Fernerkundung: Satellitenbilder richtig auswerten
Du unterscheidest Messverfahren, wählst passende Auflösungen und prüfst, wie zuverlässig Karten und Bildvergleiche sind.
Kurz gesagt
Du wertest Satellitenbilder aus, indem du Messweise, Auflösungen und Aufnahmebedingungen prüfst. Danach ordnest du Flächen begründet zu und untersuchst, ob Bildunterschiede eine Veränderung der Landschaft belegen.
Bei der Fernerkundung gewinnst du Informationen über die Erdoberfläche aus der Ferne, ohne sie direkt zu berühren. Ein Satellit ist hier ein von Menschen gebauter Körper, der die Erde umkreist. Ein Sensor ist ein Messgerät, das zum Beispiel an einem Satelliten angebracht ist. Er erfasst Strahlung, also Energie, die sich etwa als sichtbares Licht oder als von Gegenständen abgegebene Wärmestrahlung ausbreitet.
Deine Lernziele
Ein passiver Sensor sendet kein eigenes Messsignal zur Erdoberfläche. Er misst Strahlung, die bereits von dort kommt. Dazu gehört Sonnenlicht, das die Oberfläche zurückwirft. Dieses Zurückwerfen heißt Reflexion. Passive Sensoren können aber auch Wärmestrahlung messen, die eine Oberfläche selbst abgibt.
Deshalb bedeutet passiv nicht, dass eine Messung Sonnenlicht braucht. Eine Wärmebildkamera kann auch nachts Wärmestrahlung erfassen. Eine Aufnahme von zurückgeworfenem Sonnenlicht braucht dagegen Sonnenlicht an der aufgenommenen Oberfläche.
Ein aktiver Sensor sendet ein eigenes Messsignal zur Oberfläche und empfängt dessen zurückgeworfenen Anteil. Ein Radar verwendet dafür Mikrowellen. Das ist eine für Menschen unsichtbare Art von Strahlung. Ein Laser sendet eng gebündeltes Licht aus, das ebenfalls als Messsignal dienen kann.
Entscheidend ist also, woher das Messsignal stammt. Die Tageszeit allein sagt dir nicht, ob ein Sensor aktiv oder passiv arbeitet.
Passiver und aktiver Sensor
Passiv: Der Sensor empfängt vorhandene Strahlung. Aktiv: Der Sensor sendet ein eigenes Messsignal aus und misst dessen zurückgeworfenen Anteil.
Beispiel: Erfundener Messfall über einer Sandfläche
- 1Die Sonne beleuchtet eine Sandfläche.
- 2Ein Messgerät empfängt das vom Sand zurückgeworfene Sonnenlicht und sendet kein eigenes Messsignal dorthin.
- 3Das Messgerät arbeitet passiv. Die Strahlung stammt ursprünglich von der Sonne.
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Die Auflösung beschreibt verschiedene Eigenschaften einer Aufnahme. Die räumliche Auflösung gibt an, für welche Bodenfläche ein Bildpunkt steht. Ein solcher Bildpunkt heißt Pixel. Bei kleineren Bodenflächen je Pixel werden kleinere Einzelheiten unterscheidbar. Ein Gegenstand ist deshalb aber noch nicht sicher erkennbar: Auch sein Unterschied zur Umgebung spielt eine Rolle.
Die spektrale Auflösung beschreibt, in wie viele und wie breite Strahlungsbereiche ein Sensor seine Messung aufteilt. Ein solcher Messbereich heißt Kanal. Wichtig ist auch, welche Bereiche die Kanäle erfassen. Viele Kanäle helfen bei einer Frage nur dann, wenn sie die benötigten Unterschiede zwischen Oberflächen erfassen. Kleinere Pixel ersetzen keine passenden Kanäle.
Die zeitliche Auflösung beschreibt den Abstand, in dem ein Sensor dasselbe Gebiet erneut aufnehmen kann. Kürzere Abstände helfen, schnelle Veränderungen zu verfolgen. Bei Aufnahmen mit zurückgeworfenem Sonnenlicht können Wolken den Boden verdecken. Ein kurzer Aufnahmeabstand garantiert deshalb keine ebenso häufigen brauchbaren Bodenbilder. Häufigere Aufnahmen liefern außerdem keine zusätzlichen Strahlungsbereiche.
Die radiometrische Auflösung beschreibt die Anzahl unterscheidbarer Messwertstufen für die Stärke der aufgenommenen Strahlung. Mehr Stufen ermöglichen feinere Abstufungen. Das kann helfen, kleine Unterschiede zwischen Signalen zu erfassen. Es bedeutet weder kleinere Pixel noch mehr Kanäle und garantiert für sich keine genauere Messung.
Wähle nach deiner Fragestellung: Für kleine Gegenstände sind eher kleine Pixel nötig. Für schnelle Veränderungen sind kurze Aufnahmeabstände wichtig. Für die Unterscheidung ähnlicher Oberflächen brauchst du geeignete Kanäle und ausreichend feine Messwertstufen. Keine der vier Eigenschaften ersetzt die anderen.
| Art der Auflösung | Was wird beschrieben? | Wofür ist das wichtig? |
|---|---|---|
| Räumlich | Die Bodenfläche je Pixel. | Kleine Einzelheiten unterscheiden. |
| Spektral | Anzahl, Breite und Lage der Kanäle. | Oberflächen anhand ihrer Messwertmuster unterscheiden. |
| Zeitlich | Der mögliche Abstand zwischen Aufnahmen desselben Gebiets. | Schnelle Veränderungen verfolgen. |
| Radiometrisch | Die Anzahl unterscheidbarer Messwertstufen. | Feine Unterschiede der Strahlungsstärke erfassen. |
Merke: Eine Aufnahme ist für eine Frage geeignet, wenn die benötigten Einzelheiten, Strahlungsbereiche, Zeitabstände und Messwertstufen zusammenpassen.
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Eine thematische Karte zeigt ein bestimmtes Thema, etwa die Verteilung von Wasser und Pflanzen. Ein digitales Bild besteht aus einem Raster: Seine Pixel sind in Zeilen und Spalten angeordnet. Bei der Klassifizierung werden diese Pixel Gruppen zugeordnet. Solche Gruppen heißen Klassen. Zuerst legst du fest, welche Klassen deine Frage braucht und welche die Daten unterscheiden können.
Ein Pixel liefert Messwerte aus den verwendeten Kanälen. Das Muster dieser Werte heißt spektrale Signatur. Verschiedene Oberflächen können unterschiedliche Muster haben. Manche Verfahren benötigen Trainingsgebiete. Das sind Flächen, deren Klasse bereits bekannt ist. Ihre Messwerte dienen als Beispiele, mit denen die Zuordnung vorbereitet wird.
Anschließend vergleicht ein Computer die Merkmale der Pixel mit den Beschreibungen der Klassen. Die Klassen erhalten Kartenfarben oder Zeichen. Eine Legende erklärt deren Bedeutung. Eine Maßstabsangabe nennt dagegen, wie stark Strecken auf der Karte gegenüber der Wirklichkeit verkleinert sind. Zur Karte gehören auch Angaben zur Datenquelle, zum Aufnahmezeitpunkt und zum dargestellten Gebiet.
Die Zuordnung kann unsicher sein. Verschiedene Pflanzen können ähnliche Messwertmuster besitzen. Dieselben Pflanzen können je nach Wachstum oder Feuchtigkeit unterschiedliche Muster zeigen. Ein Mischpixel umfasst mehrere Oberflächentypen, etwa Wasser und Pflanzen am Ufer. Solche Fälle dürfen nicht als sicher erkannte, einheitliche Flächen ausgegeben werden. Eine Klasse „unklar“ kann Unsicherheit sichtbar machen.
Prüfe das Ergebnis mit weiteren, unabhängig bekannten Flächen. Diese sollten nicht bereits als Trainingsgebiete gedient haben. So erkennst du Fehlzuordnungen, die bei einer Prüfung mit den eigenen Trainingsbeispielen verborgen bleiben könnten. Eine solche Prüfung an ausgewählten Flächen heißt Stichprobe. Sie garantiert nicht, dass jeder Pixel richtig zugeordnet ist.
Unterscheide außerdem Bodenbedeckung und Landnutzung. Bodenbedeckung meint, was die Oberfläche bedeckt, etwa Wasser oder Pflanzen. Landnutzung meint, wozu Menschen eine Fläche verwenden. Aus Pflanzenbedeckung allein lässt sich zum Beispiel nicht sicher erkennen, ob eine Fläche als Park oder als Weide genutzt wird. Dafür brauchst du weitere Angaben.
Beispiel: Erfundener Fall einer bewachsenen Freifläche
- 1Ein Programm ordnet eine Freifläche der Klasse „mit Pflanzen bedeckt“ zu.
- 2Diese Zuordnung spricht für Pflanzenbedeckung, kann aber Fehler enthalten.
- 3Ob die Fläche ein Park oder eine Weide ist, lässt sich aus dieser Zuordnung allein nicht sicher ableiten.
Merke: Lege geeignete Klassen fest, nutze bei Bedarf Trainingsgebiete, ordne die Pixel zu und erkläre die Darstellung mit einer Legende. Prüfe das Ergebnis unabhängig und kennzeichne Unsicherheit.
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Prüfe zuerst, ob beide Aufnahmen dasselbe Gebiet zeigen. Auch die verglichenen Stellen müssen zusammenpassen: Ein Pixel über einer Straße darf nicht mit einem Pixel über dem Nachbargrundstück verglichen werden. Notiere die Quellen und Aufnahmezeitpunkte der Bilder.
Prüfe danach die Sensoren und alle vier Auflösungen. Bei größeren Pixeln können mehrere Oberflächentypen zusammen erfasst werden, die in kleineren Pixeln getrennt erscheinen. Andere Kanäle oder Messwertstufen können Unterschiede ebenfalls anders sichtbar machen. Bei Karten musst du zusätzlich Klassen und Legenden vergleichen. Eine andere Farbe kann aus einer anderen Darstellung entstehen, ohne dass sich die Oberfläche verändert hat.
Beachte Jahreszeit und Aufnahmebedingungen. Bei Bildern mit zurückgeworfenem Sonnenlicht können Wolken und Schatten die Sicht auf den Boden erschweren. Pflanzen können je nach Wachstumsphase, also ihrem Entwicklungsstand, anders erscheinen. Auch feuchter und trockener Boden können unterschiedliche Messwertmuster zeigen. Derselbe Monatsname reicht deshalb nicht aus, um vergleichbare Bedingungen nachzuweisen.
Ein Bildunterschied allein belegt noch keine dauerhafte Landschaftsänderung. Suche weitere möglichst vergleichbare Aufnahmen oder unabhängig geprüfte Angaben zu den Flächen. Damit kannst du untersuchen, ob eine Veränderung länger besteht und welche Erklärung zu den Angaben passt. Unterschiedliche Aufnahmebedingungen können einen Bildunterschied mitverursachen; zugleich kann sich die Landschaft tatsächlich verändert haben. Beides muss geprüft werden.
Beispiel: Erfundener Vergleich eines Obstgartens
- 1Zwei Sonnenlichtbilder zeigen denselben Obstgarten mit Bäumen, die im Winter ihre Blätter verlieren.
- 2Das Sommerbild zeigt belaubte Bäume, das Winterbild kahle Zweige.
- 3Der jahreszeitliche Blattwechsel erklärt den Unterschied. Eine dauerhafte Entfernung der Bäume ist damit nicht belegt.
Merke: Vergleiche Gebiet, Zeitpunkt, Sensor, Auflösungen, Aufnahmebedingungen und Darstellung. Ein sichtbarer Unterschied ist zunächst ein Anlass zur Prüfung.
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Alles auf einen Blick
Fernerkundung
Passive Sensoren empfangen vorhandene Strahlung. Aktive Sensoren senden ein eigenes Messsignal aus und messen dessen zurückgeworfenen Anteil.
Bodenfläche je Pixel, Kanäle, Aufnahmeabstände und Messwertstufen beschreiben unterschiedliche Eigenschaften. Ihre Eignung hängt von der Frage ab.
Klassen werden anhand von Merkmalen zugeordnet, mit einer Legende dargestellt und unabhängig geprüft.
Ähnliche Messwertmuster und Mischpixel erschweren die Zuordnung. Bodenbedeckung allein belegt keine bestimmte Landnutzung.
Gebiet, Aufnahmezeiten, Messweise und Bedingungen müssen zusammenpassen. Ein Bildunterschied allein beweist keine dauerhafte Landschaftsänderung.
Einen Pixel am Rand eines erfundenen Teichs zuordnen
- 1Erfundene Schulaufgabe: Eine Karte soll Wasser und Pflanzen am Rand eines Teichs unterscheiden. Ein Pixel steht für eine quadratische Bodenfläche mit fünf Metern Seitenlänge.
- 2Aus erfundenen, bereits bekannten Flächen werden typische Messwertmuster für die Klassen „Wasser“ und „Pflanzen“ abgeleitet. Diese Flächen dienen als Trainingsgebiete.
- 3Der zu prüfende Pixel passt ähnlich gut zu beiden Mustern. Seine Zuordnung ist deshalb nicht eindeutig.
- 4Du ordnest ihn vorläufig der zusätzlichen Klasse „unklar“ zu und prüfst die Stelle mit einer weiteren, unabhängig bekannten Angabe.
- 5Die erfundene Prüfangabe lautet: Die Bodenfläche dieses Pixels enthält Wasser und Pflanzen. Das erklärt, weshalb der Mischpixel nicht eindeutig zu einer der beiden Klassen passt.
- 6Das Ergebnis lautet: Der Pixel bleibt auf dieser Karte als „unklar“ gekennzeichnet. Die Legende erklärt Blau als „Wasser“, Grün als „Pflanzen“ und Grau als „unklar“.
Fehler finden
Fehler in Zeile 3Die Aussage macht aus einem Farbunterschied bereits einen Beweis. Richtig: Ein Farbunterschied allein belegt keine dauerhafte Veränderung der Waldfläche. Unterschiedliche Kanäle können die Darstellung beeinflussen; weitere vergleichbare Aufnahmen oder unabhängig geprüfte Angaben sind nötig.
Lückentext
Ein Messgerät sendet eigene Mikrowellen zum Boden und empfängt deren zurückgeworfenen Anteil. Es arbeitet . In einem erfundenen Aufnahmeplan liegen fünf Tage zwischen möglichen Aufnahmen desselben Gebiets. Dieser Abstand beschreibt die Auflösung. Auf einer thematischen Karte bedeutet Blau „Wasser“. Die Bedeutung dieser Kartenfarbe wird in der erklärt.