Erdbeobachtung

Engl. earth observation, in diesem Kontext auch Erdfernerkundung; jede Tätigkeit, die sich mit der instrumentengestützten Sammlung von Daten über die Erdoberfläche oder die Erdatmosphäre von Satelliten, von Raumfahrzeugen oder von Luftfahrzeugen aus befasst. Der Begriff umfasst auch die Verarbeitung, Analyse und Nutzung der empfangenen Daten. Das übergeordnete Ziel ist die Erfassung von räumlichen Strukturen sowie die Ableitung von Prozessen auf der Erdoberfläche. Dabei werden sowohl aktive als auch passive Sensortechniken verwendet. Räumlich ist die Erdbeobachtung aufgeteilt in die Erfassung der Landflächen, der Ozeane und der Atmosphäre.

Elektromagnetische Strahlungsvorgänge als Basis der Fernerkundung:

• Elektromagnetische Strahlung ist eine Energieabgabe von Materiekörpern.
• Ein Körper, d.h. ein Objekt, absorbiert und/oder reflektiert dabei in Abhängigkeit von seinem Zustand (z.B. Erwärmung eines Körpers bzw. Wuchsstadium einer Pflanze) elektromagnetische Strahlung. Ein Teil der absorbierten Strahlung wird als Wärmestrahlung (Thermalstrahlung) emittiert.
• Elektromagnetische Strahlung transportiert elektrische und magnetische Energie in Wellenform mit Lichtgeschwindigkeit. Dabei wird eine elektromagnetische Welle durch die Wellenlänge λ (in Meter) und Frequenz ν (in Hertz) beschrieben, die die physikalischen Eigenschaften der Strahlung bestimmen
• Von besonderer Bedeutung für die Erdfernerkundung sind mehrere Spektralbereiche des elektromagnetischen Spektrums im sichtbaren Licht, im Infrarot und auch im Mikrowellenbereich. Das sichtbare Licht erstreckt sich im Wellenlängenbereich etwa zwischen 0,4 µm bis 0,7 µm, an das sich das Ultraviolett (kurzwellige Seite) und das Infrarot (längerwellige Seite) anschließen. Das Infrarot wird weiter unterteilt in das nahe Infrarot (etwa zwischen 0,7 µm bis 1,1 µm), in das kurzwellige Infrarot (etwa zwischen 1,1 µm bis 3 µm), in das mittlere Infrarot (etwa zwischen 3 µm bis 7 µm) und in das ferne Infrarot (etwa ab 7 µm), das auch Thermalstrahlung genannt wird. Dabei sind die verschiedenen Bereiche nicht scharf zu trennen, sie gehen ineinander über. Die Unterbereiche des Infrarots werden von verschiedenen Autoren zuweilen auch anders definiert. Herauszustellen ist, dass die Erdfernerkundung nur Teile dieser Spektralbereiche nutzen kann.
• Die Sonne ist die Energiequelle für die solare Strahlung, deren Wellenlängenbereich aus Sicht der Fernerkundung zwischen λ = 0,3 µm und etwa λ = 3,5 µm zu begrenzen ist (Wellenlängen vom ultravioletten über den sichtbaren bis zum infraroten Spektralbereich,
• Reflektierte Einstrahlung sowie von der Erdoberfläche nach Absorption der Einstrahlung im Infrarot emittierte Wärmestrahlung sind die Quellen der in der Fernerkundung auszuwertenden elektromagnetischen Strahlung.
• Beim Durchgang durch die Atmosphäre verringert sich die direkte Sonnenstrahlung, so dass am Boden nur noch ein Teil der Strahlung ankommt. Dabei ist die Durchlässigkeit der Atmosphäre für die elektromagnetische Strahlung stark vom Zustand der Atmosphäre (Aerosolgehalt, Feuchtegehalt, Schichtung, Wetterlage), vom zurückgelegten Weg der Strahlung durch die Atmosphäre und von der Wellenlänge der Strahlung abhängig.
• Die unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften der in der Atmosphäre vorkommenden Gase sind für ein komplexes Zusammenspiel von Streuung und Absorption verantwortlich.

deLange 2020

Die Erdbeobachtung stellt eine wichtige Anwendung der Raumfahrt dar und war bereits in deren frühen Jahren ein Hauptziel. Bekannt wurden die Versuche der USA von 1959, militärische Aufklärung mit Fotosatelliten (Corona-Programm) über der UdSSR durchzuführen.

Die Landoberfläche der Erde ist Lebensraum von 7,95 Milliarden Menschen (2022). Sie ist ständigen Veränderungen unterworfen, wobei die menschliche Nutzung den dynamischsten Faktor darstellt. Die nachhaltige Nutzung der Ressource Landoberfläche ist von zentraler Bedeutung für unsere Zukunft und erfordert detaillierte Kenntnisse über Zustand und Veränderungen des menschlichen Lebensraums. Die Satellitenfernerkundung bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Erdoberfläche kontinuierlich und global zu erfassen und besitzt dadurch ein enormes wissenschaftliches und ökonomisches Potenzial.

Aktuelle und künftige Anwendungsfelder im Bereich Erdbeobachtung umfassen:

• Kartierung: Eine direkte Anwendung der Erdbeobachtung resultiert in der Erstellung von Karten. 3-D-Landschaftsmodelle haben eine wichtige Bedeutung, z. B. für die Hochwassermodellierung oder die Planung von Bauwerken. Digitale Karten sind auch eine wichtige Voraussetzung für die Navigation.
• Raum- und Stadtplanung: Satellitendaten können für die Planung von Verkehrswegen, Leitungen, Trassen und für die Verwaltung von Flächen, Gebieten und Regionen genutzt werden. Mittels hochauflösender Bilder können ferner Baufortschritte überwacht werden. Für die Planung und Realisierung von Bauvorhaben bieten sich so neue Möglichkeiten der Projektsteuerung. Anwendung im Bereich der Raum- und Stadtplanung umfassen die Kartierung von Landoberflächen, Bevölkerungsentwicklung und -verteilung, die Konstruktion von 3-D-Stadtmodellen und die Identifizierung von Temperatur- oder Verschmutzungszonen bis hin zur Vermessung von Bodensenkungen.
• Wald-, Land- und Forstwirtschaft: Waldbestände und landwirtschaftlich genutzte Flächen lassen sich inventarisieren, hinsichtlich ihrer Zustände beurteilen und für die Erstellung von Ernteprognosen analysieren. In Afrika beispielsweise liefert die Erdbeobachtung oft die einzigen zuverlässigen Daten, um die Größe der kultivierten Fläche zu kartieren. Vor allem in Entwicklungsländern erleichtert die Verknüpfung mit meteorologischen Messungen (zu Niederschlags- oder Dürreperioden) eine rechtzeitige Prognose zukünftiger Erntesituationen.
  Erdbeobachtung hilft auch bei der Optimierung und Kontrolle landwirtschaftlicher Subventionen.
• Präzisionslandwirtschaft: Die Präzisionslandwirtschaft (precision farming) profitiert von Erdbeobachtungsdaten, aus denen sich Rückschlüsse über optimalen Düngemitteleinsatz, Bewässerung, Ausbringung von Saatgut sowie Schädlingsbekämpfungsmitteleinsatz ziehen lassen. Das Pflanzenwachstum und der Pflanzenzustand können bestimmt werden und bei der Feldarbeit kann ein mit GPS gesteuertes Fahrzeug automatisiert Dünger oder Wasser nach Bedarf ausbringen. Beobachtungen über mehrere Jahre erlauben Aussagen zur Bodengüte.
• Bodenschätze und Bergbau: Es können neue Bodenschätze wie seltene Erden, Öl- und Gasvorkommen oder auch unterirdische Wasserquellen in Wüstenregionen entdeckt werden. Gleichzeitig lassen sich Absenkungen oder Einbrüche im Zusammenhang mit früheren Bergbauaktivitäten beobachten und dokumentieren.
• Business Intelligence: Erdbeobachtungsdaten können auch für die Wettbewerberanalyse genutzt werden. Ein Beispiel dafür ist das Angebot der US-amerikanischen Orbital Insight, Inc., welche die Anzahl der geparkten Autos auf Parkplätzen, z. B. vor Supermärkten, oder den Umschlag von Containern erfasst. Dies gibt Einblick in die Geschäftsentwicklung der Wettbewerber. Ein anderes Beispiel ist das US-amerikanische Start-up Ursa Space Systems Inc., das Informationen über die Reserven in Öldepots etwa von Ölfirmen oder Häfen gibt. Diese Informationen können für Investoren interessant sein, besonders wenn die Datenlage über Wettbewerber – etwa über den chinesischen Markt – gering ist.
• Umwelt- und Naturschutz: Satelliten messen Stoffe in der Atmosphäre, überwachen die Ozonschicht oder die Veränderung der polaren Eiskappen und liefern Daten aus der Umgebung, sodass z. B. Ölfilme auf dem Meer entdeckt und Driftprognosen erstellt werden können. Naturschutzflächen, versiegelte oder agrarsubventionierte Flächen können in regelmäßigen Abständen erfasst, Biotopkartierungen durchgeführt werden. Im Meer können Oberflächentemperatur, Salzgehalt, Eisbedeckung und Wellenhöhe sowie Konzentrationen von Algen erfasst werden.
• Risiko- und Krisenmanagement: Erdbeben, Stürme, Überflutungen, Vulkanausbrüche, Ölverschmutzungen und Brände lassen sich mittels Erdbeobachtungssatelliten rasch beobachten. Aus den Beobachtungen können Rückschlüsse auf die jeweiligen Ursachen und Ausmaße gezogen werden. Die Daten bilden eine wichtige Grundlage für die Planung und Durchführung von Nothilfemaßnahmen, wie z. B. die Lokalisierung von Brandherden oder die Unterstützung humanitärer Hilfsaktionen. Ziel ist es auch, Frühwarnsysteme etwa für Erdbeben zu etablieren, indem tektonische Verschiebungen per Radarinterferometrie präzise erfasst werden.
• Luftqualität und Gesundheit: Die Luftqualität kann beobachtet und vorhergesagt werden. Maßnahmen wie Fahrverbote können in ihrer Wirkung gemessen werden. Zusätzlich können Vorhersagen zu Pollenflug, UV-Strahlung und Temperatur gemacht werden. Neben der Information über die Luftqualität ist so auch eine Verbesserung der Luftreinhaltung möglich, wenn die Maßnahmenwirksamkeit Steuerungsimpulse auslöst.
• Wettervorhersage: Es lassen sich zahlreiche Wetterdaten neben Temperatur, Luftdruck und Luftfeuchtigkeit genauso wie Luftschwebstoffe, Ozonwerte, Sturm- und Gewittervorkommen, Pollenflug oder die Wellenbewegung auf See erheben. Satelliten ermöglichen auch die Erhebung von Wetterdaten für schwer zugängliche Gebiete wie Kälte- und Hitzewüsten sowie Urwälder. Eine besondere wirtschaftliche Bedeutung haben Wettervorhersagen für die Planung von Wind- und Sonnenkraftwerken, um ideale Standorte zu identifizieren.
• Überwachung des Klimawandels: Der Kohlenstoffkreislauf der Erde (Austauschprozesse von Kohlenstoff zwischen Atmosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre, Biosphäre und Pedosphäre) lässt sich mittels Satelliten global beobachten. Die gewonnenen Erkenntnisse tragen zum Verständnis des Klimawandels bei. Die Beobachtungsinstrumente der Satelliten können auch die häufig bewölkten Tropen untersuchen. Die Daten helfen dabei, Klimamodelle zu verbessern und können auch die Wirkung von Umweltschutzmaßnahmen, etwa durch die Messungen von Stickstoffdioxid, das vor allem durch Verbrennungsprozesse in Kraftwerken und im Straßenverkehr entsteht, nachweisen.
  Zu diesem Aufgabenbereich gehört auch die Beobachtung der Meerespiegelhöhe, zu der inzwischen eine fast 30-jährige Beobachtungsreihe bis zum aktuellen Satelliten Sentinel-6 Michael Freilich (S6MF) vorliegt.
  Die satellitengestützte Erdbeobachtung liefert zudem Entscheidungsgrundlagen für internationale Verträge wie etwa zum Schutz der Ozonschicht. Außerdem hilft sie, die Einhaltung solcher Verträge zu überwachen.
• Sichere und effizientere Schifffahrt: Besonders die Handelsschifffahrt profitiert von präzisen Wettervorhersagen, Prognosen von Wellenbewegungen sowie von Eis, denn Containerschiffe können so gewarnt, bzw. vor Kollisionen geschützt werden. Zudem kann durch Routenoptimierung Kraftstoff eingespart werden. Hochauflösende Aufnahmen helfen, havarierte Container, größeres Treibgut oder auch Piraterieversuche zu erkennen und tragen zum Schutz vor Zwischenfällen bei.
• Versicherungs- und Schadensmanagement: Der Versicherungssektor profitiert von der Erdbeobachtung insofern, als Daten für Risikomodellierungen verwendet werden: Schäden an Gebäuden oder anderen Infrastrukturen (Straßen, Brücken, Bahngleisen etc.) können erfasst und bewertet werden. Bildaufnahmen, die den Zustand vor einem Schadensfall dokumentiert haben, helfen bei der Regulierung von Schadensansprüchen.

Der rasch wachsende weltweite Bedarf an Geodaten macht satellitengestützte Erdbeobachtung mit ihrem breiten Anwendungsspektrum zu einem wichtigen Wirtschaftsfaktor. Deutsche Unternehmen beginnen sich im weltweiten Datenvertrieb in führender Rolle zu platzieren. Kleine und mittlere Dienstleistungsunternehmen entwickeln Software oder bieten direkt Geoinformationsdienste an, beispielsweise zur Aktualisierung und Erstellung raumbezogener Fach- und Planungsdaten zur Landbedeckung, zur Erstellung von Ertragsprognosen in der Landwirtschaft, zur Erfassung von Bodenbewegungen bei erdrutschgefährdeten Bauprojekten oder auch zur Einschätzung der Gewässergüte und Unterwassertopographie von Küstenregionen.

So malerisch ein hochauflösendes Bild eines bestimmten Ortes auf der Erde auch sein mag, mehrere Anwendungen und Dienstleistungen, z.B. Ernteprognosen, Abholzungsmonitoring, EO-Datenerhebung für Versicherungszwecke und Stadtplanung erfordern keine Erdbeobachtungsdaten im Zentimeterbereich. Für solche Anwendungen sind Auflösungen in der Größenordnung von 2,5 m - 5 m ausreichend. Darüber hinaus werden diese Auflösungen auch für "Change Detection"-Ansätze von militärischen Nutzern bevorzugt, die am besten durch eine Mischung aus sehr wenigen hochauflösenden Satelliten und einer großen Konstellation von niedrigauflösenden Satelliten realisiert werden. Während der hochauflösende Satellit die interessierenden Bereiche alle paar Tage oder Wochen einmal beobachtet, bietet eine Flotte von niedrigauflösenden Satelliten eine sehr häufige und breite Abdeckung, die es leicht macht, Änderungen zu erkennen. Überschreiten diese einen bestimmten Schwellenwert und erfordern daher einen genaueren Blick des Betrachters, wird ein hochauflösender Satellit beauftragt, eine aktuelle Beobachtung des interessierenden Bereichs durchzuführen und der gesamte Beobachtungszyklus der Änderungserkennung beginnt von neuem.

Die Erdbeobachtung erlebt derzeit (2019) den größten Wandel ihrer Geschäftsmodelle, da die immer besseren Fähigkeiten und die Miniaturisierung von Sensoren, Satelliten und Computern die Konvergenz des kommerziellen mit dem zivilen und militärischen Bereich ermöglichen.

Heute besteht eine Mischung aus etablierten Erdbeobachtungsunternehmen und neuen Unternehmen wie Planet, SATLANTIS und anderen, die auf der neuen Welle kommerzieller Möglichkeiten reiten und auf der Entwicklung des Sektors aufbauen und diese unter Ausnutzung dieser Möglichkeiten vorantreiben:

• kleinere und billigere Satelliten, die hochauflösende Erdbeobachtung und Fernerkundung durchführen,
• den Aufbau kostengünstiger Konstellationen
• bessere Verarbeitungsmöglichkeiten und damit eine schnellere Datenbereitstellung
• Schwerpunktverlagerung von der Erhöhung der räumlichen Auflösung hin zur Suche nach besserer Abdeckung und Wiederbesuchszeit
• eine Erweiterung der Sensorfähigkeiten auf mehrere optische Bänder sowie Radar
• den Aufbau und die Auffüllung eines Erdbeobachtungssystems in relativ kurzer Zeit (Monate statt Jahre)
• sinkende Preise durch den Eintritt neuer Akteure
• neue Möglichkeiten durch innovative Technologien, wie neue Arten von Sensoren, Video aus dem Weltraum, rekonfigurierbare Nutzlasttechnologien, die eine größere Flexibilität im Orbit bieten, usw.

All diese Fähigkeiten tragen sowohl zur kommerziellen Attraktivität bei als auch zum Interesse der militärischen Nutzer, die nach kostengünstigen Lösungen suchen, die ihre hochklassigen Aufklärungssysteme ergänzen und so sowohl die Ausfallsicherheit als auch die Verfügbarkeit der Dienste erhöhen können.

Ein Programm zur globalen Kooperation bei der Erdbeobachtung ist das Global Earth Observing System of Systems, das 2005 in Brüssel von etwa 40 Staaten beschlossen wurde.

Weitere Informationen:

• NASA Earth Observations Serving Society (NASA)
• Earth Watching Project (ESA)
• Erdbeobachtung in Zeiten der Globalisierung (BMWi 2013)
• The Changing Earth (ESA)
• Erdbeobachtung - Unseren Planeten erkunden, vermessen und verstehen (DLR 2022)
• Crafting Geoinformation - The art and science of Earth observation (GEO 2010)
• Satellitenfernerkundung von Landoberflächen - Beginn einer neuen Ära (GFZ)
• Earth Observations Timeline (NASA)
• Die Erdbeobachtung inspiriert den globalen Erfindergeist (ESA 10.10.2022)