Digitale Fernerkundung
5 Literatur
Version 1.5, 2007
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1.1 Historischer Hintergrund

Prähistorische Vorzeit
Die Methodik der Fernerkundung (i.w.S.) ist eine bereits zu prähistorischen Zeiten genutzte Vorgehensweise der Menschen um schnell raumbezogen Informationen zu gewinnen. Man muß davon ausgehen, daß bereits frühe Hominiden sich freistehende Bäume in den Savannen Afrikas suchten, um aus der Höhe in die Ferne zu blicken (Abb. 1.1.1) und so den Horizont nach möglicher Beute oder drohenden Gefahren abzusuchen (Leakey, 1985). Der grundlegende Vorteil dieses Verfahrens liegt in der zeitlichen Effiziens bzgl. des Rauminformationsgewinnes, den eine horizontal ebene, erdbodennahe Erkundung nicht erbringt. Dieses Grundmuster hat sich in der Menscheitsgeschichte bis zum heutigen Tage erhalten (z.B. Wach- und Aussichtstürme, Ferngläser, Teleskope, Erdbeobachtungs- sowie Spionagesatelliten, Dronen/UAS etc.).

hominiden Abb. 1.1.1: Gruppe von Australopitheciden auf einer Anhöhe in Zentralafrika vor ca 2.8 Ma (Nat. Geogr. Mag., Vol.11, 1985)

Zeitalter der Industrialisierung oben
Mit Beginn der Luftfahrt im ausgehenden 19. Jahrhundert (welche unabhängig, aber etwa zeitgleich zur Entwicklung der Photographie erfolgte) fand die analoge Geofernerkundungsmethodik ihren Ursprung. Die Beobachtung der Erdoberfläche aus der Luft hat bereits die Ballonfahrer fasziniert (Blachut, 1988). Erste spektakuläre photographische Bilder aus dem Ballon gelangen G. Tournachon 1858 (alias NADAR) über Paris. In den folgenden Jahren versuchte man die weitere Luftbilder mittels Brieftauben, Raketen, Drachen oder kleinen Fesselballons aufzunehmen (Albertz, 1991). Erst mit der Entwicklung der Flugzeugtechnik Anfang des 20. Jahrhunderts wurden verstärkt photographische Schrägaufnahmen der Erdoberfläche gewonnen (Abb. 1.1.2). Hierbei handelte es sich meist um Einzelaufnahmen, die in keinem systematischen Schema untergebracht waren und nur wenig wissenschaftlich ausgewertet wurden.

Abb. 1.1.2: Erste Anfänge der professionalisierten Luftbildfotographie in der Luftfahrt etwa um 1920 (Hansa Luftbild, 2003)

Moderne Erkundung oben
Im Verlaufe des 1. Weltkrieges (1914-18) wurde aus militärischen Gründen die kontinuierliche photographische Reihenaufnahme aus der Luft von strategisch wichtigen Geländabschnitten von allen Kriegsparteien vorangetrieben. Nach Kriegsende flossen die gesammelten Erfahrungen in das auflebende zivile Luftbildwesen ein, welches ab ca. 1920 für forstliche, archäologisches und allgemeine kartographisch-geographische Zwecke neu konzipiert wurde (z.B. Landesaufnahmen, Expeditionsvorbereitung, Erkundung, Kartographie der Kolonien, etc.). Der wissenschaftliche Nutzen der Luftbildtechnik wurde in Deutschland erstmals systematisch durch Troll (1939) untersucht.

Während des 2. Weltkrieges (1939-45) dominierten wieder militärischen Fragestellungen das Luftbildwesen (Abb. 1.1.3). Wichtige taktische Operationen konnten ohne Aufklärungsflüge und dem Einsatz von Reihenmeßkameras nicht mehr vorbereitet oder nachträglich auf Erfolg überprüft werden. Es wurde so erstmals die Herstellung von Luftbildplanwerken umgesetzt, die eine systematische Fernerkundung ermöglichten und noch heute in Form von Befliegungsplänen realisiert werden. Zugleich wurden erste Routineeinsätze mit Farbfilmen für die Luftbildaufnahme durchgeführt, wobei z.T. bereits Infrarot-Filme erprobt wurden.

Abb. 1.1.3: Münster-NE, aufgenommen 1943 durch britische Aufklärer nach einem Bomben-
angriff der Royal Air Force (Imperial War Museum, London)

Digitales Zeitalter oben
Nach Ende des Krieges trieben besonders US-amerikanische Institutionen die zivile Fernerkundung (engl.: remote sensing) technisch voran, so daß die Luftbildinterpretation zur ersten eigenständigen Disziplin der Geofernerkundung wurde. Colwell (1963) forcierte besonders die Verwendung von Farbinfrarotfilmen für die vegetationskundliche Forschung. Der Einsatz derartig neuer Techniken erwies sich auch für die anderen Geodisziplinen vorteilhaft (Bodenkunde, Geologie, Geomorphologie, Kartographie etc.). Mit fortschreitender technischer Entwicklung fanden Ende der sechziger Jahren neue, elektronische Abtast-Systeme (engl.: scanner) oder Radar-Systeme (z.B. SAR) zunehmend in der Geofernerkundung Anwendung. Knapp 10 Jahre später wurden experimentell Computer zur einfachen Bildanalyse eingesetzt. Analoge Bilder mußten für diesen Prozess somit erstmalig digitalisiert werden. Die traditionelle analoge Luftbildinterpretation war nur noch eine Teildisziplin der zunehmend digitaler werdenden Geofernerkundungsmethodik (Abb. 1.1.4). Heute wird ein Grossteil der Standard-Luftaufnahmen durch digitale Reihenmesskameras (RMK) gewonnen (vgl. Kap. 2.2).

Abb. 1.1.4: Münster-SW, aufgenommen ca. 1990 mit der analogen russischen KVA 1000 Spionage-Kamera, nachträglich auf 3m Auflösung

Eine völlig neue Dimension der Erderkundung wurde 1965 mit den ersten Weltraumflügen (Gemini-/Apollo-Flüge) und folgenden Satellitensystemen erschlossen. Die Geowissenschaften konnten deutlich mehr Gewinn aus den gewonnenen kleinmaßstäblichen Aufnahmen aus dem Orbit ziehen als erwartet. Man sprach daher von einer 'dritten Entdeckung der Erde aus dem All' (Bodechtel & Gierloff-Emden, 1974). Mit dem Start des ersten amerikanischen ERTS-1 Erdbeobachtungssatelliten 1972 (später dann zu LANDSAT umbenannt) wurden systematisch gewonnene digitale und multispektrale Aufnahmen der Erdoberfläche verfügbar bzw. untersucht (Albertz, 1991). Seitdem folgten eine Vielzahl unterschiedlichster Spezialsatelliten, welche z.T. auch in technischen Generationsabfolgen geplant wurden (z.B. LANDSAT-1 bis 8, oder ERS-1 bis 3, SPOT-1 bis SPOT-5, ASTER, IRS-1 bis 3, Quickbird, RapidEye, WorldView, Hyperion etc.).

Mit dem Einsatz von Satelliten (Abb. 1.1.5) wurde parallel auch die Kommunikationstechnik revolutioniert, welche es uns erlaubt, die vom Satelliten gewonnen Daten rasch nahezu überall auswerten zu können. Heute werden fast monatlich neue Satelliten in ihre Umlaufbahnen gebracht, von denen man sich Aufschlüsse über komplexe Umweltpobleme erhofft - mit zunehmenden Globalisierung der Rahmenfaktoren ist dieser Ansatz unverzichtbar.

Abb. 1.1.5: Moderner Erderkundungssatellit im irdischen Orbit (ESA, 2002)

Parallel zu dieser Entwicklung fanden auch moderne, digitale Aufnahmeverfahren in der Flugzeug-gestützten Geofernerkundung Einzug. Aufgrund der variablen Flughöhen werden so unterschiedliche geometrische bzw. radiometrische Auflösungen erreicht. Individuelle Aufnahmen reichen vom sichtbaren Spektrum (VIS) über das Infrarot (IR), die Thermalstrahlung (Thermal IR), der hyperspektralen Bandbreite bis in den Mikrowellenbereich (SAR) bei einer räumlichen Auflösung von einigen Zentimetern bis Metern (Abb. 1.1.6). Für eine kleinräumige Erfassung von Geo-Objekten und hohe Flexibiltätsansprüche kommen seit etwa 2008 zunehmend Unmanned Aerial Vehicles (UAV) mit modifizierten digitalen Kleinbildkameras zum Einsatz (Abb. 1.1.6b).

Abb. 1.1.6: LANDSAT TM 5 IR-Aufnahme von NE-Münster mit ca. 30m Auflösung (oben) und QUICKBIRD NIR-Aufnahme mit 72cm Auflösung (eurimage, 2003)

Abb. 1.1.6b: NIR-Aufnahme von einer UAV-Drone (MD-200) mittels modifizierter Lumix LX3 (IFGIcopter, 2011)

UAV_NIR image

 

Bildverarbeitung oben
Auch die Methoden zur Nutzung dieses ungeheuer vielfältigen Informationsmaterials (analoge/digitale Daten) haben sich rasant entwickelt. Über die Techniken der digitalen Bildverarbeitung lassen sich spezifische Bildinhalte aus dem Datensatz mittels leistungsfähiger Computer extrahieren. Das vollautomatisierte Auswerteverfahren wird es trotz Fortschritte in der Klassifiaktionstechnik (z.B. objektorientiertes, multivariables Verfahren) zukünftig jedoch kaum geben - die visuelle Bildinterpretation/Erfahrung der Interpreten bleibt somit immer Grundlage einer jeden geowissenschaftlichen Bildanalyse!

Momentan werden zivile Geofernerkundungsdaten (Luft-/Satellitenbilder) insbesondere in der Raumplanung, dem Umweltschutz, der Versorgungswirtschaft, der Lagerstättenexploration, der Kartographie, des Katastrophenmanagement, der Raum-Überwachung (engl.: monitoring) u.ä. als fester Bestandteil von Raumanalysen eingesetzt. Die Daten sind meist gegen ein mehr oder minder hohes Entgeld bei den Vertriebinstitutionen für Jedermann erhältlich. Weiterhin besteht die Möglichkeit FE-Daten (neben anderen Geobasisdaten) auch als temporäre Web-Mapping-Services (WMS-Dienste) kostenfrei abzurufen. Nach der Integration der Daten (vergleiche auch u.a. das Geoportal StudMap14 des FB 14!) ist der logischer Anknüpfungspunkt für die weitere Nutzung ein Geoinformationssystem (GIS) oder auch webbasiertes Geodatenportal, welches eine kausale Verknüpfung von Fernerkundungsdaten mit anderen Geo-Sachdaten erlaubt (Abb. 1.1.7).

Abb. 1.1.7: Verknüpfung von hochauflösenden Orthophotos (z.B. WMS für DOP 20 NRW) mit anderen Geodaten (Kataster und Gebäudeklassen) am Standort GEO I Gebäude/WWU in Münster (StudMap 14, ZDM 2016)

Der Interpretation von Luft- und Satellitenbildern (-daten) wird in Zukunft im Rahmen einer laufenden Aktualisierung und Bewertung eines Geodatenbestandes und seiner Aussagefähigkeit bzgl. einer geowissenschaftlichen Fragestellung wesentliche Bedeutung zuwachsen! Auch finden Fernerkundungsdaten im web-basierten privaten oder kommerziellen Sektoren starke Beachtung (z.B. Google Earth).

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