Lexikon der Fernerkundung

Satellitenbild

Syn. Satellitenaufnahme, engl. satellite image, franz. image (de) satellite; Bild (von Ausschnitten) der Erdoberfläche, das von bemannten oder unbemannten Satelliten aus gewonnen wird. Dabei wird zunächst kein Unterschied gemacht, ob es sich um photographische Aufnahmen handelt oder um die Ergebnisse von anderen Aufnahmetechniken der Fernerkundung, soweit diese zu einer bildhaften Darstellung der Erdoberfläche führen. Es kommen weitgehend die gleichen Aufnahmesysteme zum Einsatz, die auch zur Erzeugung von Luftbildern verwendet werden.

Bei Satellitenbildern handelt es sich i.d.R. um Rasterdaten, die aus großer Höhe (mehrere hundert km) häufig in verschiedenen Spektralbereichen erfasst und gewöhnlich digital übertragen werden. Im Gegensatz zu Luftbildern liegen diese Daten somit i.d.R. bereits digital vor und können direkt bearbeitet werden.

Die Bildausschnitte, sog. Szenen, sind oftmals zeilenweise erfasst (ähnlich wie bei einem Scanner) und liegen je nach Satellit in unterschiedlichen Spektralbereichen und Auflösungen vor. Ein Satellitenbild visualisiert Strahlungsmesswerte. Die Auswahl der Licht-"Kanäle" und deren Aufbereitung bestimmen den Farbeindruck.

Erzeugung von Satellitenbildern am Beispiel von Sensoren auf Terra, Landsat und Suomi NPP

Viele Sensoren erfassen Daten bei unterschiedlichen spektralen Wellenlängen. Zum Beispiel erfasst das Band 1 des Landsat-8 Daten bei 0,433-0,453 Mikrometern und das Band 1 des Instruments MODIS Daten bei 0,620-0,670 Mikrometern. Landsat-8 hat insgesamt 11 Bänder, während MODIS 36 Bänder hat, die alle verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums messen. Die Bänder können kombiniert werden, um Bilder der Daten zu erzeugen, die verschiedene Merkmale in der Landschaft zeigen. Häufig werden Datenbilder verwendet, um Merkmale einer untersuchten Region zu unterscheiden oder um ein Untersuchungsgebiet zu bestimmen.

Für ein Echtfarbenbild (rot, blau, grün (RGB)) von Landsat werden die Bänder 4, 3, 2 entsprechend kombiniert; mit der Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) der NASA/NOAA-Partnermission Suomi National Polar-orbiting Partnership (Suomi NPP) ergibt sich ein Echtfarbenbild aus den Zuordnungen Rot = Band I1, Grün = Band M4, Blau = Band M3. Echtfarbenbilder zeigen die Erde so, wie man sie von oben sehen würde. Andere Kombinationen können jedoch für spezifische wissenschaftliche Anwendungen verwendet werden - von der Hochwasserüberwachung über die Abgrenzung von Ballungsräumen bis hin zur Kartierung der Vegetation. Beispielsweise ist bei VIIRS-Daten die Erstellung eines Falschfarbenbildes (R=M11, G=I2, B=I1) nützlich, um Brandnarben von niedriger Vegetation oder nacktem Boden zu unterscheiden und um überflutete Gebiete freizulegen. Um weitere Bandkombinationen von Landsat zu sehen, sehen Sie sich den Artikel Studio Landsat Band Remix des NASA Scientific Visualization an oder den Artikel Many Hues of London des Earth Observatory. Weitere gängige Bandkombinationen finden Sie im Artikel How to Interpret Common False Color Images des Earth Observatory; der Artikel bietet gängige Bandkombinationen, gibt aber auch Einblicke in die Interpretation der Bilder.

Bandkombinationen

Landsat 8-Ansicht der Gegend um Los Angeles, 13. Mai 2013. - Links die Bänder 2, 3 und 4, rechts Band 7
Brandschäden reflektieren stark im Landsat-Band 7, das Daten im kurzwelligen Infrarotbereich erfasst. Im rechten Bild unten ist sie als rötliche Markierung nicht zu übersehen, während im Standard-RGB-Bild links die Brandschäden gar nicht zu erkennen sind.

Quelle: NASA / NASA Landsat Science

Die Weiterentwicklung der Aufnahme- und Bildverarbeitungstechniken ließ eine Vielzahl von von Satellitenbildarten mit unterschiedlichen Eigenschaften entstehen. Bezüglich ihrer technischen Bildeigenschaften unterscheiden sich Satellitenbilder wie folgt:

Bildinterpretation

Die Interpretation der Satellitenbilder erfolgt entweder qualitativ durch visuelle Inspektion oder heutzutage in zunehmenden Maße durch objektive und automatische Verfahren. Satellitenbilder müssen weder radiometrisch noch geometrisch rektifiziert sein. Zur leichteren Bildinterpretation werden Satellitenbilder aber kontrastverstärkt, ausschnittsvergrößert oder aus der geometrisch vielfach verzerrten Satellitenperspektive in bestimmte Projektions- oder Kartendarstellungsarten umgerechnet.

Sobald die Daten zu Bildern mit unterschiedlichen Bandkombinationen verarbeitet sind, können sie z. B. bei Entscheidungen über das Ressourcenmanagement oder bei der Bewertung von Katastrophen helfen; die Bilder müssen nur noch interpretiert werden. Es gibt einige Strategien für den Anfang (in Anlehnung an den Beitrag: How to Interpret a Satellite Image des NASA Earth Observatory, dt. Fassung: Wie man ein Satellitenbild interpretiert).

  1. Man muss die Massstäbe kennen - es gibt verschiedene Massstäbe, die auf der räumlichen Auflösung des Bildes basieren, und jeder Massstab liefert verschiedene wichtige Merkmale. Wenn man zum Beispiel eine Überschwemmung verfolgt, zeigt eine detaillierte, hochauflösende Ansicht, welche Häuser und Geschäfte von Wasser umgeben sind. Eine großräumige Landschaftsansicht zeigt, welche Teile einer Bezirks oder einer Großstadt überflutet sind und vielleicht auch, woher das Wasser kommt. Eine noch umfassendere Ansicht würde die gesamte Region zeigen - das überflutete Flusssystem oder die Bergketten und Täler, die den Fluss leiten. Eine hemisphärische Ansicht würde die Bewegung der Wettersysteme im Zusammenhang mit den Überschwemmungen zeigen.
  2. Man muss nach Mustern, Formen und Texturen Ausschau halten - viele Merkmale sind anhand ihres Musters oder ihrer Form leicht zu erkennen. Zum Beispiel sind landwirtschaftliche Gebiete sehr geometrisch geformt, normalerweise Kreise oder Rechtecke. Gerade Linien sind typischerweise künstlich angelegte Strukturen, wie Straßen oder Kanäle.
  3. Farben bestimmen - bei der Verwendung von Farbe zur Unterscheidung von Merkmalen ist es wichtig, die bei der Erstellung des Bildes verwendete Bandkombination zu kennen. Bilder mit echten oder natürlichen Farben sind im Grunde genommen das, was wir mit unseren eigenen Augen sehen würden, wenn wir aus dem Weltraum nach unten blicken. Wasser absorbiert Licht so, dass es typischerweise schwarz oder blau erscheint; Sonnenlicht, das von der Oberfläche reflektiert wird, kann es jedoch grau oder silbern erscheinen lassen. Sedimente können die Farbe des Wassers beeinflussen und es brauner erscheinen lassen, ebenso wie Algen, die es grüner erscheinen lassen. Die Farbe der Vegetation hängt von der Jahreszeit ab: im Frühling und Sommer ist sie typischerweise lebhaft grün; im Herbst kann sie orange, gelb und hellbraun sein, und im Winter kann sie mehr braun erscheinen. Der kahle Boden hat normalerweise eine gewisse Braunfärbung; dies hängt jedoch von der mineralischen Zusammensetzung des Sediments ab. Städtische Gebiete sind typischerweise grau von dem ausgedehnten Beton. Eis und Schnee sind weiß, aber auch Wolken sind weiß. Bei der Verwendung von Farbe zur Identifizierung von Dingen ist es wichtig, die umgebenden Merkmale zu verwenden, um die Dinge in einen Kontext zu setzen.
  4. Vorkenntnisse berücksichtigen- das Wissen über das Gebiet, das man beobachtet, hilft bei der Identifizierung dieser Merkmale. Wenn man zum Beispiel weiß, dass das Gebiet vor kurzem von einem Flächenbrand heimgesucht wurde, können Sie möglicherweise feststellen, warum die Vegetation auf dem Bild etwas anders aussieht.

Quantitative Analyse

Unterschiedliche Landbedeckungstypen können leichter unterschieden werden, wenn Bildklassifizierungsalgorithmen verwendet werden. Bei der Bildklassifizierung wird die Spektralinformation jedes einzelnen Pixels verwendet. Ein Programm, das Bildklassifizierungsalgorithmen verwendet, kann die Pixel automatisch in einer so genannten unüberwachten Klassifizierung gruppieren. Der Benutzer kann auch Bereiche mit bekannter Bodenbedeckung angeben, um das Programm zu "trainieren" und diese wie Pixel zu gruppieren; dies wird als überwachte Klassifizierung bezeichnet. Karten oder Bilder können auch in ein geographisches Informationssystem (GIS) integriert werden, und dann kann jedes Pixel mit anderen GIS-Daten, wie z.B. Volkszählungsdaten, verglichen werden. Weitere Informationen über die Integration geowissenschaftlicher Daten in ein GIS findet man am Beipiel der NASA auf der Seite Earthdata GIS.

Satelliten tragen oft auch eine Vielzahl von Sensoren, die biogeophysikalische Parameter messen, wie z.B. die Temperatur der Meeresoberfläche, Stickstoffdioxid oder andere Luftschadstoffe, Winde, Aerosole und Biomasse. Diese Parameter können durch statistische und spektrale Analysetechniken ausgewertet werden.

Data Pathfinders

Um den Einstieg in die anwendungsbasierte Forschung mit Fernerkundungsdaten zu erleichtern, bietet die Webseite Data Pathfinders der NASA einen Leitfaden zur Auswahl von Datenprodukten, der sich auf bestimmte wissenschaftliche Disziplinen und Anwendungsbereiche, wie die oben genannten, konzentriert. Pathfinders bieten direkte Links zu den am häufigsten verwendeten Datensätzen und Datenprodukten aus den geowissenschaftlichen Datensammlungen der NASA und Links zu Tools, die verschiedene Möglichkeiten zur Visualisierung oder Unterteilung der Daten bieten, mit der Option, die Daten in verschiedenen Dateiformaten zu speichern.

Einsatz von Bilddaten

Bilddaten von zivilen Erdbeobachtungssatelliten stellen eine allgemein leicht verfügbare Informationsquelle dar, die ein großes Potenzial für eine großflächige Überwachung von Prozessen in Geosphäre und Atmosphäre birgt. Sie weisen Eigenschaften auf, die keine andere Datenquelle in dieser Form liefern kann:

Die Informationen, die in Satelliten- und Luftbildern gespeichert sind, lassen sich in vielfältigster Weise nutzen. Entsprechend unterschiedlich sind auch die dabei verfolgten Ziele. Einerseits kann es sich um die Feststellung einfacher Sachverhalte handeln, oft in Kombination mit der Erstellung thematischer Karten. Andererseits liefert die Auswertung von Satelliten- und Luftbildern reichhaltige Beiträge zu komplexen Untersuchungen des Landschaftshaushaltes, zur Analyse sozioökonomischer Strukturen, zur Erfassung landschaftlicher Veränderungen usw. Entsprechend breit gestreut sind die Anwendungsgebiete, die vielfach miteinander verflochten und oft nur schwer gegeneinander abgrenzbar sind. Zu diesen Anwendungsfeldern gehören nach Albertz (2007) Kartographie, Katastophenvorsorge und -management, Geologie und Geomorphologie, Bodenkunde und Altlastenerkundung, Forst- und Landwirtschaft, Tierkunde, regionale Planung, Siedlungen und technische Planungen, Archäologie, Gewässerkunde und Ozeanographie, Meteorologie und Klimaforschung, weitere, hier noch nicht angeführte Bereiche der Geographie, Planetenforschung.

Zugang zu frei verfügbaren Satellitenbildern (Auswahl):

Weitere Informationen:

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