Raumfahrt | 22. März 2021 | von Eric Bershad

Mit den Prinzipien der Malerei – Satellitenbilder in Echtfarben mit 3D-Effekt

Die physische Karte des Nördlinger Ries, abgeleitet aus einem farbkodierten, schräg beleuchteten digitalen Höhenmodell von TanDEM%2dX
Quelle: © DLR
Die physische Karte des Nördlinger Ries, abgeleitet aus einem farbkodierten, schräg beleuchteten digitalen Höhenmodell von TanDEM-X

Wie lässt sich der Eindruck von Dreidimensionalität auf einem zweidimensionalen Medium erzeugen? In der Kunst stellte sich diese Frage bereits vor Jahrhunderten. Bestimmte Maltechniken haben sich seitdem entwickelt, um Licht- und Schatteneffekte zu simulieren, sodass für den Betrachtenden ein 3D-Effekt entsteht. Solche Effekte werden auch "Trompe-l’œil" genannt – sie "täuschen das Auge".

Erdbeobachtungssatelliten mit Multispektralsensoren liefern Darstellungen in natürlichen Farben wenn man ihren Rot-, Grün- und Blau-Kanal (RGB) kombiniert. Sie wirken aber meist etwas "flach". Für attraktive plastische Darstellungen muss ihnen erst "dreidimensionales Leben eingehaucht werden". Dies gelingt, wenn wir uns in der Wissenschaft an bewährten Methoden aus der Kunst orientieren. Dazu benötigt man aber die Höheninformation.##markend##

Das TanDEM-X-Höhenmodell der Erde ist ein engmaschiges Gitternetz, das für jeweils etwa zwölf Meter auseinanderliegende Punkte der Erdoberfläche einen Höhenwert angibt. Einen dreidimensionalen Eindruck vermittelt es zunächst noch nicht. Plastisch wirkt es erst, wenn man die Szene virtuell "beleuchtet" – also den Sonnenstand definiert und einen entsprechenden Licht- und Schattenwurf simuliert. Wird das Höhenmodell noch farblich kodiert, entstehen die aus Schulatlanten bekannten physischen Karten, die die Topografie einer Gegend verdeutlichen.

Besonders bei der Erforschung terrestrischer Impaktstrukturen, die beim Einschlag von Asteroiden entstanden sind, spielt die Topografie eine Rolle. An der Erdoberfläche gelegene, einfache oder komplexe Krater heben sich durch ihre spezielle Morphologie von ihrer Umgebung ab. Solche Strukturen zeigen sich deutlich in Kartierungen aus TanDEM-X-Höhenmodelldaten. Weniger offensichtlich wirken sie dagegen in den visuellen Darstellungen aus Daten von Multispektralsensoren wie etwa der Sentinel-2-Satelliten aus der europäischen Copernicus-Mission. Erst ein Effekt wie bei einem Trompe-l’œil in der Malerei lässt auch Satellitenbilder plastisch wirken. Dazu muss man die Multispektraldaten mit dem TanDEM-X-Höhenmodell kombinieren.

Die Sentinel-2-Satelliten der Erdbeobachtungsmission Copernicus erzeugen mit multispektralen Aufnahmegeräten in den RGB-Kanälen Daten mit einer räumlichen Auflösung von zehn Metern. Damit liegen sie sehr nahe am Wert von TanDEM-X mit seinen zwölf Metern. Die Sentinel-2-Aufnahme liefert die natürlichen Farben. Von TanDEM-X stammt die Höhen- und damit die Licht- und Schatteninformation.

Quelle: Bildverarbeitung unter Nutzung von Copernicus Sentinel-2-Daten / ESA

Das sommerliche Nördlinger Ries am 6. Juli 2017 in einer Sentinel-2 RGB-Aufnahme, geprägt vom Muster landwirtschaftlicher Flächen (links) und die gleiche Szene, nun aber wieder als Kombination aus TanDEM-X-Höhenmodell und Sentinel-2-RGB-Darstellung (rechts).

Als erstes wird der zu untersuchende Ausschnitt des TanDEM-X-Höhenmodells mit einer virtuellen Sonne aus der Richtung (Azimut) "beleuchtet", die dem Sonnenstand während der RGB-Aufnahme von Sentinel-2 entspricht. Die virtuelle Sonnenhöhe (Elevation) sollte so gewählt sein, dass die Schatten nicht zu lang oder zu kurz werden. Ein Beleuchtungswinkel von 45 Grad liefert vernünftige Ergebnisse. In der grauskalierten, schräg beleuchteten TanDEM-X-Szene erscheinen Schatten tiefschwarz und die der virtuellen Sonne zugewandten Flächen sehr hell. Wasserflächen führen zu starkem Höhenrauschen und müssen ausmaskiert werden.

RGB- und Höhendaten überlagern – mit dem Vorgehen wie ein Maler zu natürlichen Konturen und Farben

Wenn man nun beide Darstellungen überlagert, den leicht unterschiedlichen Maßstab anpasst und eine Farbkorrektur durchführt, erhält man eine Darstellung von Kratern mit deutlichen Licht- und Schatteneffekten. Sie vermitteln dem Betrachter einen natürlich wirkenden 3D-Eindruck, der nur wenig von der originalen räumlichen Auflösung von Sentinel-2 abweicht.

Nicht alle Sentinel-2-Daten eignen sich für dieses Verfahren. So muss das aufgenommene Gebiet bei der RGB-Aufnahme weitgehend wolkenfrei gewesen sein. Bei größeren Impaktstrukturen, für die Bilder mehrerer Sentinel-2-Überflüge kombiniert werden müssen, ist es außerdem zu beachten, dass die Aufnahmen am selben Tag entstanden sind. Gerade in Regionen mit Vegetation oder großen Wasserflächen kann ein zeitlicher Unterschied von wenigen Tagen bereits das Kombinieren der Bildkacheln enorm erschweren.

Ein Beispiel: Das Nördlinger Ries als "digitaler Trompe-l’œil"

Das Nördlinger Ries liegt etwa 120 Kilometer nordwestlich von München. Es ist das Ergebnis eines Impakts vor etwa 15 Millionen Jahren. Damals schlugen ein 1,5 Kilometer großer Asteroid zusammen mit einem etwa 150 Meter messenden Begleitprojektil in die Schwäbische Alb ein. Das größere Projektil erzeugte den heute 26 Kilometer messenden Rieskrater, das kleinere das 40 Kilometer südwestlich liegende kleine Steinheimer Becken.

Quelle: Bildverarbeitung unter Nutzung von Copernicus-Sentinel-2-Daten / ESA
Das verschneite Nördlinger Ries am 21. Februar 2018 in einer Sentinel-2-RGB-Aufnahme (Bild links), das schräg beleuchtete TanDEM-X-Höhenmodell der gleichen Szene, beleuchtet mit einer virtuellen Sonne aus der gleichen Richtung wie im Sentinel-2-RGB-Bild (mittleres Bild) sowie die Kombination beider Darstellungen (rechts).

Am Nördlinger Ries lässt sich anschaulich demonstrieren, wie man Impaktstrukturen mittels TanDEM-X und Sentinel-2 quasi als "digitaler Trompe-l’œil" darstellen kann. Die verwendeten Daten stammen aus zwei grundverschiedenen Jahreszeiten. Einmal eine selten anzutreffende völlig verschneite Szene im Winter, das andere Mal der Rieskrater im Hochsommer am Höhepunkt der Vegetationsperiode. Während die Kraterstruktur in den Sentinel-2-RGB-Aufnahmen nur indirekt über Muster in der Bewaldung erkennbar ist, vermitteln die datenfusionierten Darstellungen sowohl den visuellen, farblich korrekten Eindruck als auch die Morphologie des Kraters durch den simulierten 3D-Effekt.

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Über den Autor

Manfred Gottwald gehörte dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt seit 1991 an und ist seit einiger Zeit im Ruhestand. Verbunden bleibt Gottwald dem DLR aber weiterhin - unter anderem durch die Arbeiten zu Impaktkratern, für die er Daten der TanDEM-X-Mission nutzt. zur Autorenseite