L3: EMR & Physical Principles Part 2 - Skript¶
Diese Vorlesung vertieft und erweitert die in L2 behandelten Grundlagen der elektromagnetischen Strahlung (Electromagnetic Radiation, EMR). Der Professor betont gleich zu Beginn, dass vieles bewusst wiederholt wird: "Still all repetition ... because it is important!" Die Wiederholung ist kein Zufall, sondern didaktisches Programm, denn die physikalischen Grundlagen der EMR bilden das Fundament fuer jede Fernerkundungsanalyse.
Wiederholung EMR und Strahlungsgesetze¶
Die Vorlesung beginnt mit einem Regenbogen-Foto auf Slide 2. Dazu sagt der Professor woertlich: "You should be able to explain me how such a rainbow works, or why we see what we see. Why are the colors the way, the order of the colors the way it is here." Diese Aussage ist ein klares Signal fuer Pruefungsrelevanz. Ein Regenbogen entsteht durch das Zusammenspiel von Brechung (Refraction), Reflexion und Dispersion in Wassertroepfchen. Weisses Sonnenlicht tritt in einen Tropfen ein, wird dabei gebrochen, an der Rueckseite reflektiert und beim Austritt erneut gebrochen. Weil kuerzere Wellenlaengen (Violett, Blau) staerker gebrochen werden als laengere (Rot), faechert sich das Licht raeumlich auf. Die Reihenfolge der Farben von aussen nach innen ist Rot, Orange, Gelb, Gruen, Blau, Violett - also vom Langen zum Kurzen, analog zum elektromagnetischen Spektrum. Rot erscheint bei etwa 42 Grad, Violett bei etwa 40 Grad. Dieses Phaenomen demonstriert ein zentrales Prinzip der Fernerkundung: Weisses Licht besteht aus verschiedenen Wellenlaengen, und Fernerkundungssensoren nutzen genau dieses Prinzip, indem sie mit verschiedenen Spektralbaendern (Bands/Channels) arbeiten, um Oberflaechen zu unterscheiden.
Auf Slide 3 wird die elektromagnetische Welle dreidimensional dargestellt. Man sieht das elektrische Feld (E) und das magnetische Feld (B), die senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung (Propagation Direction) schwingen. Die Wellenlaenge (Wavelength, Lambda) ist der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellenspitzen. In vielen Darstellungen wird die Welle vereinfacht zweidimensional gezeigt, aber in Wirklichkeit breitet sie sich dreidimensional aus. Der Professor erwaehnt in diesem Zusammenhang auch die Polarisation: Wenn man nur Wellen einer bestimmten Schwingungsrichtung misst - etwa nur die vertikalen blauen Wellen in der Darstellung - spricht man von Polarisation. Polarisationsfilter kennt man von der Fotografie, und bei der Radar-Fernerkundung spielt Polarisation eine wichtige Rolle, die spaeter im Semester behandelt wird.
Slide 4 wiederholt die beiden zentralen Strahlungsgesetze. Das Stefan-Boltzmann-Gesetz besagt: Je heisser ein Koerper, desto mehr Energie strahlt er ab. Die Formel lautet \(P = \varepsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot T^4\), wobei \(P\) die abgestrahlte Leistung (Power, in Watt), \(\varepsilon\) die Emissivitaet (dimensionslos, 0-1), \(\sigma\) die Stefan-Boltzmann-Konstante (\(5{,}67 \times 10^{-8}\) W m⁻² K⁻⁴), \(A\) die Oberflaeche (in m²) und \(T\) die Temperatur (in Kelvin) ist. Entscheidend ist die vierte Potenz der Temperatur: Die Sonne hat eine Oberflaechentemperatur von rund 6.000 K, die Erde nur etwa 290 K (17 Grad Celsius). Obwohl der Unterschied auf den ersten Blick nicht dramatisch klingt, ist der Energieunterschied enorm, weil die Temperatur mit der vierten Potenz eingeht. Der Professor betont das: "Even so, the difference doesn't sound so dramatic between 6,000 Kelvin ... compared to 290 Kelvin ... But looking at the energy budget, it is so much different because here, the temperature goes into this formula with a fourth power."
Das Wiensche Verschiebungsgesetz (Wien's Displacement Law) ergaenzt: Je heisser ein Koerper, desto kuerzer ist die Wellenlaenge seiner maximalen Strahlung. Fuer die Sonne (ca. 6.000 K) liegt das Maximum im sichtbaren Bereich bei etwa 0,5 Mikrometer - daher erscheint sie gelb-weiss. Fuer die Erde (ca. 290 K) liegt das Maximum im thermalen Infrarot (Thermal Infrared, TIR) bei etwa 9,5-10 Mikrometer - die Erde strahlt also hauptsaechlich Waerme ab. Beide Gesetze gelten streng genommen nur fuer Schwarze Koerper (Black Bodies), also theoretisch perfekte Strahler mit einer Emissivitaet von 1. Auf Slide 4 sieht man rechts unten das Diagramm mit drei Kurven fuer 2500 K, 3000 K und 3500 K: Je hoeher die Temperatur, desto hoeher die Kurve (mehr Energie, Stefan-Boltzmann) und desto weiter links das Maximum (kuerzere Wellenlaenge, Wien).
Atmosphaerische Streuung - Vertiefung¶
Wenn elektromagnetische Strahlung die Atmosphaere durchquert, passiert etwas mit ihr. Im Vakuum - also auf dem Weg von der Sonne zur aeusseren Atmosphaerengrenze - geschieht nichts. Aber sobald die Strahlung in die Erdatmosphaere eintritt, kann sie in ihrer Geschwindigkeit, Wellenlaenge, Intensitaet, spektralen Verteilung und Richtung beeinflusst werden. Diesen Prozess nennt man Streuung (Scattering).
Streuung beeinflusst die Strahlung, kann zu Fehlinterpretationen von Fernerkundungsdaten fuehren und kann durch atmosphaerische Korrektur (Atmospheric Correction) teilweise eliminiert werden. Der Professor erklaert: "If we know about the atmospheric conditions, we can kind of calculate out some of the effects, not all of them."
Ein wichtiger Unterschied: Streuung (Scattering) ist nicht dasselbe wie Reflexion (Reflection). Bei der Streuung ist die Richtung der abgelenkten Strahlung unvorhersagbar, bei der Reflexion ist sie vorhersagbar.
Es gibt drei Typen atmosphaerischer Streuung, und welcher Typ auftritt, haengt vom Verhaeltnis zwischen der Wellenlaenge der Strahlung und der Groesse der Partikel ab, auf die sie trifft.
Die Rayleigh-Streuung (Rayleigh Scattering) tritt auf, wenn die Partikel viel kleiner sind als die Wellenlaenge. Typische Verursacher sind Gasmolekuele in der Atmosphaere (Stickstoff, Sauerstoff). Der zentrale Effekt: Kuerzere Wellenlaengen (Blau) werden staerker gestreut als laengere (Rot). Die Rayleigh-Streuung erklaert, warum der Himmel blau ist: Blaues Licht wird in alle Richtungen gestreut und erreicht unser Auge aus allen Himmelsrichtungen. Sie erklaert auch den Haze-Effekt in Fernerkundungsbildern - einen blaeulichen Schleier, der die Bildqualitaet beeintraechtigt. Der Professor sagt dazu: "I could ask you in an exam about why is the sky blue."
Die Mie-Streuung (Mie Scattering) tritt auf, wenn die Partikel ungefaehr gleich gross sind wie die Wellenlaenge. Typische Verursacher sind Wasserdampf, Rauch und Staubpartikel in der unteren Atmosphaere. Die Mie-Streuung betrifft vor allem die untere Atmosphaere und ist weniger wellenlaengenabhaengig als die Rayleigh-Streuung.
Die nichtselektive Streuung (Nonselective Scattering) tritt auf, wenn die Partikel deutlich groesser sind als die Wellenlaenge. Typische Verursacher sind Wassertroepfchen in Wolken. Der Name sagt es: Diese Streuung ist nichtselektiv, sie streut alle Wellenlaengen gleichmaessig. Genau deshalb erscheinen Wolken weiss - alle Farben werden gleichmaessig gestreut und mischen sich zu Weiss.
Slide 8 zeigt ein eindrucksvolles Sonnenuntergangsfoto und fragt: Welcher Streuungstyp ist dafuer verantwortlich? Die Antwort ist Rayleigh-Streuung. Bei Sonnenuntergang steht die Sonne tief am Horizont, und das Sonnenlicht muss einen viel laengeren Weg durch die Atmosphaere zuruecklegen als am Mittag. Auf diesem langen Weg werden die kurzen blauen Wellenlaengen fast vollstaendig herausgestreut, und es kommt nur noch das laengerwellige rote Licht direkt beim Beobachter an. Der Professor erklaert: "The distance, obviously, is longer. And so the likelihood that a wave hits a molecule is higher." Fuer die Fernerkundung bedeutet das: Streuung verfaelscht die gemessenen Werte und muss durch atmosphaerische Korrektur eliminiert werden.
Auf Slide 9 wird das Prinzip nochmals veranschaulicht: Links die Sonne, die weisses Licht ausstrahlt. Gasmolekuele und Staub streuen und reflektieren dieses Licht. Blaues Licht wird in alle Richtungen gestreut, daher erscheint der Himmel blau. Das Licht direkt von der Sonne in der Naehe des Horizonts erscheint rot, weil der blaue Anteil bereits herausgestreut wurde.
Slide 10 zeigt eine Simulation der Himmelsfarbe durch Streuung - ein kugelfoermiges Modell, das demonstriert, wie die Atmosphaere durch Rayleigh-Streuung den Himmel in verschiedenen Blau- und Weisstoenen erscheinen laesst. In der Mitte, wo die Sonne stehen wuerde, erscheint es heller und weisslicher.
Wechselwirkungen an der Erdoberflaeche: Reflexion, Absorption, Transmission¶
Nachdem die Strahlung die Atmosphaere durchquert hat, trifft sie auf die Erdoberflaeche. Dort passieren drei Dinge gleichzeitig: Reflexion (Reflection), Absorption (Absorption) und Transmission (Transmission).
Slide 11 zeigt das Grundprinzip anhand eines Gewaessers: Einfallende Energie (Incident Energy) trifft auf die Oberflaeche. Ein Teil wird reflektiert (Reflected Energy) - das ist der Teil, den ein Fernerkundungssensor misst. Ein Teil wird absorbiert (Absorbed Energy) - er wird in andere Energieformen umgewandelt, typischerweise in Waerme. Und ein Teil wird transmittiert (Transmitted Energy) - er geht durch das Material hindurch, wie bei Wasser, das fuer kurzwelliges Licht teilweise durchlaessig ist.
Slide 12 zeigt den gesamten Strahlungsweg vom EMR-Quelle (typischerweise die Sonne) bis zum Sensor. Man sieht: Auf dem Weg nach unten wird Strahlung in der Atmosphaere gestreut, von Wolken absorbiert, und nur ein Teil erreicht die Erdoberflaeche. Dort wird er je nach Oberflaeche reflektiert, absorbiert oder transmittiert. Die reflektierte Strahlung muss dann nochmals durch die Atmosphaere zum Sensor, wobei erneut Streuung und Absorption auftreten. Rechts sieht man auch die Emission: Die Erde selbst strahlt aufgrund ihrer Temperatur Energie ab (thermale Emission).
Die zentrale Formel dieser Vorlesung lautet: \(T + R + A = 1\) (Transmittance + Reflectance + Absorbance = 1). Dies ist ein Energieerhaltungssatz: Die gesamte einfallende Energie muss entweder transmittiert, reflektiert oder absorbiert werden - nichts geht verloren, nichts kommt dazu.
Fuer die meisten Objekte auf der Erdoberflaeche gilt eine wichtige Vereinfachung. Die meisten natuerlichen Materialien (Boden, Gestein, Vegetation) sind radioluzent - sie lassen keine Strahlung durch, die Transmission ist praktisch null (\(T \approx 0\)). Damit vereinfacht sich die Formel zu \(A + R = 1\). Was nicht reflektiert wird, wird absorbiert - und umgekehrt. Das ist die absolute Grundlage der Fernerkundung: Wir messen die Reflexion R und koennen daraus Rueckschluesse auf die Oberflaecheneigenschaften ziehen.
Die Strahlung, die ein Objekt aufgrund seiner Oberflaechentemperatur abgibt, wird als Emissivitaet (Emissivity, E) bezeichnet. Die Emissivitaet beschreibt das Verhaeltnis zwischen der tatsaechlichen thermalen Emission eines Objekts und der Emission eines theoretisch perfekten Strahlers - eines Schwarzen Koerpers (Black Body) - bei gleicher Temperatur. Ein Schwarzer Koerper absorbiert alle einfallende Strahlung und wandelt sie 1:1 in Waermestrahlung um. Seine Emissivitaet betraegt daher \(E = 1\). Auf der Slide sieht man rechts ein Waermebild eines menschlichen Koerpers - verschiedene Koerperteile haben unterschiedliche Temperaturen und damit unterschiedliche Emissionsintensitaeten.
Hier kommt ein pruefungsrelevantes physikalisches Gesetz: Das Kirchhoffsche Gesetz (Kirchhoff's Law) besagt, dass die Emissivitaet eines Objekts gleich seinem Absorptionsgrad ist: \(E = A\). Ein Objekt, das viel Strahlung absorbiert, ist also auch ein guter Strahler - und umgekehrt. Dieses Gesetz gilt fuer alle Wellenlaengen. Slide 14 illustriert das mit einer Darstellung der Erde: Einfallendes Sonnenlicht wird teilweise reflektiert, teilweise absorbiert. Das absorbierte Sonnenlicht heizt die Oberflaeche auf, und der Planet emittiert thermale Strahlung in alle Richtungen.
Der Professor macht das Kirchhoffsche Gesetz an einem alltagsnahen Beispiel greifbar: zwei Bratpfannen. Links eine polierte Edelstahlpfanne (helle, reflektierende Oberflaeche), rechts eine schwarze Gusseisenpfanne (dunkle, matte Oberflaeche). Die Edelstahlpfanne hat eine niedrige Emissivitaet - sie nimmt wenig Waerme auf und gibt wenig ab. Die Gusseisenpfanne hat eine hohe Emissivitaet - sie absorbiert viel Waerme, speichert sie und gibt sie langsam wieder ab. Wie der Professor es beschreibt: "The aluminum part will basically take on very little heat ... Whereas with this heavy dark iron pan, it will take a while ... it absorbs a lot of heat. And even if you turn down the electricity of the oven, it will still keep hot because it is releasing energy."
Slide 16 zeigt eine Tabelle mit Emissivitaetswerten verschiedener Oberflaechen, gemessen im Labor fuer Wellenlaengen von 8-14 Mikrometer (thermales Infrarot). Poliertes Aluminium hat mit 0,06 den niedrigsten Wert - es reflektiert fast alles und emittiert fast nichts. Am anderen Ende: Schnee (0,99), Eis (0,98), Wasser (0,973-0,979), Boden (0,96-0,98). Die meisten natuerlichen Oberflaechen haben eine hohe Emissivitaet (ueber 0,9). Nur Metalle und stark reflektierende Oberflaechen haben niedrige Werte. Der Professor erwaehnt den Alltagsbezug: "If you go to a beach and you have dark sand ... they heat up enormously, they store the heat, and sometimes you cannot go barefoot on this sand."
Spektrales Verhalten von Pflanzen: Chlorophyll, Phaenologie, Red Edge¶
Das spektrale Verhalten von Vegetation ist eines der zentralen Themen der Fernerkundung. Slide 17 zeigt das Reflexionsverhalten verschiedener Oberflaechen ueber das elektromagnetische Spektrum hinweg. Die Bereiche sind am unteren Rand beschriftet: VIS (Visible, sichtbar), NIR (Near Infrared, Nahes Infrarot), SWIR (Short Wave Infrared, Kurzwelliges Infrarot) und TIR (Thermal Infrared, Thermales Infrarot). Die rosa hinterlegten Bereiche markieren die atmosphaerischen Fenster (Atmospheric Windows), in denen Fernerkundung moeglich ist.
Man sieht vier charakteristische Kurven: Schnee (blau, dicke Linie) reflektiert im sichtbaren Bereich sehr stark (fast 100%) und faellt dann im NIR steil ab. Der Professor erklaert: "If you are in mountain areas and there's fresh snow, and it's a sunny day, you almost get blind because the snow is reflecting." Gestein (braun) reflektiert maessig und relativ gleichmaessig ueber einen weiten Bereich. Vegetation (gruen) zeigt das charakteristischste Muster: niedrige Reflexion im Blauen und Roten (Absorption durch Chlorophyll), ein kleiner Peak im Gruenen, dann ein dramatischer Anstieg im NIR. Wasser (blau, gepunktet) reflektiert nur wenig im Blauen und fast gar nichts im NIR.
Warum ist das spektrale Verhalten von Pflanzen so spezifisch? Slide 18 zeigt den inneren Aufbau eines Blattes. Man sieht die Kutikula (Cuticle) als aeusserste Schutzschicht, darunter die Epidermis, dann das Palisadengewebe (Palisade Mesophyll) und das Schwammgewebe (Spongy Mesophyll). Durch die Stomata (Spalteoeffnungen) an der Unterseite findet der Gasaustausch statt: Sauerstoff wird abgegeben, Kohlendioxid aufgenommen. Die innere Struktur des Blattes - insbesondere das Mesophyll - ist der Schluessel zum Verstaendnis des spektralen Verhaltens. Der Professor erinnert an Biologieunterricht: "You may remember epidermis, the outermost or thicker part, very robust part. And then there is some mesophyll, and there's basically two types."
Slide 19 zeigt das Zusammenspiel von Blattstruktur und Reflexion. Die Chloroplasten absorbieren rotes und blaues Licht fuer die Photosynthese und reflektieren gruenes und infrarotes Licht. Das ist der Grund, warum Pflanzen gruen erscheinen: Das Chlorophyll absorbiert die blauen (ca. 0,45 Mikrometer) und roten (ca. 0,65 Mikrometer) Wellenlaengen, aber das gruene Licht (ca. 0,55 Mikrometer) wird zurueckgeworfen. Im NIR-Bereich (0,7-1,3 Mikrometer) steigt die Reflexion dramatisch an, weil die Zellstruktur des Mesophylls - insbesondere die Luftraeume im Schwammgewebe - die Strahlung stark streut und reflektiert. Diesen sprunghaften Anstieg der Reflexion an der Grenze zwischen VIS und NIR bei etwa 680-750 nm nennt man den Red Edge. Position und Steilheit des Red Edge sind Indikatoren fuer die Pflanzengesundheit.
Rechts auf der Slide sieht man das Spektralprofil eines gesunden Blattes (gruene Kurve, oberes Diagramm) im Vergleich zu einem gestressten Blatt (untere Kurve). Ein gesundes Blatt reflektiert im NIR-Bereich etwa 40-50% der einfallenden Strahlung. Bei gestresster Vegetation - zum Beispiel unter Wasserstress - beginnen die Palisadenzellen zu schrumpfen, das Schwammgewebe verliert seine Struktur, und die NIR-Reflexion sinkt deutlich. Der Red Edge verschiebt sich und wird flacher. Der Professor erklaert: "If a plant already has, for instance, is under water stress or is almost dying, then the mesophyll will not be stable anymore. The palisades start to shrink, they start to not function anymore."
Die Phaenologie (Plant Phenology) - also die jahreszeitliche Entwicklung von Pflanzen - beeinflusst das spektrale Signal massiv. Slide 20 zeigt drei Luftbilder derselben Flaeche zu verschiedenen Jahreszeiten: Winter (links), eine Uebergangszeit (Mitte) und Sommer (rechts). Im Winter haben Laubbaeume kein Laub, daher sieht man Boden und Aeste - ein voellig anderes spektrales Signal. Im Sommer ist das Chlorophyll maximal und die NIR-Reflexion am hoechsten. Im Herbst nimmt der Chlorophyllgehalt ab, die Blaetter absorbieren weniger Rot, weshalb sie gelb, orange oder rot erscheinen. Diese saisonalen Veraenderungen sind fuer die Fernerkundung entscheidend, da der Aufnahmezeitpunkt die Interpretation massgeblich beeinflusst. Multitemporale Analyse - also der Vergleich von Aufnahmen verschiedener Zeitpunkte - ermoeglicht die Unterscheidung von Laubbaeumen (saisonal) und Nadelbaeumen (ganzjaehrig gruen).
Slides 21-23 zeigen ein konkretes Beispiel fuer phaenologische Veraenderungen: WorldView-2-Satellitenbilder der Salzach-Auen noerdlich von Salzburg zu drei verschiedenen Zeitpunkten. Es handelt sich um Falschfarbenbilder, bei denen das NIR-Band in Rot dargestellt wird - deshalb erscheint gesunde Vegetation in Rot- und Orangetoenen statt in Gruen. Auf Slide 21 (Juni 2012) sieht man kraeftiges Rot, was auf hohe NIR-Reflexion und damit gesunde, chlorophyllreiche Vegetation hinweist. Auf Slide 22 (Juli 2013) aendert sich das Muster leicht, und auf Slide 23 (September 2012) sind die Unterschiede deutlich: Die Vegetation zeigt dunklere, weniger intensive Farben, weil mit fortschreitender Jahreszeit der Chlorophyllgehalt abnimmt.
Slide 24 zeigt ein Albedo-Diagramm verschiedener Oberflaechen (Spectral Albedo of Different Surfaces). Man sieht die Kurven fuer Schnee, Laubwald (Deciduous Forest), Gras, trockenen Sand und trockenes Gras. Laubwald hat einen markanten Peak im NIR bei etwa 0,8-0,9 Mikrometer und faellt danach mit Absorptionsbanden bei etwa 1,4 und 1,9 Mikrometer ab - diese werden durch den Wassergehalt im Blatt verursacht. Trockenes Gras zeigt ein voellig anderes Verhalten: keinen NIR-Peak mehr, weil die Blattstruktur zerstoert ist. Ueber solche Reflexionswerte laesst sich die oberirdische Biomasse schaetzen und daraus der CO2-Gehalt in Pflanzen ableiten.
Slide 25 illustriert eine Anwendung: Man kann ueber spektrale Messungen sogar Bodenverschmutzung durch Kohlenwasserstoffe (Hydrocarbons, HC) indirekt erkennen. Bei steigender HC-Konzentration im Boden veraendert sich das Pflanzenwachstum und damit das spektrale Signal - die Absorption durch Pigmente und die Position des Red Edge verschieben sich. Von der Kontrolle (links, gesunde Pflanze) ueber 0,5 g und 5 g HC pro kg Boden (Pflanzen noch vital) bis zu 50 g HC pro kg (Pflanze stark geschaedigt, braun) zeigt sich ein klarer Trend.
Reflexionstypen: Spekulaer, Diffus, Lambert, Gemischt¶
Um zu verstehen, was ein Fernerkundungssensor misst, muss man die verschiedenen Typen der Reflexion verstehen. Slide 26 zeigt den Treibhauseffekt als Ueberleitung: Kurzwellige Sonnenstrahlung durchdringt die Glasscheiben eines Gewaechshauses, wird im Inneren absorbiert und als langwellige Waermestrahlung wieder abgegeben. Diese Waermestrahlung kann das Glas nicht wieder durchdringen und bleibt gefangen. Analog dazu funktioniert der atmosphaerische Treibhauseffekt: CO2 und andere Gase wirken wie das Glas und machen die Erde waermer, als sie ohne Atmosphaere waere. Der Professor nutzt dieses Beispiel, um auf die unterschiedlichen Wechselwirkungen verschiedener Wellenlaengen hinzuweisen.
Slide 27 zeigt das grosse Bild der Strahlungsbilanz: Einfallende Sonnenstrahlung (Incoming Solar Radiation) wird teilweise von Wolken reflektiert, teilweise von der Erdoberflaeche reflektiert, teilweise von Wolken und von der Oberflaeche absorbiert. Die absorbierte Energie wird als Infrarotstrahlung (Infrared Radiation) wieder emittiert. Wolken, Wasserdampf, CO2 und Staub absorbieren und emittieren ebenfalls. All diese Prozesse muessen bei der Fernerkundung beruecksichtigt werden.
Slide 28 ist die zentrale Uebersichtsslide zu den vier Reflexionstypen (Types of Reflection). Entscheidend ist die Rauigkeit der Oberflaeche im Verhaeltnis zur Wellenlaenge.
Bei der spekulaeren Reflexion (Specular Reflection) ist die Oberflaeche glatt - das Oberflaechenprofil ist deutlich kleiner als die Wellenlaenge. Der Einfallswinkel (Angle of Incidence) ist gleich dem Ausfallswinkel (Angle of Exitance). Das klassische Beispiel ist eine ruhige Wasseroberflaeche.
Slide 29 zeigt ein beeindruckendes Foto dazu: ein Bergsee, in dem sich die umliegenden Berge perfekt spiegeln. Der Professor beschreibt es: "Probably all of you know this effect that sometimes you can see a mountain and it's mirrored in the water. We kind of think that there's almost two mountains because this is an almost perfectly smooth water surface."
Bei der diffusen Reflexion (Diffuse Reflection) ist die Oberflaeche rau. Die reflektierten Strahlen gehen in viele Richtungen, abhaengig von der Orientierung der kleineren Oberflaechenelemente. Es entsteht keine Spiegelung, sondern diffuse Strahlung (Diffused Radiation). Typische Beispiele sind weisses Papier und Puder.
Die perfekt diffuse Reflexion (Perfectly Diffuse Reflectance) - auch Lambertsche Reflexion (Lambert Scatter) genannt - ist ein theoretisches Ideal. Bei einer sehr rauen Oberflaeche ist der Strahlungsfluss in alle Richtungen konstant. Als praxisnahes Beispiel dient ein dichter Baumbestand von oben betrachtet. Der Professor erklaert: "Forests are very rough surfaces. Part - there will be holes in the canopy. Some of the radiation will reach the ground. Some will be reflected right on the top of the canopy."
In der Natur ist die gemischte Reflexion (Mixed Reflectance) der haeufigste Fall - eine Kombination aus spekulaerer und diffuser Reflexion. Slide 32 stellt die drei Typen nebeneinander: Spekulaere Reflexion (links, eine Hauptrichtung), diffuse Reflexion (Mitte, viele Richtungen), gemischte Reflexion (rechts, eine Hauptrichtung plus Streuung). Die meisten natuerlichen Oberflaechen - Boden, Vegetation, Wasser mit leichtem Wellengang - zeigen gemischte Reflexion.
Spektrales Verhalten von Wasser und Algenblueten¶
Slide 33 fasst das Reflexionsverhalten von Blaettern zusammen und leitet zum Wasser ueber. Bei einem gruenen Baum im Sommer absorbiert das Chlorophyll Rot (R) und Blau (B), reflektiert Gruen (G) und Infrarot (IR). Im Herbst, wenn das Chlorophyll abnimmt, wird mehr Rot reflektiert, die Blaetter erscheinen gelb (Gelb ist eine Mischung aus Rot und Gruen) oder rot.
Slide 34 zeigt das spektrale Verhalten von Wasser. Laengerwelliges sichtbares und nahes Infrarot wird von Wasser staerker absorbiert als kuerzere Wellenlaengen. Deshalb erscheint Wasser typischerweise blau bis blaugruen - die kuerzeren blauen Wellenlaengen werden am staerksten reflektiert. Im Roten und vor allem im NIR-Bereich gibt es fast keine Reflexion mehr. Wasser erscheint in NIR-Bildern daher sehr dunkel bis schwarz. Der Professor betont: "In the near infrared, there is almost no reflectance. So that means near infrared radiation penetrates the water body typically."
Wenn Sediment (Schwebstoffe) im Wasser vorhanden ist (auf der Slide mit "S" gekennzeichnet), erhoecht sich die Reflexion insgesamt, besonders im sichtbaren Bereich - das Wasser erscheint heller und braeulich. Wenn Algen (Chlorophyll) im Wasser vorhanden sind, absorbiert das Chlorophyll mehr Blau und reflektiert mehr Gruen - das Wasser erscheint gruenlich.
Slide 35 zeigt ein beeindruckendes Landsat-Satellitenbild einer Algenbluete (Algal Bloom) in einem Kuestengebiet. Man sieht deutlich die gruenlichen Strukturen im Wasser, verursacht durch hohe Chlorophyll-Konzentrationen. Oft stammen die Naehrstoffe von Flussmundungen, die Chlorophyll und Sediment ins Meer tragen. Der Professor erklaert: "Close to where this inland water flows into the ocean, bringing in a lot of chlorophyll, we can measure a high content of chlorophyll and we can then also see how it is later distributed in the water."
Slide 36 zeigt die Quantifizierung von schaedlichen Algenblueten (Harmful Algal Blooms, HABs). Links ein Echtfarben-Satellitenbild mit deutlich sichtbarer Gruenfaerbung des Gewaessers, rechts eine Chlorophyll-a-Karte (Chl-a Estimate), bei der die Chlorophyll-Konzentration farbkodiert dargestellt wird. Durch digitale Bildverarbeitung laesst sich der Algengehalt quantifizieren - ein praktisches Beispiel fuer die Anwendung der spektralen Prinzipien in der Fernerkundung.
Absorption und atmosphaerische Fenster¶
Slide 37 leitet den letzten grossen Block ein: Um solche Bilder verarbeiten zu koennen, muessen wir die Prinzipien der EMR und der Strahlungsprozesse verstehen.
Slide 38 fasst die Faktoren zusammen, von denen die spektrale Reflexion (Spectral Reflection) abhaengt: der Typ der Oberflaeche, die Wellenlaenge, der Zustand der Oberflaeche, der Standort (lokal und global) und der Zeitpunkt der Aufnahme.
Absorption ist der Prozess, bei dem Sonnenlicht von einem Material aufgenommen und in andere Energieformen umgewandelt wird, typischerweise Waerme. In manchen Wellenlaengenbereichen - etwa im sichtbaren Licht (0,4-0,7 Mikrometer) - kann ein Grossteil der Energie die Atmosphaere passieren (Transmission statt Absorption). Diese Bereiche nennt man atmosphaerische Fenster (Atmospheric Windows). UV-Licht wird hauptsaechlich durch Absorption beeinflusst (nicht durch Streuung) - die Ozonschicht absorbiert den groessten Teil der UV-Strahlung.
Slide 40 ist die zentrale Slide zu den atmosphaerischen Fenstern. Oben sieht man die Absorptionsbanden der einzelnen atmosphaerischen Gase: Distickstoffmonoxid (N2O), Sauerstoff und Ozon (O2 und O3), Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Jedes Gas absorbiert in bestimmten Wellenlaengenbereichen.
Darunter das zusammengefasste Absorptionsdiagramm mit den atmosphaerischen Fenstern (hellblaue Pfeile) und den Bereichen, in denen die Atmosphaere "dichtmacht" (rote Pfeile, "Atmosphere closes down"). Die schwarzen Bereiche sind fuer die Fernerkundung unbrauchbar - dort kommt keine Strahlung durch.
Unten sieht man das Sonnenspektrum: Die obere Kurve zeigt die Solarstrahlung am oberen Rand der Atmosphaere (Top of Atmosphere, TOA), die untere Kurve die Strahlung, die tatsaechlich auf Meeresniveau ankommt. Der Unterschied sind die Absorptionsbanden - deutlich sichtbar als Einbrueche, verursacht durch O3, H2O, O2, CO2 und deren Kombinationen.
Die wichtigsten atmosphaerischen Fenster sind: das sichtbare Licht (0,4-0,7 Mikrometer) als Hauptfenster fuer optische Fernerkundung, das NIR-Fenster (ca. 0,7-1,3 Mikrometer), die SWIR-Fenster (ca. 1,5-1,8 Mikrometer und ca. 2,0-2,4 Mikrometer), das thermale Fenster (ca. 8-14 Mikrometer) und das Mikrowellenfenster (ab 1 mm) - fast vollstaendig transparent, weshalb Radar-Fernerkundung durch Wolken hindurch funktioniert.
Der Professor betont: "You should remember the atmospheric windows." Wo die Atmosphaere absorbiert - also die schwarzen Bereiche in den Spektraldiagrammen - ist Fernerkundung nicht moeglich. Das Design von Fernerkundungssensoren orientiert sich daher direkt an den atmosphaerischen Fenstern: Die Spektralbaender der Sensoren werden so gewaehlt, dass sie in den transparenten Bereichen liegen.
Fuer die Fernerkundung ergibt sich aus all dem eine klare Hierarchie: Tagsueber messen passive Sensoren hauptsaechlich reflektierte Sonnenstrahlung (VIS, NIR). Nachts ist nur emittierte Strahlung messbar (TIR). Aktive Sensoren (Radar, LiDAR) funktionieren tag- und nachtunabhaengig und koennen zudem Wolken durchdringen.