passives (Fernerkundungs)System

Engl. passive remote sensing system, franz. système de télédétection passive; ein System, das im Gegensatz zu einem aktiven (Fernerkundungs)System nur für elektromagnetische Strahlung empfindlich ist, die

• von dem beobachteten Objekt ausgesandt wird (z.B. die von jedem Körper aufgrund seiner Oberflächentemperatur abgegebene Thermalstrahlung) oder die
• von dem Objekt reflektiert wird (z.B. die an der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung), die aber nicht das System selbst als Quelle hat.

Die vom System empfangenen Strahlungswerte können dann mit teilweise aufwändigen Umrechnungsverfahren in geophysikalische Größen, z.B. Temperatur umgerechnet werden.

DIN 18716 definiert den Begriff knapp als "Aufnahmesystem, das die natürliche elektromagnetische Strahlung nutzt".

Abgesehen von technischen Lösungen ist das menschliche Sehvermögen bereits ein eindrucksvolles Fernerkundungssystem. Unsere Augen nehmen das von unserer Umgebung reflektierte sichtbare Licht (Spektralbereich 0,4-0,7 Mikrometer) auf, das dann vom Gehirn als Bild verstanden wird. Mental interpretieren wir die Farben, Strukturen, Umrisse und Größen von Objekten um daraus Informationen wie ihre Identität, ihr Zustand, ihre Geschwindigkeit und Bewegungsrichtung und andere Qualitäten abzuleiten. Allerdings hat unser Sehsystem Begrenzungen im Hinblick auf globale Erkundungsaufgaben. Unser Vermögen, Bilder zu speichern und wieder abzurufen, ist ungenau. Zudem können wir keine Informationen aufnehmen, die Wellenlängen benutzen, für die unser Auge nicht wahrnehmbar sind. Auch verschließen sich dem menschlichen Beobachter Gebiete die schwer zu erreichen oder gefährlich sind wie die Tiefsee, das Weltall und Gebiete mit hohen Temperaturen oder starker Strahlung. Flugzeug- und satellitengetragene Sensoren liefern eine Vielfalt von Umweltdaten von Flächen, die mit anderen Mitteln nicht zusammengetragen werden können.

Passive Systeme werden im Bereich von Sichtbar bis Infrarot eingesetzt. In diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist man auf einen wolkenfreien Himmel angewiesen. Die Sensoren dieser Systeme erfassen die Strahlung, die von Objekten und ihrer Umgebung emittiert oder reflektiert wird. In der Regel ist dies die reflektierte Sonnenstrahlung. Dabei gilt es zu berücksichtigen, dass in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums jede Form von Strahlung auf ihrem Weg von der Sonne zum Objekt und schließlich zum Sensor durch die Atmosphäre auf verschiedenste Weise beeinflusst wird. Sowohl die Sonnenstrahlung als auch die von der Erde reflektierte Strahlung werden von Partikeln in der Atmosphäre gestreut, reflektiert oder absorbiert. Insbesondere Kohlendioxid, Ozon und Wasserdampf absorbieren stark. Für die Fernerkundung stellt die Reflexion von Wolken aber das größte Problem dar, da die Strahlung die Wolken in diesem Bereich des Spektrums nicht durchdringen kann.

Zwei Arten von Fernerkundung: Passiv und Aktiv Passive Sensoren erfassen Strahlung, die vom Objekt oder der Umgebung emittiert oder reflektiert wird. Reflektiertes Sonnenlicht ist die häufigste Strahlungsquelle, die von passiven Sensoren gemessen wird. Beispiele für passive Fernsensoren sind Filmfotografie, Infrarot, ladungsgekoppelte Geräte und Radiometer. Bei der aktiven Erfassung hingegen wird Energie ausgesandt, um Objekte und Bereiche abzutasten, woraufhin ein Sensor die vom Ziel reflektierte oder zurückgestreute Strahlung erfasst und misst. RADAR und LiDAR sind Beispiele für die aktive Fernerkundung, bei der die Zeitverzögerung zwischen Emission und Rückkehr gemessen wird, um den Standort, die Geschwindigkeit und die Richtung eines Objekts zu bestimmen. Quelle: Wikipedia (e.)

Passive Sensoren sind z. B. auf den Satelliten der Sentinel-2-Mission, der Landsat-Serie und auf RapidEye (messen reflektierte Sonnenstrahlung) sowie auf Landsat 8 (misst emittierte Wärmestrahlung) verbaut. Passive und optische Sensoren nehmen die Strahlung vom sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bis in den infraroten Bereich nach Wellenlängen getrennt in sogenannten Spektralkanälen auf. Deshalb spricht man bei solchen Systemen auch von multispektraler Fernerkundung. Das Produkt eines Spektralkanals sind Grauwertbilder, die die Intensität der aufgenommenen Strahlung wiedergeben. Der Sensor nimmt also nur Helligkeitsunterschiede auf. Bei der optischen Auswertung der Multispektraldaten weist man den verschiedenen Spektralkanälen (Bändern) dann bestimmte Farben zu und kombiniert die Grauwertbilder miteinander.

Je mehr Kanäle ein Fernerkundungssensor hat, umso höher ist auch die spektrale Auflösung des Satelliten. Bei Sensoren, die mehr als 20 bis hin zu 200 oder gar mehr Spektralkanäle haben, spricht man von hyperspektralen Systemen.

Bei einem passiven Fernerkundungssystem lassen sich verkürzt folgende Vorgänge ausmachen:

• Elektromagnetische Strahlung wird von Energiequellen ausgesendet, breitet sich in der Atmosphäre aus, tritt in Interaktion mit den atmosphärischen Teilchen und mit der Erdoberfläche, wird von Sensoren innerhalb oder außerhalb der Atmosphäre aufgezeichnet und in analoger und/oder digitaler Form gespeichert. Mittels eines geeigneten Systems zur Bilddatenanalyse und Bilddatenausgabe erfolgt eine Bearbeitung, Klassifikation und Visualisierung der Bilddaten.
• Energiequellen wie Sonne und Erde emittieren elektomagnetische Strahlung in wellenlängenabhängigen Intensitäten (Plancksches Strahlungsgesetz, Stefan-Boltzmann-Gesetz, Wiensches Verschiebungsgesetz).
• Von der Sonne wird Energie abgestrahlt, die überwiegend im Wellenlängenbereich zwischen 0,1 µm und 3,5 bis 5 µm liegt. Hierbei handelt es sich somit hauptsächlich um kurzwellige Einstrahlung (ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, nahes, kurzwelliges und mittleres Infrarot), die dann von den Objekten an der Erdoberfläche teilweise absorbiert und teilweise reflektiert wird.
• Durch die absorbierte Strahlung werden die Objekte an der Erdoberfläche erwärmt, so dass diese erwärmten Objekte langwellige Wärmestrahlung (thermales oder fernes Infrarot) wieder zurück in die Atmosphäre emittieren.
• Von den Objekten an der Erdoberflächen wird die eintreffende Strahlung aufgrund der Eigenschaften und Zustände der Objekte unterschiedlich reflektiert und somit ebenfalls zurück in die Atmosphäre emittiert.
• Ein Sensor, der nicht in Kontakt mit den Objekten auf der Erde steht und z. B. auf einer Drohne (UAV), einem Flugzeug oder einem Satelliten montiert ist, zeichnet die reflektierte elektromagnetische Strahlung auf.
• Die Intensität der am Sensor eintreffenden Strahlung wird codiert und an eine Empfangs- und Verarbeitungsstation gesendet, wo die Daten weiter verarbeitet werden.
• Nach einer Aufbereitung der Daten werden die Bilder visuell interpretiert und durch geeignete Methoden analysiert.

Weitere Informationen:

• Listen aktiver und passiver amerikanischer Sensoren (NASA)