21. August 2018
3D-Kartierung über Taiga, Tundra und Tümpeln

Fer­ner­kun­dung für die Um­welt: MACS-Ka­me­ra des DLR misst Ver­än­de­run­gen des Per­mafrost­bo­dens

Farbaufnahme der MACS-Kamera
Farb­auf­nah­me der MACS-Ka­me­ra
Bild 1/5, Credit: DLR.

Farbaufnahme der MACS-Kamera

Die Auf­nah­me wur­de wäh­rend ei­nes Flu­ges nä­he In­u­vik im Nord­wes­ten Ka­na­das er­stellt. Sie hat ei­ne Auf­lö­sung von un­ter zehn Zen­ti­me­tern.
Na­hin­fra­rot-Bild der MACS-Ka­me­ra
Bild 2/5, Credit: DLR.

Nahinfrarot-Bild der MACS-Kamera

Die Auf­nah­me wur­de wäh­rend ei­nes Flu­ges nä­he In­u­vik im Nord­wes­ten Ka­na­das er­stellt. Sie zeigt das­sel­be Mo­tiv wie die vor­he­ri­ge Farb­auf­nah­me und hat ei­ne Auf­lö­sung von 15 Zen­ti­me­tern.
Vor­be­rei­tun­gen für die Mes­sun­gen
Bild 3/5, Credit: ©DLR.

Vorbereitungen für die Messungen

Die In­ge­nieu­re des DLR tes­te­ten die ei­gens ent­wi­ckel­te und ge­bau­te MACS-Po­lar-Luft­bild­ka­me­ra mit ei­nem Ein­satz nörd­lich des Po­lar­krei­ses. Erst­mals führ­ten sie da­bei aus der Luft op­ti­sche Fer­ner­kun­dung in der Ark­tis durch. Um die Aus­wir­kun­gen der Kli­mae­r­wär­mung bes­ser zu ver­ste­hen, wur­den die Ver­än­de­run­gen des Per­mafrost­bo­dens ge­mes­sen, denn große Men­gen des kli­ma­re­le­van­ten Ga­ses Me­than sind dar­in ge­bun­den und wer­den zu­neh­mend frei­ge­setzt. Die Ka­me­ra des DLR-In­sti­tuts für Op­ti­sche Sen­sor­sys­te­me steu­er­te da­bei hoch auf­ge­lös­te Auf­nah­men im sicht­ba­ren so­wie im na­hen In­fra­rot-Be­reich bei.
Fer­ner­kun­dungs­da­ten für das Um­welt­mo­ni­to­ring
Bild 4/5, Credit: ©DLR.

Fernerkundungsdaten für das Umweltmonitoring

Das MACS-Ka­me­ra­sys­tem (Mo­du­lar Ae­ri­al Ca­me­ra Sys­tem) des Deut­schen Zen­trums für Luft- und Raum­fahrt (DLR) zeich­ne­te im Au­gust 2018 an Bord des Po­lar­for­schungs­flug­zeugs PO­LAR 5 des Al­fred-We­ge­ner-In­sti­tuts für Po­lar- und Mee­res­for­schung (AWI) die Re­gi­on um das ka­na­di­sche In­u­vik auf. Mit der Mess­kam­pa­gne, die vom AWI durch­ge­führt wird, sol­len die Kli­ma­pro­zes­se in der Ark­tis un­ter­sucht und bes­ser ver­stan­den wer­den
Aus­ge­rüs­tet für Po­lar­flü­ge
Bild 5/5, Credit: DLR (CC-BY 3.0)

Ausgerüstet für Polarflüge

Das Po­lar­for­schungs­flug­zeug PO­LAR 5 des Al­fred-We­ge­ner-In­sti­tuts für Po­lar- und Mee­res­for­schung (AWI) ist für Flü­ge un­ter den ex­tre­men Um­welt­be­din­gun­gen der Po­lar­ge­bie­te spe­zi­ell aus­ge­rüs­tet. Auf Be­ton-, Schot­ter- und Schnee­pis­ten kann der Flie­ger mit­hil­fe ei­nes kom­bi­nier­ten Ski- und Rad­fahr­werks star­ten und lan­den. Ent­ei­sungs­sys­te­me, Heiz­mat­ten für Bat­te­ri­en und Trieb­wer­ke so­wie er­wei­ter­te Na­vi­ga­ti­ons­sys­te­me er­lau­ben Kam­pa­gnen bei sehr schwie­ri­gen Wet­ter­be­din­gun­gen und Tem­pe­ra­tu­ren von bis zu -54 Grad Cel­si­us. Das Deut­sche Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR) hat­te im Au­gust 2018 ein MACS-Ka­me­ra­sys­tem (Mo­du­lar Ae­ri­al Ca­me­ra Sys­tem) zur op­ti­schen Fer­ner­kun­dung an Bord in­stal­liert.

  • Um Auswirkungen der Klimaerwärmung besser zu verstehen, messen Fachleute des DLR und des Geoforschungszentrums Potsdam unter der Leitung des Alfred-Wegener-Instituts die Veränderungen im Permafrostboden.
  • Das DLR unterstützt die Kampagne mit dem MACS-Polar-Kamerasystem, das hochaufgelöste Aufnahmen im sichtbaren sowie nahen Infrarot-Bereich erstellt.
  • Schwerpunkt(e): Raumfahrt, Luftfahrt, Globaler Wandel

Die Einsatzbedingungen sind ungewöhnlich und das Beförderungsfahrzeug nicht alltäglich: Derzeit ist ein MACS-Ka­me­ra­sys­tem (Mo­du­lar Ae­ri­al Ca­me­ra Sys­tem) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) am Polarforschungsflugzeug POLAR 5 des Al­fred-We­ge­ner-In­sti­tut, Helm­holtz-Zen­trum für Po­lar- und Mee­res­for­schung (AWI) installiert. Sie wird die Region um das kanadische Inuvik aufnehmen. Mit der Messkampagne, die vom AWI durchgeführt wird, sollen die Klimaprozesse in der Arktis untersucht und besser verstanden werden. Die Ingenieure und Wissenschaftler des DLR testen mit dem Einsatz nördlich des Polarkreises die eigens entwickelte und gebaute MACS-Polar Luftbildkamera. "Wir freuen uns, dieses Kamerasystem nun auch erstmals für die Fernerkundung in der Arktis einsetzen zu können", erläutert Projektleiter Jörg Brauchle vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme.

Um die Auswirkungen der Klimaerwärmung besser zu verstehen, werden die Veränderungen des Permafrostbodens gemessen, denn große Mengen des klimarelevanten Gases Methan sind darin gebunden und werden zunehmend freigesetzt. Auf dieser Feldkampagne messen Wissenschaftler der drei Helmholtz-Einrichtungen Geo­for­schungs­zen­trum Pots­dam (GFZ), AWI und DLR mit unterschiedlichsten Sensoren. Die Kamera des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme steuert dabei hochaufgelöste Aufnahmen im sichtbaren sowie im nahen Infrarot-Bereich bei.

Höhenmodelle und Klassifikationen

Auch die Küstenerosion, die durch das Auftauen des Permafrostbodens voranschreitet, soll mit dem Luftbildkamerasystem aufgezeichnet werden. Bisher wurde dies ausschließlich mit einem laserbasierten System durchgeführt. Bei einem Überflug in einem Kilometer Höhe erfasst dieses LIDAR (light detection and ranging) zwei bis vier Messpunkte pro Quadratmeter. "Ein Kamerasystem wie MACS hingegen bildet aus derselben Flughöhe 120 Punkte pro Quadratmeter ab", erläutert Jörg Brauchle. Mit dieser Auflösung können insbesondere 3D-Strukturen deutlich detaillierter abgebildet und somit die Veränderung der Oberfläche sehr viel genauer bestimmt werden.

Auch die automatische Trennung von Wasserflächen und Tundra-Boden ist mit optischen Sensoren einfacher zu treffen. "Die verschiedenen Vegetationsbedeckungen und die Wasserflächen lassen sich auf unseren Aufnahmen gut unterscheiden", erläutert Matthias Geßner, Wissenschaftler am DLR-Institut für Optische Sensorsysteme. Neben der Klassifikation der Vegetation und dem dreidimensionalen Höhenmodell bieten die Aufnahmen der MACS-Kamera zudem auch die Möglichkeit, dass die Daten anderer Instrumente mit denen der Kamera verglichen und validiert werden können.

Messungen aus dem All, aus der Luft und am Boden

In einer weiteren Untersuchung werden Flugzeug- und Bodenmessungen durchgeführt sowie gleichzeitig Satellitendaten aufgenommen. Ziel der Wissenschaftler des AWI, der Universität Würzburg und der Carleton University (Kanada) ist es dabei, Zusammenhänge zwischen den mit Hilfe von Satellitendaten wahrnehmbaren Veränderungen der Oberfläche - beispielsweise in der Vegetationszusammensetzung - mit den Änderungen der oberen Bodenschicht - wie zum Beispiel die Tiefe der sommerlichen Auftauschicht - in Verbindung zu bringen. Da es sich dabei um weitläufige Regionen mit einer geringen Bevölkerungsdichte handelt, spielt die Nutzung von Fernerkundungsdaten für das Umweltmonitoring eine wichtige Rolle.

Vom Katastrophenfall bis zur Mt. Everest-Kartierung

Eingesetzt wurden die Luftbildkamerasysteme des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme bereits bei den unterschiedlichsten Missionen, für Aufgaben der Sicherheit bis zur Fernerkundung: So wurden 2015 gemeinsam mit dem Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) MACS-Daten genutzt, um Einsatzkräfte nach dem schweren Erdbeben in Kathmandu zu unterstützen. Auch bei der 3D-Kartierung anspruchsvoller Gebiete und beim Monitoring von maritimen Einsatzlagen in Echtzeit konnten MACS-Kameras an Jets, Hubschraubern und Segelflugzeugen erfolgreich eingesetzt werden. Selbst in mehr als 9.000 Metern Höhe flog eine MACS-Kamera bereits über die Erdoberfläche und lieferte 2014 Daten für die hochaufgelöste Kartierung des Mount Everest und des angrenzenden Khumbu-Gletschers. Bewährt sich die MACS-Kamera nun auch bei den Überflügen über Kanada, ist ein erneuter Einsatz im kommenden Jahr bei Messkampagnen über Grönland oder Spitzbergen angedacht. Dann würde die Kamera der DLR-Wissenschaftler nicht auf Tundra und Tümpel blicken, sondern vielmehr schneebedeckte Oberflächen und Gletscher erfassen und kartieren.

Kontakt
  • Julia Heil
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Po­li­tik­be­zie­hun­gen und Kom­mu­ni­ka­ti­on
    Telefon: +49 2203 601-5263
    Linder Höhe
    51147 Köln
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  • Jörg Brauchle

    DLR-In­sti­tut für Op­ti­sche Sen­sor­sys­te­me
    Telefon: +49 30 67055-274
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  • Manuela Braun
    Stra­te­gi­sche Kom­mu­ni­ka­ti­on Raum­fahrt
    Deut­sches Zen­trum für Luft- und Raum­fahrt (DLR)
    Pro­gramm­stra­te­gie Raum­fahrt­for­schung und -tech­no­lo­gie
    Telefon: +49 2203 601-3882
    Hansestraße 115
    51149 Köln
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