Team: Optische Gewässerfernerkundung



 Optische Gewässerfernerkundung
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Aus MERIS-Daten abgeleitete Konzentrationen von Chlorophyll (links oben), Schwebstoff (rechts oben), Gelbstoff (links unten) und daraus resultierende Sichttiefe in der Ostsee (rechts unten), 1. Juli-Dekade 2008
Im sichtbaren Spektralbereich der Sonnenstrahlung (~ 400 .. 700 nm) kann das Licht in den Wasserkörper eindringen, seine Farbe kann durch Streu- und Absorptionsprozesse im Wasserkörper oder am Gewässerboden verändert werden. Aus diesem Grund können aus optischen Fernerkundungsdaten Aussagen über die Eigenschaften des Wasserkörpers, genauer Art und Konzentration verschiedener Wasserinhaltsstoffe, bzw. Eigenschaften des Untergrundes abgeleitet werden. Dazu müssen feine „Farb“-Nuancen festgestellt und quantifiziert werden. Dies geschieht durch Vermessung der Strahlung in hinreichend vielen, schmalen Spektralkanälen mittels Spektrometern. Während an Bord von Schiffen oder im Wasser selbst nicht abbildende Sensoren zum Einsatz kommen, werden auf Flugzeugen und Satelliten sogenannte abbildende Spektrometer eingesetzt, die für jeden Spektralkanal auch ein Bild über eine räumliche Abbildung liefern. Die Fernerkundung ist hierbei die einzige Technologie um die hohe räumliche und zeitliche Dynamik von Gewässern beobachten zu können. Eine hinreichend dichte und gleichzeitig flächendeckende Beobachtung mittels Bojen oder Schiffen ist praktisch nicht realisierbar.

Bio-optische und Strahlungstransportmodelle

Das gemessene Spektrum, also die Größe der Strahlung in den verschiedenen Kanälen, wird durch Streu- und Absorptionsprozesse der Wassermoleküle und verschiedene Wasserinhaltsstoffe bestimmt. Je nach Art und Konzentration dieser Stoffe verändert sich das Spektrum. Die Hauptgruppen fernerkundbarer Wasserinhaltsstoffe sind Phytoplankton (an Hand verschiedener Pigmente), organischer und anorganischer Schwebstoff sowie gelöste organische Substanzen. Der Zusammenhang zwischen Inhaltsstoffkonzentration und Farbcharakteristik erschließt sich über bio-optische Modelle, die auch die für verschiedene Spezies, die jeweilige Saison und das Gewässer selbst spezifische Eigenschaften beinhalten können. Da sich der Satellitensensor oberhalb der Erdatmosphäre befindet, muß für diese Simulationen ebenfalls der Einfluß der Atmosphäre berücksichtigt werden. Dies geschieht durch die Nutzung von Strahlungstransportmodellen. Mit diesen Modellen lassen sich die erwarteten Messdaten je nach Situation oder Beobachtungsgeometrie simulieren und können zur Entwicklung und Optimierung von Fernerkundungsalgorithmen genutzt werden.

In der Arbeitsgruppe werden verschiedene Strahlungstransportmodelle betrieben, die sich für unterschiedliche Sensoren oder Fragestellungen anpassen lassen. Die eingebundenen bio-optischen Modelle werden von Kooperationpartnern bereitgestellt oder auch aus eigenen bio-optischen Messungen während spezieller Meßkampagnen vor Ort abgeleitet.

Inversionsverfahren

Das vom Satellitensensor aufgenommene Signal wird durch die optischen Eigenschaften der gleichzeitig und unabhängig voneinander auftretenden Wasserinhaltsstoffe und der atmosphärischen Parameter bestimmt. Zur Quantifizierung der einzelnen Variablen gibt es verschiedene Ansätze von denen sich die physikalisch modellbasierte multivariate Inversion als die leistungsfähigste erwiesen hat. Sie erlaubt eine Optimierung der Inversionsverfahren bzgl. verschiedener Kriterien und eine vergleichsweise einfache Anpassung an verschiedene Sensoren und Aufnahmebedingungen. Für die mathematische Realisierung der Inversionsverfahren können verschiedene Algorithmen genutzt werden, weit verbreitet sind z.B. Neuronale Netze oder iterative Spectral Matching-Techniken. In der Arbeitsgruppe Optische Verfahren wurde das Verfahren der Hauptkomponenteninversion (Principal Component Inversion) entwickelt und in Modifikationen für verschiedene Anwendungen eingesetzt.

Neben der Ableitung der „primären“ Parameter wie z.B. Chlorophyllkonzentration oder Absorptions- und Streukoeffizienten lassen sich auch „sekundäre“ Charakteristika wie z.B. die Sichttiefe aus den Fernerkundungsdaten ableiten.

Die entwickelten Algorithmen werden in Prototyp-Prozessoren implementiert und je nach Anforderungen mit externen Partnern oder dem Deutschen Fernerkundungsdatenzentrum DFD in operationelle Ketten zur Bereitstellung von Informationsprodukten in Nahe-Echtzeit umgesetzt.

Projekte und Anwendungen

Die genannten Verfahren werden in Zusammenarbeit mit ozeanografischen Forschungseinrichtungen oder auch behördlichen Nutzern weiterentwickelt und auch routinemäßig eingesetzt. Während das am DLR entwickelte abbildende Spektrometer MOS-IRS (von 1996 bis 2005 an Bord des Satelliten IRS-P3) als erstes Instrument seiner Art vorwiegend für die Grundlagenentwicklung und den Machbarkeitsnachweis der quantitativen Satellitenfernerkundung diente, erfolgte mit der Verfügbarkeit des abbildenden Spektrometers MERIS an Bord des ESA-Umweltsatelliten ENVISAT der Übergang zur regulären Bereitstellung von Daten für die Umweltüberwachung durch behördliche Nutzer und zum Monitoring europäischer Umweltrichtlinien im Rahmen des GMES-Programms (vgl. GMES-Dienste).

Seit einiger Zeit ist die Entwicklung von Algorithmen zur Detektion und Quantifizierung von schädlichen Algenblüten, speziell von Cyanobakterien in der Ostsee, ein Thema der Arbeitsgruppe. Die Untersuchungen wurden im Rahmen des EU-Projektes HABILE begonnen und werden aktuell im EOS-Programm und im EU-Projekt AquaMAR weitergeführt.

Neben Strahlungstransportmodellen und Inversionsverfahren befasst sich die Arbeitsgruppe auch mit der Entwicklung und Verifikation bio-optischer Modelle und der Validierung von Satellitenmessungen. Dazu verfügt die Gruppe über mehrere Spektrometer, mit denen das Strahlungsfeld in der Atmosphäre, das aus dem Wasserkörper remittierte Spektrum als auch das skalare und vektorielle Lichtfeld im Wasserkörper (bis 50m Tiefe) vermessen werden können. Diese Geräte werden in Kooperation mit ozeanografischen Instituten im In- und Ausland an Bord von Forschungsschiffen eingesetzt.

 


Kontakt
Harald Krawczyk
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR)

Institut für Methodik der Fernerkundung
, Photogrammetrie und Bildanalyse
Tel: +49 30 67055-652

Fax: +49 30 67055-642

E-Mail: Harald.Krawczyk@dlr.de
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