Fernerkundung 5
Teil von Geo123; Michael Schaepman
Teil von Geo123; Michael Schaepman
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Lernkarten
LEO: (=Low Earth Orbit), erdnaher Orbit, Orbits zwischen 200 und 600 km Höhe.
zwei Nutzlasten:
- Mit niedriger Inklination und Höhen über 400 km: bemannte Raumstationen und Satelliten, sind nicht auf eine bestimmte Umlaufbahn festgelegt. (Bsp: astronomische Satelliten und Satelliten mit biologischen oder Materialexperimenten). Man nutzt Bahn um möglichst viel Nutzlastmasse zu transportieren, da es der energieärmste Orbit ist.
- Die zweite Gruppe sind militärische Satelliten welche die Erdoberfläche beobachten. Bahnen die über den Nordpol führen, um die ganze Oberfläche abzutasten und der erdnächste Punkt liegt niedrig (200-250 km) um eine möglichst hohe Auflösung zu erreichen, der erdfernste Punkt liegt meist höher (600-900 km), sonst würde die Luftreibung den Satelliten bald abbremsen.
SSO: Der Sonnensynchrone Orbit (Sun Synchronos Orbit) ist eine Bahn die in 700-1000 km Höhe mit Inklinationen von etwas mehr als 90 Grad verläuft. Die Bahn verläuft damit leicht "rückwärts", also entgegen der Erdrotation über die Erdoberfläche. Da sich die Erde in die andere Richtung dreht, bewirkt diese Bahn, dass der Satellit von der Sonne aus gesehen sich nur von oben nach unten bewegt, seine rückläufige Bewegung um die Erde wird kompensiert durch die Erdrotation in der anderen Richtung. Damit erreicht man einen besonderen Effekt: Der Satellit passiert einen Punkt auf der Erdoberfläche immer zur gleichen lokalen Uhrzeit und bei gleichen Sonneneinfallswinkel, bei den ersten Landsat Satelliten z.B. immer zwischen 10 und 10:30 morgens. Der Vorteil ist dabei das so immer der gleiche Sonnenstand und Beleuchtungsverhältnisse herrschen, man also Bilder zu verschiedenen Zeiten miteinander vergleichen kann. Damit wird auch klar, um was es sich für Satelliten handelt: Es sind Erdbeobachtungssatelliten wie Landsat, Spot oder ERS, aber auch meteorologische Satelliten. Manchmal findet man für diesen Orbit auch die Bezeichnung PEO (Polar Earth Orbit)
MEO: Mittlere Erdorbits (Medium Earth Orbits) sind alle Bahnen oberhalb 1000 km bis zur geostationären Bahn. In diese Bahnen fallen zwei Gruppen von Satelliten: Zum einen die Satelliten des GPS Navigationssystems und seinem russischen Gegenstück Glonass. Diese umkreisen die Erde in 18000-20000 km Höhe auf verschieden stark geneigten Bahnen. Die Höhe resultiert daraus, das man immer 3 Satelliten zur Positionsbestimmung benötigt die gleichzeitig sichtbar sein müssen. Je näher man der Erde kommt, desto mehr Satelliten braucht man, damit gleichzeitig 3 sichtbar sind. Je ferner man der Erde ist, desto geringer aber die Nutzlast und desto schwächer das Signal am Boden, d.h. die Sendeanlagen und damit der Satellit werden schwerer. Der Kompromiss ist daher eine mittlere Höhe zu wählen und dabei 24 Satelliten einzusetzen.
Neuere Nutzlasten im MEO Orbit sind kleine Kommunikationssatelliten die direkt vom Benutzer mit etwas größeren Handys angefunkt werden können. Auch hier gilt es einen Kompromiss zwischen der Höhe des Orbits und der Satellitenzahl zu finden. So verwendet Iridium 77 Satelliten in 800 km Höhe, während Globalstar mit 24 Satelliten in 1400 km Höhe auskommt.
GSO: der Geosynchrone Orbit ist eine Kreisbahn um den Äquator (0 Grad Inklination) in einer Höhe von knapp unter 36000 km. In einer solchen Höhe umrundet ein Satellit die Erde genau einmal am Tag. Da sich die Erde auch einmal am Tag um ihre Achse dreht bleibt der Satellit von der Erde aus fest an einem Punkt. Die Bahn über dem Äquator ist notwendig, weil sich sonst der Satellit noch abwechselnd nach Norden oder Süden bewegen würde, von der Erde aus also nicht feststehen würde sondern sich auf und ab in Form einer sehr schmalen "8" bewegen würde. Für die Puristen: es sind exakt 35786.05 km über dem Äquator.
GTO: Der Geotransfer Orbit ist eine Übergangsbahn zum geostationären Orbit (mehr dazu bei den Berechnungen). Der Geosynchrone Orbit kann direkt nur mit enormen Energieverbrauch erreicht werden. Um Energie zu sparen und die Nutzlasten dadurch größer zu machen, bringt man den Satelliten zuerst in einen Orbit dessen erdfernster Punkt bei 36000 km Höhe liegt wie beim geosynchronen Orbit, der erdnächste Punkt aber in 200-800 km Höhe. Diese Höhe kann eine Rakete direkt erreichen. Ist der Satellit in 36000 km Höhe angekommen, so zündet er einen eignen Antrieb und erhöht so die Bahn auf 36000 km Höhe. Der Orbit von 200-36000 Höhe bezeichnet man als geosynchronen Transferorbit.
Orbits: Types and Heights
Iridium: Satellitentelefonate
ISS: Raumstation
Hubble: Weltraumteleskop
GLONASS: Satellitensystem der Russen (ähnlich GPS)
COMPASS/ MEO Satellites: Chinesisches Satelliten Navigationssystem
Galileo: Europäisches Navigationssatellitensystem
Es gilt: Je niedriger die Orbithöhe desto:
- kürzer die Periode
- kleinräumiger die Abdeckung der Oberfläche
- Stärker das Signal
- besser die räumliche Auflösung
- grösser die Reibung und kürzer die Lebensdauer
Orbit-Schemen
Es gibt drei Orbit-schema - welche sind das?
- Fast Polare Umlaufbahn
Satelliten passieren die Polen, Satelliten beschreiben eine Spirale um die Erde herum
zB: Landsat
- Geneigte Umlaufbahn
Nordpol-/ Südpol wird nicht passiert, Satelliten auf dieser Umlaufbahn umkreisen die Erde fehrfach
zB Shuttle
- Geostationäre Umlaufbahn
Bleiben immer Fix am Ort. In 24h bewegen sich in der gleichen Winkelgeschwindigkeit wie die Erde- betrachten immer den selben Ausschnitt der Erde
Sun-synchronous (polar) Orbit/ Fast polarer Umlauf
- Die Satelliten passieren die Pol- Gebiete
- Umlaufbahn ist fast Polar: dh sind ca 5° geneigt
- Satelliten decken ein Streifenmuster ab- gewisse Lücken/Bahnen werden nicht abgedeckt
- Satelliten passieren immer zur selben (lokalen) Zeit den Äquator: werden darum auch "Sonnensynchron" genannt.
- Zeit zwischen Schnittpunkt am Äquator zum nächsten: ca 90h
- auf der Sonnenabgewandten Seite: Keine Aufnahmen möglich - Geräte speichern hier ihre Daten oder eichen ihre Sensoren neu.
- Satelliten brauchen für vollständige Abbildung der Erde 5 Tage
Geo-synchronous or Geostationary Orbit
- Satelliten bewegen sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Erde- Satellit betrachtet immer den selben Ausschnitt
- Geostationäre Satelliten sind auf verschiedene Stellen gerichtet- darum gibt es auch vile davon
- Meteosat ist auch ein solcher Satellit
- Metosat-Satelliten: ein europäisches Produkt, USA hat zusätzlich noch einen eigenen (unabhängigkeit von Europa)
zum Bild o.r.: schwarze Linie: Aufnahmebereich, blaue Linie: Daten werden noch bearbeitet, gestrichelte gelbe Linie: Wetterdaten mit guter Auflösung
Meteosat Second Gernaration (MSG)
- Umlaufbahn
- Sensor
- befindet sich auf der Geostationären meteorologischen Umlaufbahn
- MSG arbeiten mit SEVIRI (= Spinning Enhanced Visible and Inrared Imager) ein abbildendes Radiometer. Dieser Sensor ermöglicht Wolkendarstellugn und Aufsprüren von Nebel, Ermittlung von Temperaturen, Verteilung von Ozonkonzentrationen. Der Sensor enthält 12 Spektralkanäle (4 VIS/NIR, 8 IR) Die Abtastung der Erde erfolgt immer von Süd nach Nord. Dies dauert ca. 14 Minuten. Danach wird das Spiegelsystem im Satelliten zurück geschwenkt und die nächste Abtastung beginnt. Dadurch ergibt sich eine Bildwiederholrate von 15 Minuten. Diese große Bandbreite ermöglicht es Meteorologen, über digitale Modelle differenziertere Aussagen zur Wettervorhersage zu machen. Auch trägt die Bildwiederholrate dazu bei, genauere und schnellere Vorhersagen von der Entstehung gefährlicher Phänomene wie Stürme, Gewitter oder Starkniederschlag machen zu können.
EUMETSAT
- wer ist EUMETSAT
Europäische Organisation für die Nutzung meteorologischer Satelliten (EUMETSAT), Darmstadt
Die Aufgaben von EUMETSAT umfassen den Betrieb meteorologischer Satelliten sowie die Bereitstellung der Beobachtungsdaten samt einhergehender Dienste für alle Mitglieder.
- Das Aufrechterhalten der Dienstspezifizierung für MSG.
- Organisation aller Starts und der Dienstleistungen für den Poststart frühe Operationen.
- Organisation über Auswertung der Daten am Boden (Satelliten werten Daten nicht aus)
- Konsistenz zwischen Raumsystemsegmenten (Raum, Boden,Abschussvorrichtungsdienstleistungssegmente) sichernd.
- Organisation seit (seit mindestens 18 Jahren).
- Archivierung langjähriger relevanter Satellitendaten durch EUMETSAT
- neue Anwendungen von Wettersatelliten zu erforschen und die entsprechenden Kapazitäten auszubauen
ESA
- Wer ist ESA?
Europäischen Weltraumorganisation (ESA)
- Bei der Entwicklung und Konstruktion neuer Satelliten und neuer Messsysteme- in Zusammenarbeit mit EUMETSAT
- Produktion und Entwicklung neuer Satelliten
(MSG-2/3/4)
- Europäische Gemeinschaft
SEVIRI
Engl. Akronym für Spinning Enhanced Visible and Infrared Imager; abbildendes Radiometer an Bord von MSG. Der Sensor bietet neue und z.T. einzigartige Möglichkeiten der Wolkendarstellung, der Aufspürung von Nebel, der Ermittlung von Temperaturen an Land-, Meeres- und Wolkenoberfläche sowie der Verteilung von Ozonkonzentrationen. Mit seinen 12 Spektralkanälen (4 VIS/NIR, 8 IR) liefert SEVIRI 20mal mehr Informationen als die bisherigen Meteosat-Satelliten liefern.
- Photonen mit der Wellenlänge ca 1 werden Im optimalen Rechtecke abgebildet bei 12, 14 um Wellenlänge.
Die Wolken kommen von Meteosat
Die Karte darunter ist aber nicht zum selben Zeitpunkt aufgenommen worden - die Wolken würden einfach über diese Karte projiziert!
Die Karte selber wurde grün eingefärbt. Mit diesem Konstrast können die Wolken besser betrachtet werden.
(Bei Animationen von Wolken die sich über Ausschnitt bewegen ist zt ein "ruckeln" in der darunter liegenden Karte zu sehen: Satellit ist nicht 100% fixiert - darum zt ganz kleine Verschiebungen möglich.)
Effekte von MSG - Aufnahmen/ Animationen
- Tagesgang- Bei Bildanimationen wird Bild kurz dunkel: Satellit bildet immer den selben Ort ab. Also sind auch Tag/ Nacht sichbar.
Meteosat Bilder sind beeinflusst durch den Stand der Sonne. Meteosat ist ein geostationärer Satellit. Zeigt reflektiertes Licht der Sonne.
- Wolken- Animation über einer Landeskarte
"ruckelbewegungen" Sichtbar der Landkarte
NOAA-AVHRR
= National Oceanic and Atmospheric Administration Advenced Very High Resolution Radiometer
- Satellit vefindet sich auf einer kreisförmigen, Sonnensynchronen Umlaufbahn/ Fast Polare Umlaufbahn
- Flughöhe: 800-900km
- Umlaufzeit: 100-105min
- Bodenauflösung: min 1.2 km
- Streifenbreite: 3000km
- Scan-Rate: 60U/sec
Aus der Perspektive des Instuments wird ien Streifen mit einem Öffnungswinkel von 1.3mrad abgebildet. Am Rand des Bildes sind verzerrungen zu verzeichnen!
(6 Kanäle im sichtbaren und infraroten Bereich)
Bilder des AVHRR liefern u.a. Informationen über das Vorkommen, die Art und Höhe und den Aggregatzustand (Wasser/Eis) der Wolken, Schwebstoffe in der Atmosphäre, außerdem Meeresoberflächentemperaturen, zur Eisverteilung auf den Ozeanen und der Vegetation. AVHRR-Daten sind besonders für die Erforschung des Klimawandels wichtig, da mittlerweile eine lange Datenreihe dieses Sensors vorliegt.
AVHRR-Bilder können während des Satellitenüberfluges direkt mit APT- oder HRPT-Anlagen empfangen werden.
Diese Bild würde mit mit dem multispektralen Sensor des AVHRR aufgenommen. Die unterschiedlichen Farben zeigen unterschiede der Wolkentypen auf:
Türkis: Eiswolken (südliches Mitteleuropa) bzw Schnee am Boden
Rosa: Wasserwolken u.a. Mittel- und Osteuropa
Das AVHRR kann Bilddateien in sechs Spektralberiechen im VIS und im thermischen IR erzeugen (also auch Bilder im Dunkeln möglich wegen IR!)
AVHRR-Zeilenabtaster
Wellenlängen/ Bereiche und Untersuchungsmöglichkeit
Sichtbar ist ein Hurricane
Dieses Bild wurde mit AVHRR aufgenommen.
Gelbliche Wolken, violette Wolken: unterschiedliche Feuchtigkeitsgehalte der verschiedenen Wolken. Wolkentypen werden unterschieden.
Durch diese Differenziertung sind genauere Prognosen möglich über Auftrittsort des Hurricanes
Landsat
- Orbit
- Streifenbreite
- Aufnahmesystem
- Field of View: +/- 7.7°
- Instantaneous FOV: 0.04 mrad
- Bodenauflösung: 30 m (IR: 120 m)
- Streifenbreite: 185 km
- Scan-Rate: 7 Scans/sec
- Whiskbroom- Zeilenabtaster
- Typ: (Mehrzeilen-) Multispektral- Scanner (MSS/TM/ETM+)
- Plattform: Landsat 1-7
- Orbit: kreisförmig, sonnensynchron
- Flughöhe: 700 – 710 km
- Inklination: 98.05° – 98.35°
- Umlaufzeit: 98.9 min
- jedes Gebiet wird immer zur gleichen Uhrzeit überflogen
- Ein Umlauf um die Erde dauert ca. 100 Minuten, also 14 Umläufe pro Tag.
- Der beobachtete Streifen Land hat eine Breite von 185 km, so dass alle 18 (Landsat 1-3) bzw. 16 Tage (Landsat 4-7) das gleiche Gebiet beobachtet wird.
!!! wenn wir die Veränderungen der Vegetation der Erde betrachten wollen, ist Landsat der falsche Satelit. Das System brucht viel zu lange um Erde zu umrunden und die Bilder auf zu nehmen. Es werden einzelne Bilder geliefert- nicht die ganze Erde.
Für Zeitprozess-analyse der Vegetation ungeeignet!!!
Sektralbereiche einzelner Landsat-Satelliten:
- die Neuen Spektralbereich werden decken immer die alten ab- die neuen sind aber alle schaler geworden. ist einfacher zu rechnen. So können die alten mit den neuen Verglichen werden. Aber die Neuen können nicht in die alten umgerechntet werden- umgekehrt schon.
- Wei viel Licht kommt von der Sonne auf die Erde (graue Balken)
- Spektralbereiche der Instrumente wurde absichtlich so gewählt.
- Landsat 9 ist in einem Bereich wo kein Sonnenlicht die Erde erreicht- ist für detektion der Cirruswolken (hier keinerlei Reflektion der Erde).
- Landsat 10 und 11 vermag die Temperatur der Vegetation von der Tep des Bodens zu unterschieden.
- Je kleiner die Spektralberiche gemacht werden- desto mehr müss Integral kleiner gemacht werden um gute Auflösung zu bekommen.
- über die Jahre viele Verbesserungen: zB Landsat 8 wurde auf eine viel kleineren Spektralberich verändert.
Die Bilder werden von Landsat geliefert.
Verschiedenen Spektralbereiche generieren verschiedene Intenstiäten. Unterschiedliche Parameter können bestimmt/ analysiert werden.
- Termalstrahlung: wasser um Mündung etw wärmer, Wasser das eingeführt wird eher kalt. (bei längeren Wellenlängen)
- Streuung im Wasser ist sehr stark im blauen Bereich. viel Schwebepartikel im Wasser- führen zu weisslichen, milchigen Wasser- nur im Blauenberich ersichtlich
MTI- ist die wichtigste Antenne für uns (Matera). Antenne erhält Daten aus diesem Roten Kreis. Der Satellit schickt die Daten dann an die Empfangsstation. KIS und MPS - die gelblich grünen punkte können auch Satellit empfangen- können gekauft werden- Satellitenantennen verfolgen dann den Sateliten in ihrer Ausrichtugn. Aber diese Campagnen Stationen sind zeitlich begrenzt- sind ja extrem grosse Daten. Diese Satellitenbilder sind heute gratis zu erhalten. Landsat Daten können also einfach heruntergeladen werden. 30m Genauigkeit und immer relativ neue Bilder.
Hier handelt es sich um eine Zeitserie von drei verschiedenen Sommern. Diese Bilder aus den verschiedenen Jahren wurden zu diesem Bild zusammengesetzt. - ein geübtes Auge erkennt dies an der Schneebedeckung der Alpen, den Seen, der Vegetation.
Also ein zeitlich inkoherentes Bild hier. Kommt whs vom Landsat.
Hier sehen wir eine Aufnahme eines Gletschers. Schnee ist in diesem Bild türklis dargestellt. Die Gletscherzunge ist in blau.
Mit zeitlich veränderlichen Landsat-bildern können auch Veränderungen der Vegetation/ Gletscher beobachtet werden. Anhand der grosse Zeitserien (viele Bilder auch aus der Vergangenheit) können die Veränderungen verfolgt werden.
SPOT
SPOT - Hochauflösende Satelliten (10- 30m): ein Französisches System
SPOT Satelliten können....
- In-flight Stereo Mapping: Zewi Kamera die gleichzeitig aufnehemen ermöglichen dass Topografie und Eigenschften (zB Albedo hergeleitet werden könnnen.
- Spot wurde geplant um Landwirtschaftsfläche zu untersuchen,Kartographie, Landoberfläche, Land- und Forstwirtschaft, Raumplanung, digitale Geländemodelle und Umweltmonitoring.
Das Bild hat eine leichte unschärfe. Nur schwarz-weiss Instrumente haben die Auflösung von 2.5m, Farb-Instumente nicht- die beiden Satelliten sind also etw versschoben: gibt diesen "unscharfen" Effekt wenn die Daten kombiniert werden. (Paralax- Differenz)
System des SPOT:
Wichtigster Sensor ist ein Paar aus jeweils zwei gleichartigen optischen HRV-Kameras (Instrument Haute Résolution Visible, SPOT 1-3), die in einem panchromatischen Modus mit 10 m räumlicher Auflösung oder in einem multispektralen Modus mit etwa 20 m räumlicher Auflösung betrieben werden können. Durch die beiden gleichartigen HRV-Sensoren besteht u.a. die Möglichkeit zur Aufnahme von Stereobildern. SPOT 5 mit seinen HRG-Instrumenten (High Resolution Geometric) erzielt eine S/W-Auflösung von 5 bzw. 2,5 m, im Farbmodus von 10 m.
ERS
= European Remote Sensing Satellites
ERS-1 war der erste Erdbeobachtungssatelliten der ESA. In den 90er Jahren wurden ERS-1/2 ins All geschossen.
Die ERS-Satelliten umrundeten die Erde in etwa 100 Minuten und laufen auf nahezu polaren Umlaufbahnen, wodurch sie sonnensynchron ausgelegt werden konnten. Dh.: die Bahnebene steht immer im selben Winkel zur Sonne, die aufgenommenen Bildstreifen weisen auch zu verschiedenen Zeiten etwa dieselben Verhältnisse bei Beleuchtung und Kontrast auf.
Ozonloch konnte erstmals untersucht werden- Jahreszeitliche Schwankungen wurden entdeckt!