Sensoren und Plattformen

Einführung in die Fernerkundung 

Sensoren 

und Plattformen 


Strahlung-Objekt Interaktion 

Energiequelle 

R = reflektierter Teil 

A = absorbierter Teil 

A 

R 

R 

FE-Sensor / 

FE-Plattform 

T 

R 

R 

T = transmittierter Teil 


1

Standard- 

Plattformen 

Satelliten 

Flugzeug 

FE-Plattformen 

Ballon 

Mögliche 

Plattformen 

Flugdrachen 

Aufnahmehöhe 

Satellite data 

High altitude 

Low altitude 

Ground Observation 

Zeppelin 

Hubschrauber 


Aufnahmehöhe von 

einigen Metern bis 

36.000 km Höhe ! 


2

passive 

sensors 

active 

sensors 

Flugzeug 

Übersicht Sensoren 

gamma ray 

spectrometer 

visible 

multi spectral scanner 

imaging spectroscopy 

(field) spectrometer 

photography 

video 

optical domain 

laser 

scanner 

thermal 

scanner 

microwave 

domain 

passive microwave 

radiometer 

radar 

altimeter 

imaging 

radar 

Wellenlänge 


Kombinationsmöglichkeiten 

Plattformen �� -Sensoren 

Satellit 

Sensors 

Passive Active 

Scanning 

Sonstige 

Scanning 

Quelle: NLN-Tutorial, Kapitel „Scanners - Introductory“ (modifiziert) 


3

Kenngrößen bei Zeilenscannern 

• Damit abgetastete Zeilen lückenlos zusammenpassen muß 

gelten: 

V 

Δα 

⋅h 

⋅ν 

= V ⇒ = Δα 

⋅ν 

h 

mit Δα = Öffnungswinkel des Scanners (IFOV) 

ν = Abtastfrequenz 

V = Plattformgeschwindigkeit 

h = Flughöhe 

• Mit welcher Geschwindigkeit muß ein HyMap Zeilenscanner 

bei einer Flughöhe von 2500 m ü. Grund geflogen werden 

(IFOV = 2.5 mrad, ν = 14.5 Zeilen/s)? 

V = 

− 

2. 

5⋅10 

3 

⋅2500 

m ⋅14. 

5 s 

−1 

= 90 m/s = 326 km/h 

Begriff „Auflösung” 


• In der FE spielt der Begriff „Auflösung” eine ganz 

wesentliche Rolle 

• Es werden verschiedene Arten von Auflösung 

unterschieden: 

• räumliche Auflösung 

• radiometrische Auflösung 

• spektrale Auflösung 

• zeitliche (= temporale) Auflösung 

• Die Charakteristik eines Sensors wird im 

Wesentlichen durch diese vier Auflösungsmerkmale 

bestimmt. 

• Heutzutage kann die Anzahl der aufgenommenen 

Winkel als weitere Dimension aufgeführt werden 

(Chris-Proba, MISR, Polder) 


4

Räumliche Auflösung (1) 

Rastergröße 

ca. 5 x 5 m 

Verfeinert man die Auflösung 

um den Faktor zwei, so steigt 

die Anzahl der Rasterzellen 

(und damit der Speicherbedarf) 

um den Faktor 4! 

„räumliche Auflösung“ („spatial“, bzw. „ground resolution“): 

Minimale Größe eines Objektes, das von einem Sensor entdeckt werden 

kann. Häufig auch synonym gebraucht mit Instantaneous Field of View 

(IFOV). IFOV = Größe des Gebietes, das bei der Aufnahme in einen 

Zahlenwert (DN-Wert) umgesetzt wird. 

Räumliche Auflösung (2) 

! 

Rastergröße 

ca. 2.5 x 2.5 m 



5

1-Bit-Darst. 

1 1 1 0 

1 1 0 1 

1 1 0 1 

0 0 1 1 

Radiometrische Auflösung 

3-Bit-Darst. 

6 

5 

3 

2 

6 

4 

3 

2 

5 

3 

3 

4 

3 

3 

4 

4 

� Informationsverlust umso geringer, 

je höher radiometrische Auflösung 

� Scanner kann feiner differenzieren 

als menschliches Auge 

� Nachteil hoher radiometrischer 

Auflösung ist zunehmender Speicherplatzbedarf: 

•„0“und „1“ = ein Bit pro Zelle, 

• 8 Graustufen = drei Bit pro Zelle, 

• 256 Graustufen = 8 Bit pro Zelle. 

„Radiometrische Auflösung“: 

Anzahl der möglichen Datenwerte bei der Digitalisierung. 


Radiometrische Auflösung 

8 Bit radiometrische Auflösung 2 Bit radiometrische Auflösung 


6

Spektrale Auflösung (1) 

„spektrale Auflösung“ („spectral resolution + spectral range“): 

Im Deutschen: Anzahl, Breite und Anordnung der verschiedenen Aufnahmebänder 

(= Kanäle) eines Aufnahmesystems. Jedes Band (Kanal) 

entspricht dabei einem bestimmten Ausschnitt aus dem elektromagnetischen 

Spektrum. 

Im Englischen: Hier wird noch einmal zwischen „spectral resolution“ und 

„spectral range“ unterschieden: 

• „spectral resolution“: Breite eines bzw. der Aufnahmebänder 

• „spectral range“: Anzahl und Position der Bänder im EM-Spektrum 

! 

Die spektrale Auflösung ist umso größer, mit je mehr Aufnahmebändern 

ein System arbeitet und je schmalere Bereiche diese Bänder 

abbilden. Die meisten FE-Scannersysteme arbeiten mit 3-8 Bändern, 

es gibt aber auch Systeme mit mehr Bändern (bis > 300). 

Hauptproblem: Je höher die spektrale Auflösung, umso mehr Daten 

fallen an. 




7



Position Sensorbänder 


8

„zeitliche Auflösung“ 

(„temporal resolution“): 

Zeitliche Auflösung 

zeitliche Wiederholungsrate mit 

der ein Gebiet aufgenommen wird. 

Beispiel: 

Landsat 5 überfliegt alle 16 Tage 

das gleiche Gebiet („temporal resolution“ 

= 16 Tage). SPOT überfliegt 

das gleiche Gebiet nur alle 26 Tage, 

daher eigentlich geringere „temporal 

resolution“ als Landsat 5. SPOT 

kann jedoch auch Gebiete aufnehmen, 

die nicht direkt unter dem Orbit 

liegen. Hierdurch zeitliche Auflösung 

von bis zu 1 - 5 Tagen. 

SPOTs „oblique viewing capability“ 

senkrechte Aufnahme 

am Tag „x“ 

schräg versetzte Aufnahme 

am Tag „x + 5“ 


Multiangulare Systeme 

• Die fünfte Dimension des Datenraums ist die 

Möglichkeit, Bilder in unterschiedlichen 

Winkeln aufzunehmen. 


9

Orbits: polar vs. geostationär 


Physik der Umlaufbahnen 

• Satellit bleibt auf seiner Umlaufbahn, wenn 

sich Fliehkraft (Zentrifugalkraft) und 

Schwerkraft (Zentripetalkraft) gegenseitig 

aufheben. 

• Die Fliehkraft ist abhängig von der 

Geschwindigkeit, die Schwerkraft von der 

Höhe. 

• Für jede Orbithöhe gibt es genau eine 

Geschwindigkeit, die einen stabilen Orbit 

ermöglicht. 


10

Satellitenorbit: geostationär 

Beispiel: 

Wettersatelliten vom 

Typ Meteosat. 

Der Satellit schwebt in 36.000 km Höhe quasi stationär über dem 

Äquator und vollzieht mit der Erde eine volle Erdumkreisung in 

24 Stunden. 


Geostationäre Umlaufbahn 

Bedingungen: 

• Zentrifugalkraft = Zentripetalkraft (Fliehkraft = Schwerkraft) 

• Umlaufzeit = 24 h = 86400 s (eigentlich 23 h, 56 min, 4 s) 

F 1 =m·ω²·r (Zentripetalkraft mit Winkelgeschw. ω) 

M = 5,9736 · 10 24 kg 

R P = 6371 km 

h = 35 872 km 

http://de.wikipedia.org/wiki/Geosynchron 


11

Satellitenorbit: polnah 

Beispiel: 

Erderkundungs-Satelliten vom Typ 

LANDSAT, SPOT, IRS usw. 

polarnah (near-polar orbit): 

Für die Erderkundung wichtigste 

Umlaufbahn, wobei der Satellit leicht 

versetzt von Pol zu Pol fliegt. Dies 

führt dazu, daß (fast) jedes Gebiet 

der Erde vom Sensor aufgenommen 

wird. 

Sonnensynchron: 

Jedes Gebiet wird immer zur 

gleichen Uhrzeit aufgenommen 

Niedrige Umlaufbahn 

(Low Earth Orbit, LEO) 


• Welche Umlaufzeit hat ein Satellit in 700 km Höhe? 

m·ω²·r = G·M·m/r² 

mit ω = 2π/t 

� 4π²·r/t² = G·M/r² 

t 

2 

t = 

2 

4π r 

= 

GM 

3 

2 

4π 

r 

GM 

3 

3 

r 

= 2π 

GM 

t = 2π 

⋅ 

ω = Winkelgeschwindigkeit 

G = Gravitationskonstante (6.674·10 -11 m 3 ·kg -1 ·s -2 ) 

M = Masse der Erde (5.9736 ·10 24 kg) 

m = Masse des Satelliten 

r = Radius der Erde (6371 km) 

t = Umlaufzeit 

( 6 371000 

+ 700 000) 

− 

6. 

674⋅10 

11 

3 

3 

m 

= 5917 s ≈100 

min 

3 

m 

24 

⋅5. 

9736⋅10 

kg 

2 

kg s 


12

Orbits: Umlaufzeiten 


Umlaufbahnen Landsat 5 / 7 

Landsat 5 / 7 überfliegen am 16. Tag wieder die gleichen 

„Swaths“ wie am Tag 1. 


13

Breitengradabhängige Überlappung 

der Szenen 

Die seitwärtige Überlappung 

benachbarter 

‘Swaths’ ist breitengradabhängig! 

Bei Landsat-TM z.B. 

zwischen 14% am 

Äquator und ca. 50% 

bei 54° N bzw. S. 

Quelle: 

ITC Lehrmaterialien 

(modifiziert) 


Worldwide Reference System 

(WRS) Landsat 4 / 5 / 7 

Landsat-Szene 

196 / 25 

Die Mittelpunkte einer gesuchten 

Landsat-Szene können anhand 

des sogenannten „Worldwide 

Reference System“ -einer 

Art Bildindex - ermittelt werden. 

Jeder der durchnumerierten 

„Pfade“ (=„Path“) entspricht 

einem „Swath“. In Orbitrichtung 

ist der Datenstrom kontinuierlich, 

wird aber zum besseren 

‚Handling‘ alle 185 km 

‚abgeschnitten‘. Hierdurch 

entstehen 185 x 185 km² große 

Datenmatrizen. Über die 

entsprechenden Path / Row- 

Nummern ist die Lage jeder 

Szene eindeutig identifiziert. 


14

Datenbestellung nach Path/Row 


Bodenauflösungen verschiedener 

Sensoren 

Quelle: 

ITC Lehrmaterialien 

(modifiziert) 


15

Resolution vs. Revisit Time 

Landsat: Übersicht 

Landsat 1-3 Landsat 4, 5 


Einsatzzeitraum: Juli 1972 (Landsat 1) bis heute (Landsat 5 + 7) 

Bahnhöhe: ≅ 900 km (LANDSAT 1-3); 705 km (Landsat 4/5/7) 

Aufnahmesysteme: 

Landsat 1 - 5: RBV, Multispektral Scanner (MSS) 79 m Auflösung 

Landsat 4 + 5: Thematic Mapper (TM) 30 m Aufl., 120 m Thermal 

Landsat 7: Enhanced Thematic Mapper + (ETM+) 

15 m (panchr.), 30 (multispektr.), 60 m Thermal 


16

Übersicht Landsat-Programm 

15/04/99 

Quelle: NLN-Tutorial (etwas modifiziert) 

Launch Failure! 


Landsat TM: Aufnahmekanäle und 

Anwendungsbereiche 

Quelle: ITC Lehrmaterialien 


17

TM, RGB 321 

TM, RGB 543 



18

Übung: TM, RGB 754 

TM 3 



19

TM 4 

TM 6 



20

SPOT-Programm 

SPOT = Système Probatoire pour l‘Observation de la Terre 

Betreiber: 

Raumsegment: Frankreich (CNES), Schweden, 

Belgien; Bodensegment: SPOT IMAGE / Toulouse 

Bsp. SPOT-Pan (2) 

ca. 1 km 

Starnberger 

See 

Quelle: DLR-CD „Beispiele der FE“, 1994 


Die Abbildung 

zeigt, daß SPOT- 

Pan mit seiner 10 

x 10 m Auflösung 

bereits annähernd 

die Bildqualität 

mittelmaßstäbiger 

Luftbilder 

(1 : 50.000 - 

1 : 30.000) erreicht. 

SPOT 1 HRV- 

Daten, 18.04.1988, 

P-Mode: 10 x 10 m, 

resampled auf 12.5 

x 12.5 m, optimiert 


21

SPOT: HRV-System 

SPOT-Satelliten tragen jeweils zwei HRVs (High Resolution Visible) 

Systeme. HRVs sind ‚stereofähige‘ optoelektronische Scannersysteme 

(‚Pushbroom Scanner‘), die in zwei Aufnahmemodi operieren können: 

P-Mode mit 10 x 10 m und XS-Mode mit 20 x 20 m Auflösung. 

SPOT-HRV: Auflösung 


Spektrale und räumliche Auflösung für HRV / HRVIR / HRG 

Instrument panchromatisch multispektral 

HRV 0.51...0.73 µm (10 m) 0.50...0.59 µm (20 m) 

(SPOT 1 - 3) 0.61...0.68 µm (20 m) 0.78...0.89 µm (20 m) 

HRVIR 0.61...0.68 µm (10 m) wie HRV, plus: 

(nur SPOT 4) 1.58...1.75 µm (20 m) 

HRG wie HRVIR, aber 5 m wie HRVIR, aber: 

(erst SPOT 5) (künstlich: 2.5 m) G, R, NIR mit 10 m Auflösung 


22

Streifenbreite 

SPOT: Operationskenndaten 

HRV / HRVIR 

- 1 Sensor: 60 km, 2 Sensoren: 117 km 

- Spiegel um ± 27° seitlich schwenkbar 

(off-nadir-viewing), daher variable 

Streifenbreite bis zu 80 km bei 950 

km Höhe 

Végétation-Instrument: 2250 km 

Temporale Auflösung 

HRV / HRVIR: 26 Tage (infolge Schwenkbarkeit 

des Spiegels aber bis zu 11-malige 

Überdeckung innerhalb von 26 Tagen 

möglich, für ϕ = 45°) 

Végétation-Instrument: ca. 1 Tag 

SPOT: Stereofähigkeit 


Stereofähigkeit: 

• quer zur Flugrichtung (across-track) 

• Probleme bei Stereoauswertungen durch unterschiedliche 

Aufnahmezeitpunkte 


23

Vergleich: Auflösung von 

Luftbild vs. SPOT vs. TM 

Luftbild 

SPOT-Pan (10 m) 

Landsat TM (30 m) 


Räumlich hochauflösende Sensoren 

• Ikonos-2 

– Gestartet 1999, Daten seit 2000. 

– Panchromatischer Kanal mit 1 m Auflösung 

– 4 Kanäle (blau, grün, rot, nah-infrarot) mit 4 m 

Auflösung 

• Quickbird 

– 2001 gestartet 

– Panchromatischer Kanal mit 61 cm Auflösung 

– 4 Kanäle (blau, grün, rot, nah-infrarot) mit 2,44 m 

Auflösung 

• Beide mit sehr niedrigen Orbits (ca. 450 km), kleinen 

Szenen, 11 Bit radiometrischer Auflösung (2048 

Graustufen), off-nadir-Fähigkeit, sehr teure Daten 


24

Beispielbilder hochauflösender 

Satelliten 

Ikonos Pan: Sydney 

http://www.infoterra-global.com/ 

Quickbird Pan-sharpened: 

Le Bourget Air Show, 12.6.2005 

www.digitalglobe.com 


Optomechanische und 

optoelektronische Sensoren 

Optomechanische Scanner (z.B. 

Landsat TM) tasten eine Zeile ab, indem 

sie mit einem Wippspiegel die Strahlung 

Pixel für Pixel auf den Detektor lenken. 


25

Panoramaverzerrung 

• Entsprechend zur Zentralperspektive 

bei Luftbildern 

gibt es den Panoramaeffekt 

bei Scannerdaten in jeder 

Bildzeile. 

• Außerdem wird zu den 

Rändern hin das in einem 

Pixel abgebildete Flächenelement 

immer größer, und 

es kommt zu Überlappungen. 

� Aufwendige geometrische 

Korrekturen sind notwendig! 

Field of View (FoV) 


Panoramaverzerrung 2 

IFoV 

Panoramaverzerrung 

(Stauchung der 

außen liegenden 

Objekte) und 

höhenbedingter 

Objektversatz 

(„Umklappen”) 


26


• Der Durchmesser eines Bildelements im Nadir beträgt 

ΔY0 = Δα·h mit Δα = IFOV und h = Flughöhe ü. Grund 

• Der Durchmesser eines Bildelements, das im Blickwinkel α 

aufgenommen wird, beträgt 

in Flugrichtung: quer zur Flugbahn: 

h⋅ 

Δα 

ΔX 

0 

h⋅ 

Δα 

ΔY0 

ΔX 

= = 

ΔY 

= = 2 

2 

cosα 

cosα 

cos α cos α 

• Berechne die Durchmesser für Landsat und NOAA AVHRR im Nadir 

und am Rand des Streifens! 

h 

Δα 

α max 

Landsat 

≈ 800 km 

0.0375 mrad 

7° 

AVHRR 

≈ 800 km 

0.944 mrad 

55,4° 

ΔY 0 , ΔY 0 

ΔX max 

ΔY max 

Landsat 

30 m 

30.22 m 

30.45 m 

AVHRR 

755 m 

1330 m 

2341 m 




27

Optoelektronische Scanner 

• Optoelektronische Scanner 

(Pushbroom) nehmen eine 

ganze Zeile mittels Detektorarray 

mit einem Mal auf. 

• Beispiel: SPOT 

• Vorteile: 

– Keine Panoramaverzerrung 

– Mehr Zeit pro Pixel � höhere 

Auflösung möglich 

• Nachteile: 

– Höhere Kosten 

– Kalibrierung aller 

Photosensoren notwendig 


Meteorologische Satelliten 

• Abdeckung großer Flächen und hohe temporale 

Auflösung wichtiger als hohe geometrische 

Auflösung 

• NOAA-AVHRR 

– (National Oceanic & Atmospheric Administration – 

Advanced Very High Resolution Radiometer) 

– Ähnliche Bahn wie Landsat 

– ca. 1 km räumliche Auflösung 

– ca. 2700 km Streifenbreite 

� 2x tägliche Abdeckung der gesamten Erde 

– 5 Kanäle: rot, 2x nIR, mIR, 2x tIR 


28

Meteosat 

• Meteosat ist Teil eines weltweiten Netzes 

geostationärer Wettersatelliten 

• Nadirauflösung ca. 2.5 km (MSG: 1 km) 

• Aufnahmen alle 30 (MSG: 15) Minuten 

• Kanäle: 

– VIS (Sichtbares Licht, 0.5-0.9 µm) 

– WV (Wasserdampfabsorption, 5.7-7.1 µm) 

– IR (thermisches Infrarot, 10.5-12.5 µm). 

– MSG: 12 Kanäle 

Globales Meteorologisches 

Satellitennetz 

Wasserdampfkanal von 

Meteosat Second Generation 

Meteosat 



29

Vorteile von Satellitenmessungen 

• Globale Beobachtung mit dem gleichen 

Instrument über einen langen Zeitraum 

• Schnelle Datenerfassung 

• Daten auch aus unwegsamen Gebieten und 

Bereichen mit zerstörter oder schlechter 

Infrastruktur 

• Flächen- statt Punktmessungen 


Probleme mit Satellitenplattformen 

• Bewölkung im optischen Bereich 

• Große Entfernung � mangelnde Genauigkeit 

• Beobachtungszeitpunkt durch Umlaufbahn 

festgelegt 

• Hohe Kosten bei Satellitenentwicklung und 

Raketenstarts 

• Nicht alle Größen sind der 

Satellitenfernerkundung zugänglich 


30

Sensoren und Plattformen

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