Lexikon der Fernerkundung

kurzwelliges Infrarot

Engl. shortwave infrared (SWIR); das kurzwellige Infrarot ist ein Teil des infraroten Spektralbereichs, mit unterschiedlichen Abgrenzungen. Im Bereich der Fernerkundung wird häufig der Bereich zwischen ~1,3 µm und ~3,0 µm. Damit grenzt es unmittelbar an das nahe Infrarot (NIR).

Die Begriffe und Grenzen sind nicht eindeutig wie im sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Festlegungen gibt. Das International Commission on Illumination (CIE) und DIN schlagen die Einteilung in drei Bänder vor: IR-A, IR-B und IR-C. Die Festlegung mit den Bezeichnungen NIR (0,78 - 3 µm), MIR (3 - 50 µm) und FIR (50 - 1000 µm) folgt der ISO 20473.

Die Erfassung von Satellitenbildern im SWIR-Wellenlängenbereich bietet einzigartige Vorteile, darunter eine verbesserte atmosphärische Transparenz und Materialidentifizierung. Aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung weisen viele Materialien spezifische Reflexions- und Absorptionsmerkmale in den SWIR-Bändern auf, die ihre Charakterisierung aus dem Weltraum ermöglichen. Beispiele hierfür sind Mineralien, die bei der Rohstoffsuche verwendet werden, städtische Elemente wie Dächer und Baumaterialien, Vegetation, Erdöl (z. B. bei einem Ölaustritt) und eine Vielzahl anderer vom Menschen hergestellter chemischer Verbindungen. Schnee und Eis zeigen ausgeprägte Variationen in einigen SWIR-Bändern, und SWIR-basierte Bildgebung kann sogar einige Arten von Rauch durchdringen, z. B. von einem Waldbrand.

Atmosphärische Aerosole beeinflussen kürzere Wellenlängen, vor allem im sichtbaren Bereich, und haben einen geringeren Einfluss auf die SWIR-Bänder. Wassermoleküle absorbieren jedoch Licht in einigen SWIR-Wellenlängen, wodurch die Atmosphäre in diesen Bereichen nahezu undurchsichtig wird. Fernerkundungsdaten müssen daher in atmosphärischen Fenstern zwischen diesen Wasserabsorptionswellenlängen erfasst werden, was die Platzierung der Sensorbänder einschränkt.

Atmosphärische Fenster
SWIR-Sensoren können in drei atmosphärischen Fenstern eingesetzt werden. Das erste Fenster, das mit kürzeren Wellenlängen beginnt, liegt bei 1250 nm. Die Bänder hier sind nützlich, um Eisenabsorptionsmerkmale (bei kürzeren Wellenlängen) zu erfassen. Vegetationsindizes, die auf den Feuchtigkeitsgehalt der Blätter ansprechen, wie der Normalized Difference Water Index, verwenden ebenfalls Banden im 1250-nm-Fenster.

Das zweite SWIR-Fenster liegt ungefähr zwischen 1500 und 1750 nm. Künstlich hergestellte Materialien und Chemikalien weisen in diesem Bereich mehrere Absorptionsmerkmale auf. Beispiele hierfür sind Kunststoffe, Glasfasern und Erdöl. Auch Schnee und Eis können in diesem Fenster von Wolken unterschieden werden.

Das dritte atmosphärische Fenster - zwischen 2000 und 2400 nm - bietet aufgrund seiner mineralischen Absorptionsmerkmale einzigartige Möglichkeiten. Bei ausreichender radiometrischer Auflösung des Sensors können Beobachter in diesem Fenster Mineralien identifizieren und chemische Messungen durchführen, die in anderen reflektierten Wellenlängen nicht möglich sind.

SWIR-Sensor vs. Sensor für sichtbares Licht

SWIR-Licht ist von Natur aus reflektierend und wird von Objekten ähnlich wie sichtbares Licht zurückgeworfen. Allerdings ist SWIR-Licht für das menschliche Auge nicht sichtbar. Infolge der reflektierenden Natur hat SWIR-Licht Schatten und Kontrast in seinen Bildern (der Kontrast hängt von der radiometrischen Auflösung des Sensors ab). Im Gegensatz zu Bildern aus sichtbarem Licht ist das SWIR-Bild nicht farbig. Dadurch lassen sich Objekte leicht erkennen, was einen der taktischen Vorteile des SWIR-Lichts darstellt, nämlich die Identifizierung von Objekten oder Personen.

SWIR-Sensor vs. Wärmesensor

Thermosensoren sind ein weiterer wichtiger Sensortyp, da sie Wärme sehen können und daher für die thermische Kartierung verwendet werden. Anstatt die Temperatur der Luft zu messen (wie es Wetterstationen tun), erfassen sie die Bodenwärme. Wärmesensoren erfassen Bilder von warmen Objekten vor einem kühlen Hintergrund und liefern keine Bilder mit guter Auflösung (100 m bei Landsat 8). SWIR-Sensoren hingegen haben eine hohe Auflösung (30 m bei Landsat 8, 3,7/7,5 m bei WorldView 3) und können tatsächlich erkennen, um welches Objekt es sich handelt. Sie können auch aktive Brandherde lokalisieren, Brandherde aufspüren und abschätzen, wo das Feuer am heißesten brennt, so dass die Hilfsmaßnahmen möglichst effizient ausgerichtet werden können.

Wie SWIR-Bilder sind auch sie nicht farbig. SWIR-Sensoren sind kleiner als Wärmesensoren und sind daher eine geringere Nutzlast auf dem Satelliten.

SWIR-Sensor vs. Panchromatischer Sensor

Der panchromatische Sensor erfasst Bilder in einem einzigen Band (schwarz-weiß), anstatt die sichtbaren Farben (rot, grün, blau) getrennt zu erfassen, und kombiniert sie in einem Kanal oder Band. Der panchromatische Sensor kann mehr Licht auf einmal sehen und hat eine sehr hohe räumliche Auflösung (31 cm bei WorldView 3) als alle anderen Sensortypen. Allerdings kann der panchromatische Sensor bei Nacht und durch Rauch nicht sehen.

SWIR-Sensoren haben zwar keine vergleichbare räumliche Auflösung, aber sie haben eine hohe räumliche Auflösung (3,7/7,5 Meter bei WorldView 3, 30 m bei Landsat 8). SWIR-Sensoren können in der Nacht und durch Rauch hindurch sehen.

SWIR-Sensor vs. NIR-Sensor

Nahinfrarotsensoren sind für die Ökologie äußerst wichtig, da gesunde Pflanzen das Licht reflektieren - das Wasser in ihren Blättern streut die Wellenlängen zurück in den Himmel. Sie können zur Überwachung der Vegetation, von Pflanzenstress usw. eingesetzt werden. Durch den Vergleich mit anderen Bändern erhalten wir Indizes wie NDVI, mit denen wir den Gesundheitszustand von Pflanzen genauer messen können, als wenn wir nur das sichtbare Grün betrachten. NIR-Sensoren geben jedoch keine Auskunft über die Geologie, Felsen usw.

SWIR-Sensoren sind besonders nützlich, um feuchte von trockener Erde zu unterscheiden, und für die Geologie: Felsen und Böden, die in anderen Bändern ähnlich aussehen, weisen im SWIR oft starke Kontraste auf (vgl. Abb. unten).

Wasser absorbiert kurzwelliges Infrarot in drei Bereichen: 1.400, 1.900 und 2.400 Nanometer. Je mehr Wasser vorhanden ist, auch im Boden, desto dunkler erscheint das Bild bei diesen Wellenlängen. Das bedeutet, dass SWIR-Messungen Wissenschaftlern helfen können, den Wassergehalt von Pflanzen und Böden abzuschätzen. Kurzwellen-Infrarotbänder sind auch nützlich für die Unterscheidung zwischen Wolkentypen (Wasserwolken und Eiswolken) und zwischen Wolken, Schnee und Eis, die alle im sichtbaren Licht weiß erscheinen. Frisch verbranntes Land reflektiert stark in den SWIR-Bändern, was sie für die Kartierung von Brandschäden wertvoll macht. Aktive Brände, Lavaströme und andere extrem heiße Objekte "glühen" im kurzwelligen Infrarotbereich des Spektrums.

Auf dem Bild unten sind die Berge um die chinesische Piqiang-Verwerfung aus verschiedenen Sand- und Kalksteinarten aufgebaut. Jede Gesteinsart reflektiert kurzwelliges Infrarotlicht anders, so dass es möglich ist, die Geologie durch Vergleich des reflektierten SWIR-Lichts zu kartieren. Durch die Verstärkung der feinen Unterschiede zwischen den 3 Banden des reflektierten kurzwelligen Infrarotlichts, die für dieses Bild verwendet wurden, erhält jedes Mineral eine charakteristische, kräftige Farbe. (NASA)

Die Piqiang-Verwerfung in China in SWIR Die Piqiang-Verwerfung in China, dargestellt im SWIR (2005)

Der Vergleich der Unterschiede zwischen 3 Bändern im kurzwelligen Infrarot verdeutlicht die mineralische Geologie rund um die chinesische Piqiang-Verwerfung. (NASA-Bild von Robert Simmon mit ASTER-Daten).

Quelle: NASA Earth Observatory

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