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Fernerkundung aus dem All

Einführung und Grundkonzepte

Die Fernerkundung der Erde (im Folgenden ERS) bietet den modernen Forschern unglaubliche Möglichkeiten. Ohne sie wären wir nicht in der Lage, im Dschungel der peruanischen Anden nach Inkaruinen zu suchen. Um besser zu erklären, was es ist und wie wir damit umgehen, wollen wir zuerst den Begriff „Fernerkundung“ definieren.

Fernerkundung ist die Messung von Objekteigenschaften auf der Erdoberfläche mit Daten aus Flugzeugen und Satelliten [1].

Es gibt zwar umfassendere Definitionen, aber wir werden uns nicht mit ihnen beschäftigen, weil sie nicht zu unserem Thema gehören — zum Beispiel Echoortung des Meeresbodens mit Schallwellen oder Röntgenuntersuchung von Patienten im Krankenhaus. Im Falle von Satelliten und Flugzeugen wird Information über das Abtastobjekt durch elektromagnetische Wellen (im Folgenden EM-Wellen) zu dem Aufzeichnungssensor übertragen. Im Prozess der ERS können wir sieben aufeinanderfolgende Hauptschritte identifizieren:

Remote sensing process
Schema des Prozesses von ERS. Bildzeichen von Freepik, Smashicons und Creaticca Creative Agency von www.flaticon.com
  1. Die Quelle der EM-Energie (in den meisten Fällen ist es die Sonne, aber es gibt auch andere Möglichkeiten: die eigene Wärmestrahlung oder Mikrowellenstrahlung, die vom Satelliten selbst ausgesendet wird)
  2. EM-Energie breitet sich durch die Atmosphäre aus (solange die Strahlung das Medium durchdringt, wird sie verstreut, absorbiert und verändert)
  3. Interaktion mit dem Ziel (Absorption oder Reflexion von EM-Wellen)
  4. Aufnahme von EM-Energie durch den auf der Plattform installierten Sensor (in diesem Fall auf dem Satelliten)
  5. Übertragung von ERS-Daten an die Bodenempfangsstation und primäre Verarbeitung dieser Daten
  6. Interpretation und Analyse von Daten mit Hilfe spezieller Software
  7. Anwendung der Analyseergebnisse

Um ERS zu verstehen, ist es wichtig, einige Konzepte zu beachten. Erstens ist es der EM-Strahlungsbereich, den der Sensor registriert. Unsere Augen sind in der Lage, nur ein schmales Spektrum von EM-Strahlung wahrzunehmen, das als „sichtbar“ bezeichnet wird, aber die in ERS verwendeten Sensoren können Strahlung aus anderen Bereichen erfassen, die für uns unsichtbar sind. Dies ermöglicht es, das „Unbeobachtbare“ zu beobachten, da die in unseren Augen vertrauten Objekte EM-Wellen unterschiedlicher Wellenlängen unterschiedlich reflektieren und daher unterschiedlich aussehen.

Ein Teil des in ERS verwendeten EM-Spektrums (UV-, unter-mm- und mm-Wellen werden nicht verwendet, da die Atmosphäre für diese Bereiche undurchsichtig ist)
Ein Teil des in ERS verwendeten EM-Spektrums (UV-, unter-mm- und mm-Wellen werden nicht verwendet, da die Atmosphäre für diese Bereiche undurchsichtig ist)

Zweitens sind alle Sensoren in zwei Arten unterteilt: passiv und aktiv. Die ersten registrieren natürliche Strahlung, sei es reflektierte Sonnenstrahlung (wie es von einer Kamera in Ihrem Handy getan wird) oder emittierte Wärmestrahlung eines Objekts. Die zweiten beleuchten Ziele, die Strahlung selbst erzeugen, und registrieren die reflektierten Wellen, wie zum Beispiel bei den Radaraufnahmen oder beim Laserscannen.

Remote Sensing — Passive vs Active
Arten der Fernerkundung: 1 — passiv; 2 — aktiv. Bildzeichen von Freepiks und Creaticca Creative Agency von www.flaticon.com

Die Entstehung der frei zugänglichen ERS-Daten

In Paititi Research verwenden wir hauptsächlich ERS-Daten von Satelliten, die öffentlich kostenlos oder zu einem angemessenen Preis zur Verfügung stehen. Als unabhängige Forscher bewerten wir nicht nur die Qualität der Daten (z. B. hohe räumliche Auflösung), sondern auch die finanzielle Seite der Datenerfassung. Sie fragen sich vielleicht, woher diese Bilder im öffentlichen Raum kamen? Wir werden nicht weit in die Geschichte eingehen, obwohl es interessant ist, zumindest über Luftaufnahmen mit Tauben während des Ersten Weltkriegs zu lesen [2]. Stattdessen werden wir versuchen, die wichtigsten Meilensteine zu nennen:

  • Der Beginn der modernen Fernerkundung (mit digitalen Bildern und nicht mit Film sowie mit hoher räumlicher Auflösung im Gegensatz zu Wettersatelliten) wurde 1972 gelegt, als die NASA den ersten Satelliten ihrer Landsat-Mission startete — damals hiess sie ERTS (Earth; Ressourcen Technologie Satellit) (Earth Resources Technology Satellite) [3] [4]. Dies ist eines der erfolgreichsten ERS-Programme — jetzt ist es ihr neuester Landsat-8-Satellit, der den Globus umkreist. Die Besonderheit des ersten Landsat bestand darin, dass dieses Raumschiff in erster Linie für die Erforschung der Erde für zivile Zwecke konzipiert wurde, was angesichts der Tatsache, dass es während des Kalten Krieges geschah, ein bedeutender Schritt war.
  • Die Anzahl der Satelliten wuchs im Laufe der Zeit, die Qualität der Daten wurde besser und die Vielfalt wurde grösser. ERS blieb jedoch weiterhin das Privileg einer sehr engen Gruppe von Spezialisten, da die meisten Satelliten von amerikanischen oder russischen Militär- und Geheimdienstorganisationen betrieben wurden [5].
  • Nach dem Ende des Kalten Krieges gingen die Spannungen zurück und die Satelliten wurden „ziviler“. Und so gelang 1999 der Durchbruch mit dem kommerziellen Satelliten IKONOS [6], der die Erde mit einer bisher unerreichten räumlichen Auflösung von 1 m abbildete. Weil eine derart hohe räumliche Genauigkeit neue wirtschaftliche Probleme lösen konnte, hat es die Entwicklung der Fernerkundung vorangetrieben.
  • Im Jahr 2001 wurde die erste Version von Google Earth — einem grossen Popularisator der Fernerkundung — veröffentlicht [7]. Tatsächlich wurde Google Earth anders genannt, als es ursprünglich von Keyhole entwickelt worden war, das Google 2014 akquirierte.
  • Im Jahr 2002 wurden die Ergebnisse der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) veröffentlicht. SRTM ist ein internationales Forschungsprojekt zur Erstellung eines globalen digitalen Geländemodells mit hoher Auflösung [8].
  • Im Jahr 2008 eröffnete der US Geological Survey (USGS) freien Zugang zu einem riesigen Archiv von Landsat-Missionsbildern [9]. Wissenschaftler und Experten aus der ganzen Welt begannen diese Daten aktiv zu nutzen.
  • Im Jahr 2014 wurde der erste Fernerkundungssatellit der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Rahmen des Sentinel-Programms gestartet. Jetzt gibt es mehrere Satelliten im Orbit und ERS-Daten von diesen Satelliten sind kostenlos verfügbar [10].
  • Die ESA hat sich seit mehreren Jahrzehnten auf den Weg zu offenen Daten und offenen Wissenschaft gemacht. Daher haben sie im Jahr 2017 formell die Politik des offenen Zugangs zu ESA-Informationen und -Daten angenommen, um die weit verbreitete Nutzung und Entwicklung ihrer Weltraumaktivitäten zu fördern [11].
On the left: image of Machu Picchu taken by U.S. photographic reconnaissance satellite Keyhole-9 (also known as Big Bird) in 07.08.1980, data courtesy of the USGS. On the right: image of Machu Picchu taken by a modern U.S. satellite WorldView-2, DigitalGlobe data.
Auf der linken Seite: Bild von Machu Picchu, aufgenommen vom US-amerikanischen fotografischen Aufklärungssatelliten Keyhole-9 (auch bekannt als Big Bird) am 07.08.1980, Daten mit freundlicher Genehmigung der USGS. Auf der rechten Seite: Bild von Machu Picchu, aufgenommen von einem modernen US-Satelliten WorldView-2, DigitalGlobe Daten.

Heutzutage sehen wir, dass es bereits kommerzielle Unternehmen gibt, die ihre Raketen, Satelliten und andere verwandte Produkte [12]herstellen und sich sogar solchen Unsinn erlauben, ein Auto in den Weltraum zu schicken [13]. Jetzt ist es offensichtlich, dass nicht nur ERS, sondern auch der Weltraum als Ganzes kommerzialisiert wurde und den Massen angeboten. Um das Ausmass des menschlichen Einflusses im erdnahen Raum zu beurteilen, schauen Sie sich dieses Bild an:

Stuff in Space
Bildschirmfoto von Stuff in Space zeigt künstliche Objekte im erdnahen Raum. Die Erde in der Mitte ist nicht sichtbar, weil sie in Weltraummüll gehüllt ist. 1) Rot — Satelliten. Es ist leicht, zwei Hauptgürtel zu sehen, in denen sie konzentriert sind: das niedrige Erdorbitalengürtel (ERS-Satelliten) und das hohe geostationäre Umlaufbahngürtel (Kommunikations-, Navigations- und Meteorologiesatelliten). 2) Blau — Raketenrümpfe. 3) Grau — Weltraummüll.

Satellitenbilder sind nicht nur Bilder

Viele von Ihnen haben bereits mit Weltraumbildern in Online-Karten oder Programmen wie Google Earth gearbeitet. Was Sie dort jedoch sehen können, ist nur die Spitze des Eisbergs der ERS-Daten. Die Sache ist, dass Bilder in Online-Karten reduzierte spektrale, radiometrische und oft räumliche Auflösung haben. Weltraumbilder, oder besser ERS-Daten, erlauben es Ihnen, verschiedene Eigenschaften der Zielobjekte zu inspizieren:

  • Längen
  • Flächen
  • Volumen und Höhen (zum Beispiel, wenn Sie ein digitales Geländemodell aus Stereobildern erstellen)
  • chemische Zusammensetzung (Multispektralbilder können zum Beispiel den Typ der Pflanze oder des Gesteins identifizieren)

Sehen Sie sich die folgenden Bilder an, um zu verstehen, worum es geht:

Ein Gebiet im Manu National Park (Peru):

  1. Bildschirmfoto von Google Earth, zeigt das Gebiet in natürlichen Farben. Landsat / Copernicus-Daten.
  2. Ein Pseudofarbbild (VIS + NIR), das von Sentinel-2-Satellitendaten erhalten wurde. Copernicus Sentinel Daten 2016.
  3. Ein Pseudofarbbild aus verschiedenen L-Band-Polarisationen, erhalten durch ein Radar mit synthetischer Apertur (HH — rot, HV — grün, VV — blau); Mit freundlicher Genehmigung von NASA / JPL-Caltech.
  4. Thermalbild Landsat-8-Daten; mit freundlicher Genehmigung des USGS.
  5. Kurzwelliges IR-Bild. Landsat-8-Daten; mit freundlicher Genehmigung des USGS.

Ein Gebiet im Manu National Park (Peru) in grossem Massstab:

  1. Bildschirmfoto von Google Earth, wo eine geringe räumliche Auflösung der Daten offensichtlich ist. Landsat / Copernicus-Daten.
  2. Bild von WorldView-2-Satellit, DigitalGlobe-Daten.

Anwendung von ERS in der Archäologie

Mit dem Start des ersten Landsat-Satelliten durch die Amerikaner im Jahr 1972 begann eine neue Ära der ERS in der Archäologie [14, S.1]. Bis heute ermöglichen Fernerkundungsprodukte aus dem Weltraum, die dem allgemeinen Verbraucher zur Verfügung stehen:

  • Sparen, weil keine aufwendigen Bodenuntersuchungen oder Luftaufnahmen notwendig sind (heute werden riesige Archive von ERS-Daten gesammelt und die Kosten für den Zugang zu ihnen sind relativ gering)
  • Schwer zugängliche Gebiete zu erforschen (für Satelliten ist es egal, ein Industriezentrum oder entlegene Gebiete des Amazonas zu fotografieren)
  • Relative schnell Bilder von grossen Flächen zu bekommen (breite Umlaufbahnen von Satelliten erlauben das Scannen von Tausenden von Quadratkilometern in kurzer Zeit)
  • Bilder der Erde unabhängig vom Wetter zu erwerben, wenn Satelliten mit einem Radar mit synthetischer Apertur (SAR) verwendet werden
  • Hochauflösende Bilder zu erhalten, die mit Luftaufnahmen vergleichbar sind
  • Phänomene zu enthüllen, die in der Landschaft verborgen sind, durch Spektralanalyse, 3D-Modellierung und Eigenschaften einiger Mikrowellen, die unter Laub und Boden, eindringen können.

Die Fernerkundung durch Satelliten ist natürlich kein Allheilmittel. Es sollte in geographische Informationssysteme (im Folgenden GIS) in Verbindung mit anderen Forschungsmethoden, einschliesslich derjenigen aus dem Luft und am Boden, integriert werden. Bei der Suche nach archäologischen Objekten, die unter dichten Wäldern versteckt sind, erwies sich lidar (ein Laserscanner), der ein aktives Werkzeug der Fernerkundung im sichtbaren und NIR-Bereich ist und auf einem Flugzeug oder Drohne installiert ist, als besonders effektiv. SAR-Satelliten, die auch aktive Fernerkundungsinstrumente sind, können Mikrowellen verwenden, um die darunter liegende Oberfläche in einem dichten tropischen Wald zu untersuchen [17]. Mit Hilfe von Lidar haben Archäologen im Tropenwald im Südosten von Honduras die legendäre „Weisse Stadt“ (La Ciudad Blanca) entdeckt [15]. Kürzlich wurden Zehntausende von Maya-Gebäuden im Dschungel Guatemalas entdeckt — dies ist auch das Ergebnis des Einsatzes dieses Geräts [16]. Die Nachteile des Laserscanners liegen in den hohen Kosten seiner Anwendung, in der niedrigen Flächendeckung und in der Abhängigkeit von den Wetterbedingungen. Es eignet sich nur für Erhebungen auf einer detaillierten Skala, wenn das Forschungsgebiet so eng wie möglich ist.

Das Buch „Remote Sensing in Archaeology“ (Wiseman; El-Baz, 2007) beschreibt gut die komplexe Anwendung verschiedener ERS-Daten und GIS in der Studie des Peten-Beckens von Guatemala, einer Region der Maya-Zivilisation, von der die meisten Teile sind von dichten Wäldern bedeckt [14, S.137-160 und S.263-282]. Lesen Sie den Artikel “Testen unserer Möglichkeiten”, wo Sie genau erfahren können, wie wir ERS verwenden, um Paititi zu finden.

Quellen von frei zugänglichen ERS-Daten

Our project largely depends on public ERS imagery, and we are apologists for the openness of science, data and tools for data processing. Below is a list of the main free data sources and tools we use:

Kostenlose ERS-Datenportale

  • EarthExplorer — das US Geologisches Übersichtsportal, wo Sie auf eine große Menge von ERS-Daten zugreifen können, die die gesamte Welt abdecken, einschliesslich Landsat-Bildern, digitalen Geländemodellen, Radarbildern, freigegebenen Bildern der amerikanischen Geheimdienstmission CORONA und anderen.
  • Copernicus Open Access Hub — das Portal der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), das vollständigen, freien und offenen Zugang zu ERS-Produkten von Sentinel-1 SAR-Satelliten, Sentinel-2 multispektralen optischen Satelliten und Sentinel-3 globalen Ozean / Land-Überwachungssatelliten bietet.
  • UAVSAR Data Search — Portal des NASA Jet Propulsion Laboratory, wo man Bilder von L-, P- und Ka-Bändern (Mikrowellen) von einem unbemannten Luftfahrzeug mit einem Radar mit synthetischer Apertur erhalten kann.

Kostenlose ERS Software

  • QGIS ist ein kostenloses plattformübergreifendes Geoinformationssystem, das auch Werkzeuge zur Verarbeitung, Analyse und Visualisierung von ERS-Daten enthält. Entwickelt von der internationalen Gemeinschaft.
  • Sentinenel Toolboxes sind Open Source Tool-Sets für die wissenschaftliche Nutzung der Ergebnisse von Erdbeobachtungsmissionen. Entwickelt von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA).
  • Orfeo ToolBox ist eine Bibliothek für die Fernerkundungs-Bildverarbeitung, die vom Nationalen Zentrum für Weltraumforschung Frankreichs (CNES) entwickelt wurde.
  • Google Earth ist eine Satellitenkarte der gesamten Erdoberfläche im optischen Bereich des EM-Spektrums, besonders effektiv im 3D-Modus.
  • ArcGIS Earth ist ein Äquivalent von Google Earth erstellt von der Firma ESRI.

Verweise

  1. SCHOWENGERDT, Robert A. Remote Sensing: Models and Methods for Image Processing. 3rd Edition, 2006. ISBN: 978-0123694072, S.2
  2. Pigeon photography, Wikipedia, letzte Änderung am 24.12.2017. Abgerufen von https://en.wikipedia.org/wiki/Pigeon_photography
  3. QUITNEY, Jeff. First Landsat: „Earth Resources Technology Satellite“ (ERTS) 1973 NASA. YouTube, 2016. Abgerufen von https://youtu.be/XiNs7ij8RHk
  4. Landsat Missions: Imaging the Earth Since 1972. U.S. Geological Survey, letzte Änderung am 25.04.2018. Abgerufen von https://landsat.usgs.gov/landsat-missions-timeline
  5. Air Force Space & Missile Museum Foundation. The Corona Story – A Point In Time. YouTube, 2016. Abgerufen von URL https://youtu.be/k3bzHk_6yHM
  6. IKONOS Satellite Imagery: First Commercial Space-based Imaging. GISGeography.com, letzte Änderung am 21.04.2018. Abgerufen von https://gisgeography.com/ikonos-satellite/
  7. WALKER, Tim. How google earth changed the world. The Independent, 05.09.2012. Abgerufen von
    https://www.independent.co.uk/life-style/gadgets-and-tech/features/how-google-earth-changed-the-world-8107056.html
  8. U.S. topography data from shuttle mission unveiled. NASA NEWS RELEASE, 23.01.2002. Abgerufen von https://spaceflightnow.com/news/n0201/23srtm/
  9. Opening the Landsat Archive/Product Specifications. U.S. Geological Survey,  21.04.2008. Abgerufen von https://landsat.usgs.gov/opening-landsat-archiveproduct-specifications
  10. SENTINEL Program Overview. ESA. Abgerufen von https://sentinel.esa.int/web/sentinel/missions
  11. TROVATELLO, Marco. Open access at the european space agency. ESA, 15.02.2017. Abgerufen von http://open.esa.int/open-access-at-esa/
  12. List of private spaceflight companies, Wikipedia, letzte Änderung am 11.05.2018. Abgerufen von https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_private_spaceflight_companies
  13. AMOS, Jonathan. Elon Musk’s Falcon Heavy rocket launches successfully. BBC, 07.02.2018. Abgerufen von http://www.bbc.com/news/science-environment-42969020
  14. WISEMAN, James R.; EL-BAZ, Farouk (Eds). Remote Sensing in Archaeology, 2007. ISBN 978-0-387-44455-0
  15. PRESTON, Douglas. Exclusive: Lost City Discovered in the Honduran Rain Forest. National Geographic, 02.03.2015. Abgerufen von https://news.nationalgeographic.com/2015/03/150302-honduras-lost-city-monkey-god-maya-ancient-archaeology/
  16. Sprawling Maya network discovered under Guatemala jungle. BBC, 02.02.2018. Abgerufen von https://www.bbc.com/news/world-latin-america-42916261
  17. Penetrating Tree Cover to See the Forest Floor. NASA Earth Observatory, 25.04.2013. Abgerufen von
    https://earthobservatory.nasa.gov/IOTD/view.php?id=80982

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