Lexikon der Fernerkundung

Kryosphäre und Fernerkundung

Gegenstand der Fernerkundung der Kryosphäre ist die Erfassung der Schnee- und Eisbedeckung von Land- und Wasserflächen hinsichtlich Flächengröße, Mächtigkeit, Eisbewegung, Massenbilanz, Wasseräquivalenz und deren zeitlichen und räumlichen Veränderungen mit Hilfe von flugzeug- oder satellitengestützten Fernerkundungsmethoden.

Noch immer gilt das Monitoring der Kryosphäre als unzureichend, auch wenn seit einigen Jahren die Satellitenfernerkundung einen Quantensprung bewirkt hat. Künftig sollen bisherige und neue Meereisparameter für einen längeren Zeitraum aus Satellitendaten zur Verbesserung von Vorhersage- und Klimamodellen bereitgestellt werden.

Die erste Version des europäischen Satelliten Cryosat für die Beobachtung der Kryosphäre wurde 2005 aufgrund eines Raketenversagens (Rockot) beim Start zerstört. Ein zweites Exemplar wurde 2010 gestartet. Der amerikanische ICESat ist seit 2003 im Orbit und war bis 2009 in Betrieb.

Digitale Terrainmodelle
Die digitale Analyse luftgestützter Stereodaten aus herkömmlichen Luftbildern oder Zeilensensoren erlaubt die automatische Generierung von digitalen Terrainmodellen (DTM, DGM) und die simultane Orthoprojektion der ursprünglichen Bilddaten. So erstellte DTM haben eine vertikale Genauigkeit im Bereich einiger Dezimeter bis Meter. Die hochgradige Automatisierung vieler Verarbeitungsschritte ermöglicht die Bearbeitung großer Geländeausschnitte. Die erhaltenen orthoprojizierten Bilddaten können zu multispektralen Klassifikationen herangezogen werden, aber auch der hochauflösenden, flächenhaften Messung des Gletscherfließens dienen.

Ganz neue Möglichkeiten zur Akquisition von DTM-Daten eröffnet das Laserscanning. Die resultierenden DTM haben eine horizontale Auflösung von wenigen Metern und eine vertikale Genauigkeit von wenigen Dezimetern.

Ähnlich wie bei den oben genannten passiven optischen Flugzeugsensoren kann heute Dank globaler Positionierungssysteme (GPS) und inertialer Navigationssysteme (INS) an Bord der Flugweg und die Sensororientierung direkt bestimmt werden. So wird die notwendige Bodeninformation zur Rekonstruktion der geometrischen Aufnahmeparameter (Passpunkte) auf ein Minimum reduziert. In der Gletscherbeobachtung von besonderer Bedeutung ist die Eigenschaft des Laserscanning, als aktiver Sensor auch (oder sogar besonders gut) über verschneitem Gelände zu funktionieren. Wegen fehlenden optischen Kontrasts sind solche Zonen die Problemfälle passiver optischer Verfahren. Laserscanning erlaubt so erstmals die wirklich flächendeckende Bestimmung von DTM über Gletschern bzw. entsprechender vertikaler Veränderungen. Die Intensitäten der Laserreflektionen ergeben ferner eine Bildinformation, die zwar in räumlicher und radiometrischer Auflösung nicht an Luftbilder oder Zeilensensoren herankommt, aber doch einen wertvollen Datensatz bei der Datenanalyse darstellen kann.

'Arbeitspferde' der weltraumgestützten Gletscherbeobachtung sind zweifellos die multispektralen Satellitensensoren wie zum Beispiel Landsat TM und ETM+, ASTER, IRS oder SPOT. Mit solchen Sensoren können große Gebiete mit einer Bodenauflösung von einigen Metern bis wenigen Dekametern regelmäßig beobachtet werden. Die multispektralen Daten ermöglichen eine weitgehende Automatisierung bei der Extraktion von Eis- und Schneeflächen. Stereosensoren wie ASTER erlauben sogar die simultane automatische Extraktion von DTM mit einer Auflösung und vertikalen Genauigkeit von einigen zehn Metern. Gerade bei der Analyse von hochalpinen glazialen Prozessen, die ja häufig von der Reliefenergie regiert werden, ist die Verfügbarkeit von DTM außerordentlich wichtig. Mit Sensoren wie denen von IKONOS und QuickBird, die räumliche Auflösungen im Meter- und Submeterbereich besitzen, verschwimmen die Unterschiede zwischen optischer luft- und weltraumgestützter Fernerkundung zunehmend.

Mit ähnlicher bis leicht besserer Genauigkeit als aus optischem Satellitenstereo werden großflächige DTM aus satelliten-gestütztem InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) erzeugt. Dabei werden bei räumlichen Auflösungen von einigen Metern vertikale Genauigkeiten von einigen Dezimetern erzielt. Dieses Mikrowellenverfahren ist besonders in Gebieten mit häufiger Wolkenbedeckung wegen seiner Fähigkeit zur Wolkendurchdringung den optischen Verfahren klar überlegen. Noch wenig erforscht ist die thematische Information, welche die reflektierten Mikrowellen über die Eis- und Schneeoberfläche enthalten. Aus elektromagnetischen Überlegungen heraus kann dabei aber zumindest langfristig von einem großen Potential ausgegangen werden.

Besonders hervorzuheben ist die Shuttle Radar Topography Mission (SRTM), die aufgrund einer Messkampagne im Februar 2000 für den Bereich zwischen 60° nördlicher und 54° südlicher Breite ein DTM mit 30 m Bodenauflösung und ca. 20 m horizontaler und vertikaler Genauigkeit geliefert hat.

Neben der DTM Akquisition erlaubt InSAR im differentiellen Modus (DInSAR) die Messung von kleinsten Geländeverschiebungen. Von einer Anzahl großer Gletscher (vor allem in höheren Breiten) konnten so Fließfelder oder zumindest typische Eisgeschwindigkeiten ermittelt werden. Dieses Verfahren ergänzt sich in vielerlei Hinsicht hervorragend mit der Bewegungsmessung aus wiederholten optischen Satellitenbildern mit Hilfe von image-matching-Verfahren.

Gebirgskryosphäre
Für die Überwachung der Gebirgskryosphäre sind Fernerkundungstechnologien in einer sich erwärmenden Welt unerlässlich. Satellitenmissionen und erdgebundene Messsysteme haben das Verständnis für die Prozesse, die die Dynamik von Gebirgsgletschern, die Schneedecke, die Entwicklung von Seen und die damit verbundene Entstehung von Gefahren (z. B. Lawinen, Überschwemmungen, Erdrutsche) beeinflussen, verändert. Sensoren und Geräte werden immer besser auf die Bedürfnisse der Kunden zugeschnitten, wobei die Innovation vom kommerziellen Sektor vorangetrieben wird, und Bilddatenbanken sind immer häufiger frei zugänglich, was zu einer Demokratisierung der Datenanalyse und -auswertung führt. Cloud Computing, künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen verändern unsere Fähigkeit, mit dieser exponentiellen Datenzunahme umzugehen, rapide.

Meereis
Auch die Meereisbedeckung spielt eine wichtige regulative Rolle im globalen Klimasystem. Unter anderem verändert sie die Oberflächenalbedo und den Wärmehaushalt der Ozeane, bestimmt den Salzgehalt und die Dichte des Oberflächenwassers und erschwert den Gasaustausch zwischen den Meeren und der Atmosphäre. Darüber hinaus ist das Meereis ein essenzieller Bestandteil des polaren Ökosystems und bietet Lebensraum für einen großen Teil der polar angepassten Flora und Fauna. Um die Rolle des Meereises im globalen Klimasystem zu charakterisieren und dessen dynamische Rückkopplungseffekte mit dem sich erwärmenden Weltklima besser zu verstehen, sind regelmäßige großflächige Messungen der Ausdehnung und Dicke des Meereises unabdingbar. Darüber hinaus sind Beobachtungen des Meereises auch zur Sicherung mariner Transportwege und zur Planung von Öl-Förderanalagen in polaren Regionen von praktischer Bedeutung.

Die kontinuierliche und regelmäßige Beobachtung des Meereises auf globaler Skala ist nur mit satellitengestützter Fernerkundung im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums möglich. Seit Anfang der 1970er Jahre erlauben derartige Satellitenmessungen die Bestimmung der Meereisfläche trotz Wolken und langer Polarnacht. Diese Daten gehen zusätzlich in die Bestimmung der Meereisdrift ein.

Im bisherigen Ergebnis wird in den letzten Jahren ein gravierender Rückgang der arktischen Meereisfläche um etwa 40% beobachtet, der einem starken Anstieg in der mittleren zentral-arktischen Lufttemperatur um fast 3 °C seit dem Ende der 1980er Jahre folgt. Messungen mittels satellitengestützter Altimetrie oder luftgestützter elektromagnetischer Induktion deuten auf eine starke Abnahme der Eisdicke hin, wenngleich die hohe Variabilität und die großen Ungenauigkeiten verlässliche Aussagen erschweren.

In Hinblick auf die bisherigen Beobachtungsgrößen Meereisausdehnung und Bedeckungsgrad (Konzentration) geht es hauptsächlich darum, bereits existierende Methoden zu verbessern und die Datensätze zu erweitern. Neue Verfahren sind erforderlich zur Bestimmung der Meereisdicke, der Oberflächeneigenschaften, des Deformationszustandes und der Schneeauflage. Diese Daten sollen Eingang finden in Meereisvorhersagemodelle und regionale und globale Klimamodelle. Im Einzelnen sollen folgende Untersuchungen durchgeführt werden:

Eine konventionelle Methode zur Bestimmung der Dicke des Packeises stammt noch aus der Zeit des Kalten Krieges. Amerikanische und sowjetische U-Boote unternahmen regelmäßig Patrouillenfahrten unter dem Eis des Nordpols. Um im Notfall schnell auftauchen zu können, wurde ständig die Eisdicke mithilfe des Sonars gemessen. Auf diese Weise wurde die Eisdicke des Nordpolarmeers im Lauf der Zeit kartiert und diese Daten werden mittlerweile auch den zivilen Wissenschaftlern zur Verfügung gestellt.

Die folgende Grafik stellt das arktische Meereisminimum im Jahr 2013 dar. Nach einem ungewöhnlich kühlen Sommer in den nördlichsten Breiten scheint das arktische Meereis seine jährliches Flächenminimum am 13. September 2013 erreicht zu haben. Die Analyse von Satellitendaten durch das National Snow and Ice Data Center (NSIDC) zeigte, dass das Meereis auf 5,10 Mio. km² zusammenschrumpfte. Die Fläche des Meereises ist in diesem Jahr wesentlich größer als beim letztjährigen Rekordminimum. Am 16. September 2012 hatte das arktische Meereis eine Ausdehnung von lediglich 3,41 Mio. km², was der geringste je von Satelliten beobachtete Wert war und nur etwa die Hälfte der durchschnittlichen Minimalwerte von 1891 - 2010 ausmachte.

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2013 Arctic Sea Ice Minimum

Obwohl 2013 weniger Meereis schmolz als 2012, ist der diesjährige Betrag der sechstgeringste unter den Satellitenaufzeichnungen. Dieses Jahr setzt einen langfristigen Abwärtstrend von ca. 12 % Verlust an arktischem Meereis pro Dekade seit den späten 1970ern fort. Diese Abnahme hatte sich seit 2007 beschleunigt.

Die Karte links zeigt die Ausdehnung des arktischen Meereises am 13. September 2013. ‚Ausdehnung‘ (engl. extent) bezeichnet die gesamte Fläche in der die Eiskonznetration mindestens 15 % beträgt. Die Karte wurde zusammengestellt aus Beobachtungsdaten des Sensors Advanced Microwave Scanning Radiometer 2 (AMSR-2) auf dem Satelliten Global Change Observation Mission 1st–Water (“Shizuku”), welcher von der Raumfahrtagentur Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) betrieben wird. Die gelbe Linie in der Karte zeigt die mittlere Meereisausdehnung in den Septembermonaten der Jahre 1981 bis 2010.

Quelle: NASA Earth Observatory

Inlandeis
Eine umfassende Beschreibung des Zustandes und der Veränderung der polaren Eisschilde kann nur mit starker Unterstützung moderner Fernerkundungsverfahren durchgeführt werden und bedarf der wiederholten Messung sowohl des Eisvolumens (Ausdehnung und Eisdicke) als auch der Eisbewegung. Heutzutage wird zur Lösung dieses komplexen Beobachtungsproblems eine Vielzahl von flugzeug- und satellitengetragenen Fernerkundungssystemen miteinander kombiniert. So wird Information über die Bewegung des Eises üblicherweise aus Wiederholaufnahmen bildgebender Fernerkundungssensoren abgeleitet, die entweder im optischen oder im Radarwellenlängenbereich operieren. Zur großflächigen Schätzung der Eisdicke wird häufig zunächst die Topographie des Untergrundes mit flugzeuggetragenen Bodenradaren abgetastet, um diese Information danach mit Altimetermessungen der Eisoberfläche zu kombinieren. Änderungen der Eisdicke und damit die Massenveränderungen eines Eisschildes können dann aus wiederholten Altimetriemessungen abgeleitet werden.

Alternativ werden großräumige Eismassenverluste auch aus Daten der GRACE-Mission extrahiert, welche die Veränderung des lokalen Schwerefelds über die Zeit beobachtet. Jüngste Verbesserungen in der Qualität, räumlichen Auflösung und Wiederholrate aller dieser Fernerkundungssysteme haben die Fähigkeit zur Identifizierung und Quantifizierung von Veränderungen der Eisschilde deutlich verbessert. Zusätzlich werden die kontinuierlich anwachsenden Beobachtungszeitserien dieser Fernerkundungssensoren zunehmend robustere Messungen dieser Veränderungen ermöglichen, und die aus Fernerkundungsdaten abgeleitete Information wird eine Reihe neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse zur Rolle der Eisschilde im Klimasystem ermöglichen. (Meyer 2017)

Die Radaraltimetrie ist derzeit die wichtigste Methode zur flächendeckenden Bilanzierung von Eismassen in Grönland und in weiten Bereichen der Antarktis (bis 82°S). Die verfügbaren Zeitreihen der Radaraltimetrie reichen von SEASAT (1978) über GEOSAT (1985-1989), ERS-1 (1991-1996) zu ERS-2 (1995-heute). Mit dem 2002 gestarteten Satelliten ENVISAT wurden die Messungen mit einer deutlich verbesserten Genauigkeit fortgesetzt. Schwerpunkte der Untersuchungen sind die Bestimmung der zeitlichen und räumlichen Variationen

Mit dem Start der ICESat-Mission (2003-2010) standen erstmalig ein Laseraltimeter zur Bestimmung der Oberflächenformen über Landeis zur Verfügung. Mit diesem Messverfahren können nunmehr auch kleinskalige Oberflächenformen in der Größenordnung von 100 m erfasst werden. In der Kombination mit konventionellen Radaraltimetern ergeben sich deutlich verbesserte Möglichkeiten zur Bestimmung von Eismassenbilanzänderungen der polaren Gebiete. Bis zum Start von ICESat-2-Mission wurde die Datenerfassung von amerikanischer Seite vorübergehend durch die Operation IceBridge (2009-2019) geleistet.

Die CryoSat-2-Mission (2010-2019) erschließt der Radaraltimetrie wesentlich breitere Anwendungsfelder. Mit dem interferometrischen Radaraltimeter wird die Erfassung kleiner Höhenunterschiede auf kurzen räumlichen Skalen ermöglicht. Damit rückt erstmalig die Detektion von Eismassenänderungen auch auf kurzen zeitlichen Skalen in den Bereich des Möglichen. Die Kombination von in-situ-Messungen (ground truth von Schnee- und Eisparametern) mit den Fernerkundungsdaten der Radaraltimetrie schafft die Voraussetzungen für eine detaillierte Analyse der Veränderungen.

Die flächendeckende Messung der Eisbewegung von Land- und Schelfeis erfolgt durch die Überlagerung hochauflösender Satellitenbilder. Die zur Zeit genaueste Methode ist die interferometrische Anwendung von abbildenden Radarsystemen (Synthetisches Apertur Radar - SAR). Die hohe Genauigkeit ermöglicht die Ableitung von horizontalen und vertikalen Bewegungskomponenten. Besonders Erfolg versprechend ist die Analyse von Daten der "Eis-Phase" des ERS-1 (1991/92, 1993/94), sowie der ERS-1/2 Tandem-Mission (1995-1999). Gegenwärtig wird die SAR Interferometrie hauptsächlich auf Auslassgletscher der Eisschilde angewendet.

In Kombination mit flugzeuggetragenen Eisdickenmessungen und Annahmen über das vertikale Geschwindigkeitsprofil wird so die Messung des Massenflusses über die Aufsetzlinie bestimmt. Die genaue Positionsbestimmung der Aufsetzlinie ist ebenfalls mittels SAR Interferometrie möglich. Migration der Aufsetzlinie, Abschmelzen und Anfrieren an der Schelfeisunterseite sowie die Dynamik des Kalbens an der Schelfeiskante sind weitere wichtige Größen in der Massenbilanz des Eisschildes, zu deren Beobachtung die SAR- Interferometrie wichtige Beiträge leistet.

Neue Sensoren weisen gegenüber dem ERS-SAR wesentliche technische Modifikationen auf. Das ASAR (Advanced SAR) des ENVISAT ermöglicht, ähnlich dem Radarsat, die kontinuierliche Abbildungen von unterschiedlich großen Aufnahmestreifen mit variierbarer Auflösung und Polarisation. TerraSAR-X und TerraSAR-L sind für die Erkundung von Landeis wegen der kurzen Wiederholraten und der flexiblen Aufnahmegeometrie von besonderem Interesse. Das X-Band-SAR ermöglicht eine hochaufgelöste Kartierung und Signaturstudien, das L-Band-SAR verspricht zusätzlich durch hohe Kohärenz über längere Zeiträume neue Impulse für die interferometrische Analyse von Schnee und Eis. In naher Zukunft wird die Palette von abbildenden Radarsystemen bedeutend erweitert und wesentlich zur Analyse der Schneedecke und der Eisdynamik und ihrer Änderungen beitragen.

Gegenwärtige und künftige Satelliten und Sensoren
zu Schlüsselvariablen der KryosphäreSatellitenmissionen zur Kryosphäre

Quelle: IGOS (2007)

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