum Teil so stark erhöht, dass man bei ihnen nicht mehr nur von multispektralen Systemen, sondern schon von hyperspektralen Systemen sprechen kann. Nimmt man alle Kanäle zusammen, so kann man die Reflexionseigenschaften von Landoberflächen, fast schon kontinuierlich in einer Kruve dartellen. Dies war vorher nicht möglich, da man mit Mittelwerten arbetein musste. Bei hyperspektralen Systemen jedoch, werden nun auch schon kleinste Abweichungen in der Spektralkurve sofort deutlich.