HRSC – die hochauflösende Stereokamera

Die hochauflösende Stereokamera HRSC ist Deutschlands wichtigster Beitrag zur Mission Mars Express der Europäischen Weltraumorganisation ESA. Seit der Ankunft am Roten Planeten Ende des Jahres 2003 besteht das Hauptziel dieser Mission in der Suche nach Spuren von Wasser sowie Anzeichen von Leben auf dem Mars. Sieben Instrumente an Bord des Orbiters sammeln mit einer Reihe von Fernerkundungsexperimenten neue Erkenntnisse über die Zusammensetzung und Geologie der Oberfläche des Mars und die Bestandteile seiner Atmosphäre. Die Orbiterinstrumente sind in ihrer Einheit speziell dafür ausgelegt, die Marsoberfläche in hoher Auflösung für photogeologische und mineralogische Untersuchungen zu kartieren sowie die Marsatmosphäre und ihre Wechselwirkungen mit dem interplanetaren Medium zu studieren.

Die am DLR-Institut für Planetenforschung (heute Institut für Weltraumforschung) entwickelte High Resolution Stereo Camera (HRSC) auf der Mars Express-Mission der ESA ist ein bislang einmaliges Experiment: Zum ersten Mal auf einer Weltraummission bildet eine Spezialkamera eine Planetenoberfläche systematisch in der dritten Dimension und in Farbe ab. Die Ergebnisse sollen die Beantwortung fundamentaler Fragen zur geologischen und klimatischen Geschichte des Roten Planeten ermöglichen. Die räumliche Auflösung der Stereobilder erlaubt es den Geowissenschaftlerinnen und -wissenschaftlern, Details mit einer Größe von 10 bis 30 Meter dreidimensional zu analysieren. Als besondere Spitzenleistung enthält die Kamera ein zusätzliches, ultrahochauflösendes Teleobjektiv. Mit diesem Super Resolution Channel (SRC) ist die Abbildung von zwei bis drei Meter großen Objekten – eingebettet in die farbigen Stereobilddaten der HRSC – möglich. Damit lassen sich beispielsweise Felsbrocken in der Größe einer Garage oder Schichtungen in Sedimentgesteinen identifizieren.

Die nur 20 Kilogramm schwere HRSC verfügt über zwei Kameraköpfe: den hochauflösenden Stereokopf, der aus neun CCD-Zeilensensoren besteht, die hinter einem Linsenobjektiv parallel angeordnet sind, sowie den SRC-Kopf, der aus einem Spiegelteleobjektiv und einem CCD Flächensensor aufgebaut ist. Der hochauflösende Stereokopf funktioniert nach dem Scanner-Prinzip: Durch die Anordnung seiner neun Zeilensensoren quer zur Flugrichtung nimmt jeder dieser Sensoren aufgrund der Vorwärtsbewegung des Raumschiffs denselben Bildstreifen auf der Marsoberfläche nacheinander Zeile für Zeile auf. Dabei bildet jeder Sensor dasselbe Objekt auf der Oberfläche unter einem unterschiedlichen Blickwinkel ab. Am Boden werden dann aus fünf dieser Bildstreifen 3D-Bilder erzeugt. Die verbleibenden vier der neun Zeilensensoren sind mit speziellen Farbfiltern für die Aufnahme multispektraler Daten versehen.

Am marsnächsten Punkt der elliptischen Umlaufbahn (Perizentrum) beträgt der Abstand vom Raumschiff zum Mars 270 Kilometer. Bei dieser Höhe über dem Mars ist die Auflösung der neun Bildstreifen zwölf Meter für jeden der 5.184 Pixel pro Zeilensensor. Die Bildstreifenbreite beträgt 52 Kilometer und die Mindeststreifenlänge 300 Kilometer. Letztere hängt ausschließlich von der Datenspeicher- und Übertragungskapazität des Raumschiffs ab. Der Super Resolution Channel (SRC) wird wie eine Lupe eingesetzt. Er liefert im Perizentrum 2,3 Kilometer mal 2,3 Kilometer große Bilder in der Mitte der Bildstreifen, die Oberflächendetails mit einer Auflösung von 2,3 Meter pro Pixel abbilden. Diese SRC-Aufnahmen erhalten ihren besonderen Wert durch den geologischen Kontext der Umgebung, welcher durch die Bilder des hochauflösenden Stereokopfes geliefert wird.

Vor der Datenübertragung werden die Bilder in der HRSC Digital Unit komprimiert und im Raumschiff zwischengespeichert. Auf der Erde werden die Marsaufnahmen zunächst am DLR-Institut für Planetenforschung (heute: Institut für Weltraumforschung) systematisch prozessiert und dann zur weiteren Verarbeitung und Analyse an das HRSC-Team aus 43 Wissenschaftlern in neun Ländern verteilt.

Seit 1997 wurden zwei Versionen der HRSC für den Flugzeugeinsatz modifiziert. Sie haben in verschiedenen Flugkampagnen schon jetzt den Nachweis für die Robustheit des HRSC-Designs und für den wissenschaftlichen Wert der HRSC- Technologie erbracht.

Die HRSC wurde am DLR-Institut für Planetenforschung entwickelt. Das Institut ist auch für den Betrieb der Kamera während der gesamten Mission sowie für die Verarbeitung und Verteilung der Bilddaten verantwortlich. Die Prozessierung der Bilder erfolgt im Berliner DLR-Institut für Planetenforschung (heute Institut für Weltraumforschung) in Zusammenarbeit mit der Freien Universität Berlin. Geleitet wird das deutsche Kameraexperiment HRSC an Bord von Mars Express vom Principal Investigator (PI) Dr. Daniela Tirsch vom DLR-Institut für Planetenforschung.

Warum braucht man in der Planetenforschung dreidimensionale Bilder?

Die Untersuchung von Oberflächenstrukturen mit Hilfe von Fernerkundungsdaten ist bei vielen quantitativen Messungen auf dreidimensionale Informationen angewiesen (zum Beispiel Querschnitte von Tälern, Volumina von Bergen und so weiter). Die Topographie beziehungsweise das Relief der Oberfläche ist also eine wichtige Information bei der geomorphologischen und geologischen Interpretation von Planetenbildern.

Vor Mars Express gab es noch kein planetares Stereokameraexperiment. Es gab zwar viele Bilder, die mehr oder weniger zufällig, in seltenen Fällen auch extra geplant, die gleichen Gebiete unter verschiedenen Blickwinkeln abbilden, aber in der Vergangenheit waren Ergebnisse entweder qualitativ nicht hochwertig, schlecht auflösend oder auf sehr kleine Gebiete beschränkt. Beispiele gibt es von den Oberflächen von Planeten (Merkur, Mars), von Monden (Erdmond, die galileischen Monde des Jupiter) und von Asteroiden (Ida, Gaspra). Meist jedoch mussten topographische Informationen aus anderen Daten abgeleitet werden. Früher wurden dazu häufig Radarinstrumente (Radar - RAdio Detection and Ranging) verwendet, die zum Beispiel die dichte Atmosphäre der Venus durchdringen konnten und ihre Oberfläche dreidimensional abbildeten.

Auch mit Lasern können exzellente Messergebnisse erzielt werden. Hier werden Laserimpulse von einer Raumsonde in Richtung des Planeten gesendet, wo sie an der Oberfläche reflektiert werden. Auf der Sonde werden die reflektierten Impulse empfangen, und aus dem Laufzeitunterschied kann die Entfernung zwischen der Sonde und der Oberfläche bestimmt werden (Lidar: Light Detection and Ranging). Da der Abstand der Sonde zum Mittelpunkt des Planeten bekannt ist, kann also auch der Abstand von dort zur Oberfläche (die Höhenlage der Oberfläche) berechnet werden.

Ein Beispiel für ein erfolgreiches Lidar-Instrument ist MOLA (Mars Orbiter Laser Altimeter), das mehr als 600 Millionen einzelne Höhenmessungen der Marsoberfläche gesammelt hat. Aus den Einzelmessungen konnte ein globales digitales Höhenmodell erzeugt werden, das eine absolute vertikale Genauigkeit von ungefähr zehn Metern hat. Die horizontale Auflösung ist allerdings schlechter und variiert von 300 Metern in Polnähe bis zu einigen Kilometer in Äquatornähe. Grund dafür ist der polare Orbit der Sonde Global Surveyor, auf der sich MOLA befand: An den Polen kreuzten sich die Umläufe, und sehr viele Messpunkte befanden sich auf engstem Raum. Am Äquator lagen die Bahnen dagegen weit auseinander. Hier ist die Stereoinformation der HRSC besonders wertvoll.

Was passiert, wenn man mit beiden Augen sieht?

Menschen und Tiere können ihre Umgebung visuell räumlich, also in drei Dimensionen, wahrnehmen. Da beide Augen zueinander einen Abstand haben (circa sieben Zentimeter), betrachten diese beiden optischen Systeme (linkes und rechtes Auge) jeden Gegenstand aus einem unterschiedlichen Blickwinkel. Das Gehirn verarbeitet durch das sogenannte stereoskopische Sehen die Bilder der beiden Augen zum Eindruck räumlicher Tiefe (das Stereoprinzip). Die Entfernungsinformationen sind allerdings Erfahrungswerte, keine absoluten, exakt definierten Messwerte. Genauso funktioniert das Prinzip einer Stereokamera. Ein Objekt wird aus verschiedenen Blickwinkeln aufgenommen, und die Information, die in diesen beiden unterschiedlichen Bildern steckt, kann rechnerisch in räumliche Information weiterverarbeitet werden. Die Wissenschaft, die sich damit befasst, heißt Photogrammetrie (aus dem Griechischen „phos“ – das Licht und „metron“ - das Maß, also etwa „mit Licht messen“ wurde das Substantiv Photographie zusammengesetzt).

Was ist Photogrammetrie?

Bei der Photogrammetrie handelt es sich um ein Messbildverfahren aus photographischen oder digitalen Aufnahmen der Landschaft von der Erde oder vom Luft- beziehungsweise Raumfahrzeug aus. Die Bilder werden entzerrt in die Karte eingetragen. Die Photogrammetrie befasst sich mit der Gewinnung und Verarbeitung von Informationen über Objekte und Vorgänge mittels Bildern, schwerpunktmäßig mit Bestimmung der Form, Größe und Lage von Objekten im Raum, vorzugsweise mittels photographischer Bilder als Informationsspeicher. Die Bilder werden durch photogrammetrische Aufnahmen gewonnen und durch photogrammetrische Auswertung verarbeitet. Werden digitale Bilder verwendet (so wie bei der HRSC-Kamera), so wird von digitaler Photogrammetrie gesprochen.

Varianten:

• Luftbildphotogrammetrie mit Luft- oder Satellitenbildern, die in einigen Kilometer Höhe (bei Flugzeugen) oder mehreren hundert Kilometer Höhe (bei Satelliten) aufgenommen werden
• terrestrische Photogrammetrie mit Bildern, die auf dem Erdboden aufgenommen werden