Lexikon der Fernerkundung

Lab-Farbmodell

Engl. Lab colour model; das Farbsystem CIE L*a*b (vereinfacht als Lab bezeichnet) beschreibt die dem menschlichen Auge sichtbaren Farben unabhängig von technischen Einrichtungen wie Monitoren und Druckern durch einen eindeutigen Wert. Um eine Farbe zu beschreiben, werden drei Parameter definiert:

Das Lab-Farbmodell wird in Adobe Photoshop verwendet. Es ist gut geeignet für Zwecke der Panbildschärfung.

LACIE

Engl. Akronym für Large Area Crop Inventory Experiment, NASA-Projekt zur landwirtschaftlichen Ertragsschätzung. Es wurde 1970 mit dem Ziel begonnen, die Weizenernte in den Hauptanbaugebieten (USA, Kanada, Argentinien, UdSSR) vorauszusagen. Dabei dienten Landsat-MSS-Daten zur Ermittlung der Anbauflächen nach einem regional orientierten Stichprobenverfahren. Die Vorhersage der Erträge erfolgte dann über agrarmeteorologische Modellrechnungen. Das Ziel, die tatsächlichen Erträge auf mindestens 10 % genau vorauszuschätzen, wurde trotz größerer Fehler im einzelnen erreicht. Mit ähnlichen Methoden werden auch für die Nahrungsmittelproduktion in Afrika Voraussagen gemacht, um den häufigen Hungerkatastrophen vor allem in der Sahelzone durch ein Frühwarnsystem zu begegnen.

LAGEOS

Engl. Akronym für Laser Geodynamics Satellite; Bezeichnung für  zwei der wichtigsten Lasersatelliten der höheren Geodäsie. Damit sind die Hauptanwendungsgebiete umrissen: die Bestimmung von tektonischen Plattenbewegungen und regionalen Krustenverschiebungen, die Bestimmung von Polbewegung und Erdrotationsparameter sowie die Festlegung eines geodätischen Bezugssystems.

1976 wurde mit LAGEOS-1 die Satellitenmission der NASA zu Geodäsie, Erdkrustenbewegungen und Schwerefeldmessungen mittels Laserentfernungsmessung begonnen und ist weiterhin operationell. Der 5858 bis 5958 km hohe Orbit des Satelliten ist geneigt (110°) und nicht-sonnensynchron. Die Umlaufzeit beträgt 225 min.

Der für eine lange Lebensdauer gebaute, etwa 400 Kilogramm schwere Satellit ist passiv, ohne Sensoren oder Elektronik an Bord und ohne bewegliche Teile. Sein Messingkern ist von einer Aluminiumschale bedeckt, die mit 426 Retroreflektoren bestückt ist, so dass der Satellit wie ein riesiger Golfball aussieht.

Zusammen mit dem geringen Durchmesser von ca. 60 cm bedeutet dies, dass nicht-gravitative Störkräfte kaum Einfluss haben (nur geringe Bahnstörungen). Daher ist seine Bahn außerordentlich stabil und kann zur genauen Bestimmung von übergeordneten Vermessungspunkten und des Fundamentalsystems der Geodäsie und Astronomie verwendet werden.

Der nahezu identische LAGEOS-2 wurde von der italienischen Weltraumagentur gebaut und 1992 von einem Space Shuttle ausgesetzt.

Die LAGEOS-Satelliten haben die Gestalt einer Kugel, die 426 Laserreflektoren trägt. Diese werfen auftreffendes Licht genau in die Einfallsrichtung zurück und erlauben im Wege des Satellite Laser Ranging (SLR) eine genaue Distanzmessung zwischen terrestrischen Observatorien und dem Satelliten. Die dabei eingesetzte Laufzeitmessung erfolgt nach Empfang des Licht-Echos durch ein Teleskop durch einen von den Photonen ausgelösten Intervallzähler.

Von den etwa 20 weiteren Lasersatelliten ist der französische Starlette der nächstwichtigste. Er ist ähnlich aufgebaut, hat die Größe eines Fußballs und wiegt 47 kg.

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Lagrange-Punkt

Syn. Librationspunkt; nach dem italienischen Mathematiker und Astronomen Joseph-Louis Lagrange (1736-1813) benannte Position im Weltraum, an der sich die Gravitationskräfte zweier umeinander kreisender Körper von erheblicher Masse – zum Beispiel Sonne und Erde – gegenseitig aufheben, so dass sie für einen dritten Körper (mit im Verhältnis zu den anderen beiden verschwindend geringer Masse) einen Gleichgewichtspunkt schaffen, der bewirkt, dass sich die Position der drei Körper zueinander nicht verändert. Lagrange-Punkte sind demnach Orte im Weltraum, an denen zum Beispiel ein Satellit im Verhältnis zu zwei anderen Körpern stabil positioniert ist.

Für das System Sonne-Erde-Mond gibt es fünf verschiedene Lagrange-Punkte, sie besitzen die Bezeichnungen L1 bis L5. Raumfahrtmissionen nutzen im Wesentlichen die Lagrange-Punkte L1 und L2.

Lagrange-Punkt Lagrangepunkte

Position der fünf Lagrange-Punkte (L1, …, L5) in einem System aus Zentralgestirn (gelb)
und Planet (blau).

Quelle: Wikipedia

Der innere Lagrange-Punkt L1 im System Erde – Sonne dient seit 1995 als "Basis" zur Sonnenbeobachtung. In seiner Nähe wo die Anziehungskraft der Erde jener der Sonne entspricht, ist auf der Verbindungslinie Erde-Sonne seit 1995 der Sonnenbeobachtungssatellit SOHO mit einem Bündel von 12 Messinstrumenten stationiert. L1 ist 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt und wird von SOHO langsam im Radius von rund 600.000 km umrundet. Dort soll auch die Raumsonde Genesis mit Instrumenten zur Erforschung des Sonnenwinds positioniert werden.

Der Lagrange-Punkt L2 befindet sich 1,5 Millionen Kilometer außerhalb der Erdumlaufbahn um die Sonne und eignet sich besonders für Weltraumbeobachtungen mit Teleskopen.
Da ein Körper im L2 die Orientierung in Bezug auf Sonne und Erde beibehält, ist dort die Abschirmung vor Sonnenstrahlung wesentlich einfacher als auf einer Erdumlaufbahn. Die von 2001-2010 aktive WMAP-Raumsonde (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), die die kosmische Hintergrundstrahlung des Urknalls untersuchte, befand sich in einer Umlaufbahn um den L2-Punkt des Systems Erde-Sonne.

Die ESA stationierte im September 2009 das Infrarot-Teleskop Herschel und das Teleskop Planck zur Untersuchung der Hintergrundstrahlung dort. Nach ihrem Start im Dezember 2013 schwenkte die Astrometrie-Raumsonde Gaia der ESA Mitte Januar 2014 ebenfalls in eine Umlaufbahn am Lagrange-Punkt L2 ein. Frühestens 2021 wird das James Webb Space Telescope auf diesem Punkt stationiert.

GAIA GAIA - Den Erdschatten meiden

Durch die Positionierung am zweiten Lagrange-Punkt kann Gaia vermeiden, in den Erdschatten zu geraten.

Mit dieser wissenschaftlichen Mission der ESA zur Astrometrie sollen rund 1 Prozent der Sterne unserer Milchstraße astrometrisch, photometrisch und spektroskopisch mit sehr hoher Präzision vermessen werden.

Sehen Sie sich das vollständige Video "Gaia: vom Start bis zur Umlaufbahn" hier an.

Quelle: ESA

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LAI

Engl. Akronym für Leaf Area Index; siehe Blattflächenindex

Lambertsche Fläche

Engl. Lambertian emitter, franz. surface lambertienne; nach DIN 18716 eine "Oberflächeneigenschaft, alle auffallende Strahlung wird vollkommen zerstreut; die Oberfläche erscheint deshalb aus allen Richtungen gleich hell". Die Norm macht noch folgende Anmerkung: "Die Lambertsche Strahlung ist unabhängig vom Beobachtungswinkel, aber abhängig vom Einstrahlungswinkel."

LANCE

Engl. Akronym für Land, Atmosphere Near real-time Capability for EOS; die Datenplattform LANCE der NASA liefert Daten und Bilder nahezu in Echtzeit (NRT), um den Bedarf von Wissenschaftlern und Anwendungsnutzern zu decken, die an der Überwachung einer Vielzahl natürlicher und anthropogener Phänomene interessiert sind, wie z. B. Brände, Staubstürme, Wirbelstürme, Luftqualität, Meereis, Vegetations- und Pflanzenentwicklung sowie Vulkanausbrüche. Die Daten stehen über LANCE viel schneller zur Verfügung, als es die herkömmliche Verarbeitung erlaubt.

Die meisten Datenprodukte sind innerhalb von 3 Stunden nach der Satellitenbeobachtung verfügbar. Bildmaterial ist im Allgemeinen 3-5 Stunden nach der Beobachtung verfügbar. Wenn die Wartedauer (What is data latency?) allerdings nicht von vorrangiger Bedeutung ist, wird den Nutzern empfohlen, die wissenschaftlichen Standardprodukte zu verwenden, die unter Verwendung der besten verfügbaren Zusatz-, Kalibrierungs- und Ephemerideninformationen erstellt werden. (Near Real-Time versus Standard Products)

Instrumente, deren Daten innerhalb von drei Stunden nach der Beobachtung aus dem All verfügbar sind:

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Land Cover

Engl. Begriff für Landbedeckung, also die physische Oberflächenbedeckung der Erde, die auf einer bestimmten Fläche vorhanden ist, wie z.B. Ackerfrüchte, Wasser oder Asphalt. Es ist ein Begriff im Umfeld der Fernerkundung, die versucht, diese Landbedeckung aus der spektralen Signatur zu ermitteln.

Landbedeckung ist zu unterscheiden von Landnutzung, ein Begriff, der beschreibt, wie die Landflächen vom Menschen gezielt genutzt werden, z.B. für Landwirtschaft oder Siedlung. International und auch sektoral besteht ein großes Problem darin, die einzelnen Kategorien eindeutig und einheitlich zu definieren. Erst dies ermöglicht die Erstellung eines einheitlichen Datensatz und damit die Erfassung des Ist-Zustands von Räumen und auch den Vergleich von Bodenbedeckungen z.B. in Europa (vgl. Corine LandCover).

Ein anderes Beispiel wurde mit Landsat-Daten erstellt: Portland (Oregon) liegt am Zusammenfluss der Flüsse Willamette und Columbia. Das Gebiet ist eine Mischung aus Innenstadt, Vororten, Farmen, Weiden und Wald. Diese verschiedenen Landbedeckungstypen sind leicht unterscheidbar dank der farbcodierten Karten, die auf der Grundlage der National Land Cover Database erstellt wurden. Diese Datenbank wurde vom U.S Geological Survey entwickelt und ist beim Multi-Resolution Land Characteristics Consortium frei erhältlich. Diese Landbedeckungskarten erlauben es den Behörden und auch Privatleuten die Ausdehnung von Stadtregionen nachzuverfolgen und auch den Gesundheitszustand der umgebenden Ökosystemen.

In diesem Bild erscheinen die Flüsse Columbia und Willamette in hellem Blau. Rot bezeichnet erschlossene (städtische) Gebiete, wobei die dunkleren Farbtöne für besonders intensiv entwickelte Zonen stehen. Ackerland ist hellbraun und Weiden sind gelb. Wald ist grün. Andere Nutzungsklassen sind aus der Legende zu entnehmen.

Landsat kann zwischen diesen unterschiedlichen Landnutzungen unterscheiden, weil er nicht nur sichtbares Licht aufspürt, sondern auch Infrarot. Alles auf der Erdoberfläche absorbiert und reflektiert Licht, aber verschiedene Dinge absorbieren und reflektieren verschiedene Teile des elektromagnetischen Spektrums in unterschiedlichem Maße. Das Chlorophyll in Pflanzen beispielsweise absorbiert stark rote und blaue Wellenlängen und reflektiert hingegen grün. Gesunde Blätter reflektieren zusätzlich infrarotes Licht. Durch das Aufspüren dieser unterschiedlichen Absorption, egal ob bei Pflanzen, Gebäuden, Straßen oder Felsen kann Landsat feine Unterschiede erkennen, die das menschliche Auge nicht sieht.

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Landsat Shows Land Use Around Portland

Das Gebiet ist eine Mischung aus Stadt, Vorort, Bauernhof, Weide und Wald. Diese verschiedenen Landbedeckungstypen sind in Portland und anderswo dank farbcodierter Karten aus der National Land Cover Database, die vom U.S. Geological Survey (USGS) entwickelt wurde und vom Multi-Resolution Land Characteristics Consortium kostenlos erhältlich ist, leicht voneinander zu unterscheiden. Mit diesen Landbedeckungskarten können Regierungsbeamte und Privatpersonen gleichermaßen die Ausdehnung städtischer und vorstädtischer Gebiete und den Zustand der umliegenden Ökosysteme verfolgen.

Quelle: NASA

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Land Surface Temperature Monitoring (LSTM)

Ziel von LSTM (Copernicus Land Surface Temperature Monitoring) ist es, mit Hilfe eines thermischen Infrarotsensors mit hoher räumlich-zeitlicher Auflösung die Temperatur der Landoberfläche einschließlich der Küsten zu messen. Dies ist vor allem für landwirtschaftliche Anwendungen von Interesse, da sich durch die Oberflächentemperatur die Menge der Verdunstung ermitteln lässt. Dies unterstützt landwirtschaftliche Anwendungen und großräumiges Wassermanagement, aber auch Dürren können besser vorhergesagt und der Wüstenbildung besser entgegengewirkt werden. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind das Aufspüren und Überwachen von Bränden.

Von einer sonnensynchronen, polaren Umlaufbahn in 640 km Höhe aus misst der Sensor in den Spektralbereichen VIS/NIR/SWIR/TIR. Von seiner erdnahen Umlaufbahn aus wird die vorgeschlagene Copernicus-LSTM-Mission sowohl die Landoberflächentemperatur, als auch die Evapotranspirationsraten, d.h. den Wasserdampf, den die Pflanzen während ihres Wachstums ausstoßen, in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit im Feldmaßstab kartieren. Die Datenaufnahme wird mit einer Wiederholrate von 1-3 Tagen erfolgen. LSTM wird Informationen mit einer Auflösung von 50 m liefern - 400-mal feiner als die Informationen, die derzeit operationell von weltraumgestützten thermischen Instrumenten wie dem Meeres- und Landoberflächentemperatur-Radiometer auf Copernicus Sentinel-3 erfasst werden.

Airbus D&S in Spanien wird als Hauptauftragnehmer für die LSTM mit einem Auftragswert von 375 Millionen Euro fungieren. Airbus Defence and Space in Frankreich wird auch für das Infrarot-Instrument verantwortlich sein. Der Start ist für 2027 vorgesehen.

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Landbedeckung

Die beobachtete (bio)physische Bedeckung der Erdoberfläche einschließlich Vegetation, Kulturpflanzen und menschlicher Strukturen bzw. Bauwerke, welche die Landfläche bedecken. Der Begriff Landnutzung hingegen beschreibt die Verwendung dieser Flächen unter sozio-ökonomischen Gesichtspunkten.

Bis heute haben sich die englischsprachigen Ausdrücke „land cover“ und „land use“ in der internationalen Umweltforschung etabliert. Beispiele für Forschungsprojekte sind NASA LandCover and Land-Use Change (LCLUC) Program, Global Land Cover Facility (GLCF), UN Land Use, Land-Use Change and Forestry (LULUCF), USGS Land Cover Institute (LCI) oder das LandUse/Cover Change (LUCC) Forschungsprojekt des International Geosphere-Biosphere Programme (IGBP) und des Human Dimensions of Global Environmental Change Programme (HDP). Im deutschen Sprachgebrauch werden zahlreiche Synonyme verwendet: für Landbedeckung wird auch Bodenbedeckung, Landschaft oder Landschaftstyp gebraucht, häufige Synonyme für Landnutzung sind Flächennutzung, Bodennutzung oder Landschaftsnutzung. Die Bedeutungen der einzelnen Synonyme sind zum Teil identisch.

Anhand der zahlreichen biophysikalischen Parameter lassen sich Landbedeckungen unterschiedlich klassifizieren und je nach wissenschaftlichem Zweck verschiedene Klassifizierungen entwickeln. Typische weitgefasste Landbedeckungsklassifikationen beinhalten z.B. Wälder, Grasland, Ackerland, Feuchtgebiete und nicht biotische Bebauungen. Passende Subklassifikationen sind boreale und tropische Wälder, Savannen und Steppen sowie Dörfer und Städte.

Ob als Grundlagedaten für Veränderungsdetektion oder zur Ableitung relevanter Planungs- und Modellierungsparameter, Landbedeckung ist eine essentielle Information, um Themen wie Klimawandel, Biodiversität, Ressourcenmanagement, Ökosystemeinwirkungen, Wohnqualität, Landnutzung oder Katastrophenmanagement zu analysieren und zu visualisieren.

Landbedeckungskarte

Neue DFD Landnutzungs- und Landbedeckungskarte für Deutschland

Landbedeckung und Landnutzung beeinflussen das Klima, den Stoff- und den Wasserkreislauf. Wissenschaftler des DFD entwickeln Methoden, um diese Informationen automatisiert aus optischen Satellitenbildzeitreihen abzuleiten. Für Deutschland wurde so ein detailliertes Abbild der Landnutzung und Landbedeckung erstellt. Diese Kartierungen sollen künftig weitergeführt und die räumlichen Verteilungsmuster und deren Veränderungen analysiert werden. So können gesellschaftsrelevante Fragen zur Landnutzungsdynamik beantwortet werden.

In Vorbereitung einer langjährigen Produktreihe wurde ein erstes Produkt in hoher räumlicher Auflösung erstellt. Hierfür wurden alle verfügbaren Aufnahmen der Satelliten Landsat-7 und Landsat-8 aus dem Jahr 2014 genutzt. Die Satellitenbildzeitreihen zeigen die Dynamik der Vegetationsentwicklung im Jahresverlauf sowie Veränderungen der Landbedeckung, aufgrund derer sich bereits einige Landnutzungen und Landbedeckungstypen unterscheiden lassen. Gleichzeitig können durch die Vielzahl an Aufnahmen Wolkenlücken geschlossen werden. Insgesamt wurde auf über 760 Landsat-Szenen zurückgegriffen. Für die Landnutzungsklassifikation wurde für jedes Pixel der saisonale Verlauf der Messdaten betrachtet.

Quelle: DLR

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Landbedeckungsänderung

Begriff zur Beschreibung von Veränderungen der biophysikalischen Merkmale der Erdoberfläche. Wenn die biophysikalischen Landbedeckungen verändert werden, ob menschlich-induziert oder nicht, werden direkt die Artenvielfalt, die Primärproduktion, die Bodenqualität, die Abfluss- und Ablagerungsraten sowie die Quellen und Senken für die meisten Stoff- und Energieflüsse beeinflusst. Die lokale Umwelt (Bio- und Geosphäre mit ihren Treibhausgasemissionen und Wasserkreislauf) ist daher unmittelbar betroffen. Treten ähnliche Landbedeckungsänderungen an anderen Orten auf, können diese Änderungen kumuliert regionale, überregionale und sogar globale Dimension erreichen.

Landbedeckungsänderungen lassen sich in zwei Arten definieren: „Umwandlung“ (engl. conversion) und „Abwandlung“ (engl. modification).

Unter Umwandlungen der Landbedeckung werden das vollständige Ersetzen einer Bedeckungsklassifikation durch eine andere Bedeckungsklassifikation verstanden. Das Abholzen und Verbrennen von Bäumen und anderer Vegetation, z.B. um anschließend Getreide anzupflanzen, ist ein typischer Prozess der vollständigen Umwandlung einer Waldfläche zur Ackerfläche. Andere auftretende Landbedeckungsumwandlungen können Wald- zu Weidefläche, Ackerfläche zu Siedlungsfläche, Grasland zu Waldfläche (Renaturierung) oder Trockengebiet zu Ackerfläche sein.

Abwandlungen der Landbedeckung dagegen beziehen sich mehr auf subtile Veränderungen in der Landbedeckung, welche die Kennzeichen (Charakter, Eigenschaften) der Landbedeckungsklassifikation beeinflussen, ohne das Gesamtklassement zu erneuern. Typische Abwandlungsprozesse sind die Ausdünnung von Wäldern durch selektiven Holzschlag im Amazonasbecken und überweidetes Grasland. Gegenwärtig sind die meisten Landbedeckungsänderungen auf die menschliche Benutzung zurückzuführen.

Satellitenbezogene Daten werden als Hauptinformationsquelle genutzt, um Landbedeckung und Landbedeckungsänderungen auf regionalem und globalem Niveau zu beschreiben.

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Landbedeckungsklassifikation

Die Klassifikationen der Landbedeckung ist die theoretische und abstrahierende Darstellung einer Situation der Wirklichkeit, hier der Landbedeckung, unter Nutzung gut abgrenzbarer und gut definierter Kriterien.

Bevor Landbedeckungen klassifiziert werden können, müssen genaue Vorgaben gemacht werden. Prinzipiell liegen Klassifikationssysteme meist in hierarchischer Form vor. Dabei werden Klassifikationskriterien gewählt, welche nur innerhalb einer Klasse anwendbar sind und vorab durch ein allgemeineres Kriterium gebildet wurden. Dadurch entstehen viele Ebenen, welche sich, angefangen bei sehr allgemeinen Klassen hin zu detaillierteren Unterklassen, zu einem Klassifikationsbaum entwickeln. Es gibt bis heute kein international anerkanntes Klassifikationssystem. Das ist darin begründet, dass jeder Bearbeiter in Abhängigkeit von Bearbeitungsschwerpunkt oder Fragestellung eine andere Vorstellung von einer Landbedeckungsklassifikation bzw. einem entsprechenden Schlüssel hat.

Im Unterschied zur Landnutzungsklassifikation findet lediglich eine Beurteilung der Landoberfläche statt und es wird nicht nach Nutzung unterschieden.

Die manuelle Kartierung/Digitalisierung oder Vermessung zur Erzeugung einer Landbedeckungsklassifikation bedeuten einen hohen finanziellen, personellen und zeitlichen Aufwand. Deshalb werden automatische Prozessierungsmöglichkeiten auf Basis von flächendeckend verfügbaren Fernerkundungsdaten genutzt und beständig weiterentwickelt.

Die Landbedeckungsklassifikation leistet einen wichtigen Beitrag für eine Vielzahl relevanter Anwendungen, von der Schätzung von Biomasse als Eingangsparameter für Klimamodelle, über Erntevorhersagen bis zu landesweiten Kartierungen. Gewöhnlich ist man an der wiederholten Erfassung großer Flächen interessiert, wie sie optische Satellitensensoren oder Radarsatelliten bereitstellen.

Als wesentlicher Aufgabenkomplex in der Fernerkundung stützt sich die Landbedeckungsklassifikation bei der Untersuchung von Oberflächenarealen auf mehrkanalige Bilddaten, welche mittels leistungsfähiger Kameratechnik und Spezialsensorik in Befliegungsmissionen (Satellit, Flugzeug) erfasst werden. Zu den Bilddaten zählen seit jeher Multispektralaufnahmen aus dem VIS- und IR-Bereich (z. B. Landsat-5 mit 7 Kanälen) und auch SAR-Daten (z. B. TerraSAR-X) verschiedener Mikrowellenbänder und Polarisationen. Zum Zweck der Klassifikation können komplementäre Merkmale von optischen und Radardaten auch kombiniert werden.

Landmonitoring

Syn. Landüberwachung, Landbeobachtung; Sammlung, Aufbereitung und Verfügbarmachung von Informationen und Daten von der lokalen bis hin zur globalen Ebene bezüglich der Landoberfläche (inklusive Binnengewässer). Die möglichst kontinuierlich erhobenen Daten bilden die Basis für die Erstellung thematischer Karten, für die quantitative bzw. qualitative Dokumentation, Analyse und Interpretation von Entwicklungen und Veränderungen. Sie erlauben die Prognose und Planung zukünftiger Entwicklungen insbesondere in den Bereichen Umwelt und Landnutzung (land use).

Die Landoberfläche der Erde ist Lebensraum von derzeit 7,5 Milliarden Menschen. Sie ist ständigen Veränderungen unterworfen, wobei die menschliche Nutzung den gegenwärtig dynamischsten Faktor darstellt. Die nachhaltige Nutzung der Ressource Landoberfläche ist von zentraler Bedeutung für unsere Zukunft und erfordert detaillierte Kenntnisse über Zustand und Veränderungen des menschlichen Lebensraums. Die Satellitenfernerkundung bietet die Möglichkeit, Veränderungen der Erdoberfläche kontinuierlich und global zu erfassen und besitzt dadurch ein enormes wissenschaftliches und ökonomisches Potenzial.

Die zahlreichen zur Verfügung stehenden Systeme zur Erdbeobachtung aus dem All erlauben z. B. Anwendungen in den Bereichen Atmosphärenforschung, Landwirtschaft, Forstwirtschaft, Geowissenschaften, Naturgefahren und urbane Räume. Je nach Anwendungsgebiet werden Daten von unterschiedlichen Satellitensystemen genutzt, wobei die optischen Systeme und die Radarsysteme (SAR) die beiden Haupttechnologien der satellitengestützten Erdbeobachtung darstellen. Mit den optischen Multispektralsatelliten des EU/ESA-Copernicus-Programms und des USGS/NASA-Landsat-Programms stehen für die verschiedenen Anwendungsgebiete leistungsfähige Satellitensysteme zur Verfügung, deren Daten weltweit kostenfrei genutzt werden können. In Kombination mit einer Vielzahl weiterer Satellitensysteme ermöglichen sie eine kontinuierliche Erdbeobachtung in unterschiedlichen Maßstäben innerhalb der atmosphärischen Fenster. In diesen Fenstern wird die elektromagnetische Strahlung der Sonne durch die Atmosphäre kaum beeinflusst und kann daher für die optische Auswertung von Fernerkundungsdaten genutzt werden.

Lage der Spektralkanäle wichtiger Aufnahmesysteme

Lage der Spektralkanäle wichtiger Aufnahmesysteme

Spektralsignatur von Boden, Vegetation und Wasser in hyperspektraler (Linie) und multispektraler (Balken) Auflösung in Bezug auf die Lage und spektrale Auflösung optischer (Sentinel-2, Landsat 8 und EnMAP) und SAR-Systeme (Sentinel-1 und TerraSAR-X).

VIS – sichtbares Licht, NIR – nahes Infrarot, SWIR – kurzwelliges Infrarot, MIR – mittleres Infrarot, TIR – thermales Infrarot

Quelle: GFZ 2017

Am Anfang jeder fernerkundlichen Fragestellung steht die Auswahl von geeigneten Satellitendaten. Dabei ergeben sich unterschiedliche Optionen sowohl aus der räumlichen und zeitlichen Auflösung der Systeme als auch aus den abbildbaren Eigenschaften der Erdoberfläche, wobei letztere durch das jeweils zum Einsatz kommende fernerkundliche Messprinzip bestimmt werden. In der Regel stellt diese Auswahl einen Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung (wenige Zentimeter bis mehrere Kilometer) und damit verbundener zeitlicher Wiederholrate (mehrmals täglich bis monatlich) dar. Im Bereich der optischen Fernerkundung verfügen räumlich sehr hoch auflösende Systeme (< 2 m) nur über wenige (< 10) spektral breite Kanäle (z. B. Quickbird, WorldView-4). Räumlich schlechter auflösende Systeme (> 10 m) besitzen hingegen deutlich mehr (> 10 bis rund 250) spektral höher auflösende Kanäle (z. B.Landsat 8, Sentinel-2, EnMAP). Die Abbildung oben verdeutlicht die Lage der Spektralkanäle wichtiger Aufnahmesysteme. Die zeitliche Auflösung der Systeme kann durch den Einsatz mehrerer baugleicher Satelliten erhöht werden. Beispiele dafür sind die Sentinel-1/2-Systeme mit jeweils zwei Satelliten (A/B), RapidEye mit fünf Satelliten und im Bereich der CubeSats die Planet-LabsKonstellation mit mehr als einhundert Kleinsatelliten.

Kurzer Überblick über die Entwicklung der Satellitenbeobachtung der Landoberfläche

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Landnutzung

Bezeichnung für die Inwertsetzung der Landoberfläche durch den Menschen, also dafür wie bestimmte Landflächen genutzt werde. Dazu gehört auch die vorausgehende Absicht der Manipulation. Der Begriff geht somit über die rein physische Gestalt der Bedeckung der Landoberfläche hinaus aus und betont die funktionale Dimension. Zu den typischen Absichten zählen Landwirtschaft, Beweidung, Forstwirtschaft, Gewinnung von Bodenschätzen und Besiedlung und werden je nach Absicht mit spezifischen Mitteln umgesetzt. Beispiele sind der Gebrauch von Düngermittel und Pestiziden, Bewässerung für mechanisierte Landwirtschaft in Trockengebieten, die Einführung von Grasarten für Viehweiden oder der Kahlschlag von Wäldern. Hingegen beschreibt der Begriff Landbedeckung die Materialien, die sich an der Oberfläche befinden, z.B. Vegetation, Gestein oder Gebäude.

Bei speziell landwirtschaftlicher Nutzung spricht man häufig von Bodennutzung. Gelegentlich wird der Begriff Bodennutzung auch synonym zu Landnutzung verwendet.

Eine umfassendere Definition untergliedert den Begriff Landnutzung in zwei Kategorien, die eng verflochten sind:

Eine weitere Definition findet sich im IPCC-Bericht 2007:

Ähnlich wie Landbedeckungsänderungen kann die Landnutzung vollständig wechseln (z.B. von Forstwirtschaft zur Landwirtschaft) oder sich differenziert abwandeln (z.B. Intensivierung der Landwirtschaft). Landnutzungsveränderungen sind zum Beispiel die Verschiebung von extensiver Beweidung zu intensiver Beweidung, oder intensiver Ackerbau zu Stilllegung der landwirtschaftlich genutzten Fläche.

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Landoberflächentemperatur

Engl. Land Surface Temperature (LST); wichtiger Parameter für eine Vielzahl von regionalklimatologischen und physisch-geographischen Fragestellungen. Die Landoberflächentemperatur wird durch die solare und langwellige Einstrahlung, die ausgestrahlte, terrestrische Infrarotstrahlung, den sensiblen und latenten Wärmefluss, sowie den Wärmefluss im Boden bestimmt. Deswegen ist die LST ein guter Indikator für das Energiegleichgewicht am Erdboden.

Die Land- oder Wasseroberflächentemperatur, gemessen vom Satelliten, ist eine sog. Strahlungstemperatur. Dabei wird die emittierte Strahlung des Bodens, der Vegetation oder einer Wasserfläche mit Hilfe von Radiometern berührungslos gemessen. Die Strahlungstemperatur ist bestimmt durch die Temperatur der Landoberfläche bzw. des Wassers und dem Emissionsvermögen (Emissivität). Die Messung der Strahlungstemperatur vom Satelliten wird aber auch noch von der Atmosphäre, insbesondere vom Wasserdampf, bestimmt.

Im Gegensatz dazu wird z.B. die Luft- oder Wassertemperatur mit Messgeräten bestimmt, die im thermischen Gleichgewicht mit der Luft bzw. dem Wasser sind. Die Landoberflächentemperatur und die Lufttemperatur sind über die Energiebilanz des Systems Boden-Atmosphäre bzw. Boden-Vegetation-Atmosphäre gekoppelt. Diese Kopplung ist der Grund, warum keine einheitliche, lineare Korrelation zwischen den beiden Größen besteht.

Alle Betrachtungen über die Größe 'Landoberflächentemperatur' erfordern eine Definition der drei Komponenten "Land", "Oberfläche" und "Temperatur". Dies scheint auf den ersten Blick trivial zu sein, im Kontext von in situ-Messungen und von Fernerkundung ist es nicht trivial:

Bereits die praktische Durchführung der Temperaturmessungen macht den Vergleich schwierig. Die typischen Fehler von Thermometer- und Radiometermessungen, wie auch das oben beschriebene Problem bei der Bestimmung der Oberfläche sind die Gründe dafür. Darüberhinaus gibt es prinzipielle Unterschiede, die in der letzten Konsequenz einen Vergleich von Temperaturen nicht gestatten, die zum einen auf thermodynamischen und zum anderen auf radiometrischen Messungen beruhen:

Weder die thermodynamische Messweise Oberflächentemperaturen zu messen, noch die radiometrische Bestimmung führen prinzipiell zu 'falschen' Temperaturen. Die Verwendung des jeweiligen Messverfahrens kann allerdings falsch sein. Zum Beispiel ist für die Bestimmung der thermischen Charakteristik einer Stadt die Fernerkundung besser geeignet. Für andere Anwendungen mag das Thermometer am Boden vorzuziehen sein.

Einsatzfelder:
Unbestritten ist aber die grundsätzliche Bedeutung der Landoberflächentemperatur für unterschiedlichste Einsatzfelder. Mit Hilfe der Temperaturinformation können thermische Belastungsgebiete in Städten oder landwirtschaftlichen Gunst- und Ungunstgebieten kartiert und ausgewiesen werden. Temperaturkarten erlauben auch die Analyse des ausgleichenden Einflusses der Vegetation auf sog. “Hot Spots” in Städten. Bislang werden die Temperaturen punktuell in ca. 2 Meter Höhe an den verschiedenen meteorologischen Stationen gemessen. In stark besiedelten Regionen ist dieses Stationsnetz relativ dicht, jedoch in den meisten ländlichen Regionen der Welt fehlen solche Daten gänzlich.

Auch werden langfristige und zuverlässige Schätzungen der LST benötigt als Eingabe für Modelle der globalen atmosphärischen Zirkulation, für numerische Wettervorhersagen, zur Erkennung von Klimaveränderungen, zur Überwachung des Vegetationszustandes, zur Erkennung von Veränderungen, die mit Desertifikationsprozessen verknüpft sind, etc. Nur satellitengestützte Strahlungsmessungen haben die zeitliche und räumliche Auflösung, die die Modelle und die Analyse der Prozesse benötigen. In den Spektralbereichen der „atmosphärischen Fenster“ wird die am Oberrand der Atmosphäre (TOA – top-of-atmosphere) gemessene Strahlung durch die von der Oberfläche emittierte Strahlung dominiert. Deshalb kann die LST aus satellitengestützten Messungen der elektromagnetischen Strahlung abgeleitet werden.

Die Fernerkundung der Oberflächentemperatur mit aus dem Weltraum betriebenen Sensoren bietet enorme Vorteile: die Messdaten werden flächendeckend, kontinuierlich und schnell verfügbar. Jedoch ist die routinemäßige Berechnung der Bodentemperaturen kein leichtes Unterfangen, da die störenden Atmosphäreneinflüsse korrigiert und der spezifische Einfluss des Emissionsvermögens der Landoberflächen abgeschätzt werden muss. In den letzten Jahren hat diese Problematik die Fernerkundung stark beschäftigt, so dass heute eine Vielzahl von Methoden zur Ableitung der Bodentemperaturen existiert.

Im DLR werden täglich AVHRR-Daten zur Bestimmung der Landoberflächentemperaturen herangezogen. Die dabei angewandte Methode beruht auf dem sogenannten “split-window” Verfahren. Hierbei werden die dicht nebeneinanderliegenden Wasserdampfabsorptionsfenster (10,5 µm; 11,5 µm) zur Korrektur des atmosphärischen Einflusses genutzt. Um die Emissionsgrade der Landoberflächen abzuschätzen, wird eine von Van de Griend & Owe (1993) vorgeschlagene empirische Methode benutzt. Diese Autoren stellten in einem aufwendigen Feldexperiment einen direkten Zusammenhang zwischen dem Emissionsgrad der Vegetation und dem Vegetationsindex (NDVI) her.

Temperaturanstieg während der Hitzewelle in Europa vom 28. Juli - 10. August 2003 Temperaturanstieg während der Hitzewelle in Europa
vom 28. Juli - 10. August 2003

Die Karten sind abgeleitet aus NOAA-AVHRR Daten.

Links: mittlere Nachttemperaturen im Zeitraum
28. Juli - 3. August 2003

Rechts: mittlere Nachttemperaturen im Zeitraum
3. August - 10. August 2003

Quelle: Bittner et al., Klimastatusbericht 2004

Die obige Abbildung zeigt in einer Gegenüberstellung den dramatischen Temperaturanstieg während der Hitzewelle in Europa vom 28. Juli - 10. August 2003. Seit 1998 werden im DLR zweimal täglich Thermalkarten von Europa erstellt. Aus den Tageswerten werden wöchentliche und monatliche Temperaturmittelwerte gerechnet.
Alle Daten sind über das Internet verfügbar (World Data Center for Remote Sensing of the Atmosphere, DLR).

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Landsat

US-amerikanisches Fernerkundungssystem aus einer Serie von mehrfach weiterentwickelten Satelliten, die seit 1972 in ihre Umlaufbahn gebracht wurden, zuletzt im Jahre 1999 der Landsat-7 ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus) als Vertreter der alten Serie und im Februar 2013 der Landsat-8 als Vertreter des Landsat-Nachfolgeprogramms. Der neueste Landsat-9 folgte im September 2021.

Die Spektralbereiche des Systems sind für eine differenzierte Erkundung von Landoberflächen ausgelegt, Gleiches gilt für die Bodenauflösung von 30 x 30 Metern hinsichtlich vieler Aufgabenstellungen. Landsat-7 als letzter Satellit der alten Serie registrierte Daten in acht Spektralbereichen bei einer Bodenauflösung von 15 m (panchromatisch) bis 60 m (Thermalband). Er wird im Laufe des Jahres phasenweise außer Betrieb genommen.

Landsat-Satellitenaufnahmen werden aufgrund dieser Eigenschaften häufig für Landnutzungsklassifikationen, für geologisch/mineralogische Explorationsarbeiten, Erntevorhersagen, Waldzustandserhebungen, Regionalplanung, Katastrophenmanagement und kartographische Arbeiten herangezogen.

 

landsat7 Quellen: NASA / eoportal Landsat 7

Links: Schematisches Diagramm

Rechts: Landsat 7 im Orbit mit beobachteter Bodenspur

Technische Details:

  • Start: 15. April 1999
  • Status: aktiv trotz Ausfall des Scan Line Corrector (SLC) am 31. 5. 2003
  • Sensor: ETM+
  • Höhe: 705 km
  • Bahnneigung: 98.2°
  • Orbit: polar, sonnensynchron
  • Äquator-Überquerung: nominell 10 AM (± 15 min.) Ortszeit
  • Umlaufzeit : 99 Minuten; ~14.5 Orbits/Tag
  • Wiederholrate : 16 Tage

Für die systematische Datenaufnahme wurde für die Satelliten kreisförmige, polnahe und sonnensynchrone Umlaufbahnen gewählt, um praktisch die ganze Erdoberfläche beobachten zu können. Hierzu behält die Satellitenbahn ihre Lage im Raum bei, aber durch die Rotation der Erdkugel wandert die Erdoberfläche unter dieser Bahn hindurch. Die Bodenspuren der aufeinanderfolgenden Umläufe sind deshalb etwas gegeneinander versetzt. Die Bahnparameter sind so gewählt, dass nach und nach die ganze Erdoberfläche aufgenommen werden kann. Nach dem Start wird Landsat 9 in die derzeitige Umlaufbahn von Landsat 7 einschwenken, der über genügend Treibstoff für den Betrieb bis 2021 verfügt, und anschließend außer Dienst gestellt wird. Landsat 9 wird die Erde alle 16 Tage in einem 8-tägigen Versatz mit Landsat 8 abbilden. Die Polkappen werden nicht erreicht, da die Satellitenbahn gegen die Äquatorebene nicht genau um 90 Grad geneigt ist.

Landsat Timeline

Eine Landsat-Zeitleiste

Seit 1972 erfassen die Landsat-Satelliten kontinuierlich Bilder der Landoberfläche der Erde und liefern ununterbrochen Daten, die es Landmanagern und politischen Entscheidungsträgern ermöglichen, fundierte Entscheidungen über unsere natürlichen Ressourcen und die Umwelt zu treffen.

"Die Landsat-Satellitenserie ist ein Eckpfeiler unserer Erdbeobachtungsfähigkeit. Die Welt verlässt sich auf Landsat-Daten, um Veränderungen der Bodenbedeckung und -nutzung, den Zustand der Ökosysteme und die Verfügbarkeit von Wasser zu erkennen und zu messen." (NASA Administrator Charles Bolden)

Quelle: USGS

Die Satelliten wurden mit optisch-mechanischen Scannern, nämlich Landsat-1 bis -5 (ab 1972) mit dem Multispectral Scanner (MSS), Landsat-4 und -5 (ab 1982) zusätzlich mit dem Thematic Mapper (TM), und Landsat-7 (ab 1999) mit dem Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+). Landsat-8 erhielt neuartige Instrumente (OLI und TIRS). Aber die Daten der verschieden alten Systeme sind kompatibel, was der Erfassung von Veränderungen zugute kommt.

Landsat-5 wurde im Juni 2013 aufgrund eines irreparablen Defekts seines zur Lageregelung eingesetzten Gyroskops außer Betrieb genommen. Damit ging die weltweit längste Erdbeobachtungsmission zu Ende. Ursprünglich für eine Betriebsdauer von 3 Jahren konzipiert hat der Satellit seit 1982 den Planeten über 150.000 Mal umkreist und dabei mehr als 2,5 Mio. Bilder über die Landoberflächen zur Erde übermittelt.

Die jüngste Mission, Landsat-8, zunächst als Landsat Data Continuity Mission (LDCM) bezeichnet, wurde von der NASA am 11. Februar 2013 mit einer United Launch Alliance Atlas V 401 Rakete von der Vandenberg Air Force Base aus gestartet. Drei Monate nach dem Start übernahm der USGS die Kontrolle.

Das folgende Bild zeigt den von Landsat-7 aufgenommenen Kangerdlugssuaq-Gletscher, den größten Auslassgletscher an der grönländischen Ostküste. Er entlässt Inlandeis in das Nordpolarmeer. Im Bild kann man hunderte Eisberge erkennen, die dem Wasser ein Fleckenmuster verleihen.

Grönland beherbergt nach dem antarktischen den kleineren der beiden einzigen Eisschilde auf der Erde. Variationen in ihrer Mächtigkeit können helfen die Reaktion unseres Planeten auf den Klimawandel anzuzeigen. Ihr Abschmelzen trägt zum weltweiten Anstieg des Meeresspiegels bei. Eine neuere Auswertung von Satellitendaten belegt, dass das Eis, das über die letzten 20 Jahre in Grönland und der Antarktis abgeschmolzen ist, 11 mm zum globalen Meeresspiegelanstieg beigetragen hat.

kangerdlugssuaq_glacier_greenland_lres Kangerdlugssuaq Glacier, Greenland

Erdbeobachtungssatelliten sind die Schlüsseltechnologie für die Beobachtung dieser Veränderungen, da sie Instrumente tragen, die die Mächtigkeit der Eisschilde messen und sogar hochaufgelöste Bilder trotz Wolkenbedeckung und Dunkelheit liefern können. Diese Fähigkeit ist besonders nützlich, wenn man diese riesigen, unzugänglichen Gebiete beobachten möchte, die für lange Zeit schlechtem Wetter und aufgrund ihrer Polnähe langer Dunkelheit ausgesetzt sind.

Das Bild, aufgenommen am 19. September 2012 vom Landsat-7, zeigt deutlich die Kalbungsfront des Gletschers, an der das Eis abbricht. Der Vergleich unterschiedlich alter Aufnahmen zeigt, dass diese Front zurückgewichen ist, ein Beleg dafür, dass der Gletscher mit der Zeit kleiner wird. Jeder Zufluss von Schmelzwasser von diesem Eisschild kann dem Nordatlantik Süßwasser zuführen, was möglicherweise den Golfstrom schwächt und in der Konsequenz das Klima Nord- und Westeuropas beeinflusst.

Beachten Sie auch den 6.800 km langen und 200 km breiten Kompositstreifen von Landsat 8-Bildern durch die Arktis, aufgenommen am 21. Juni 2014 und aufbereitet von NASA-Mitarbeitern. (A Long View of the Arctic)

Quelle: ESA

Weitere Informationen:

Landsat 8 / LDCM

Am 11.2.2013 als Landsat Data Continuity Mission (LDCM) gestartete Satellitenmission von NASA und USGS um den Bestand an Landsat-Daten über die Oberfläche des Planeten fortzuführen. Der Satellit wurde mit einer United Launch Alliance Atlas V 401-Rakete von Vandenberg Air Force Base aus in den Erdorbit eingebracht und umkreist die Erde in einer Höhe von rund 705 Kilometern.

Am 30. Mai 2013 übernahm die USGS nach ausgiebigen Tests die Kontrolle des Satelliten von der NASA, gleichzeitig wurde LDCM in Landsat-8 umbenannt.

landsat8_pho_2013042_close Start von Landsat-8 am 11.2.2013

Eine Atlas V-Rakete trug den Satelliten von der Vandenberg Air Force Base (Kalifornien) in seine Umlaufbahn. Das Raumfahrzeug trennte sich 79 min nach dem Start von der Rakete und das erste Signal wurde 3 min später in der Svalbard-Bodenstation (Norwegen) empfangen. Die Sonnensegel zur Stromerzeugung entfalteten sich 86 min nach dem Start.

Der neue Satellit Landsat-8 (LDCM) verspricht, die einmalige Landsat-Tradition mit noch besserer Qualität und Aufnahmefrequenz fortzusetzen. LDCM hat zwei Hauptsensoren für wissenschaftliche Untersuchungen, den Operational Land Imager (OLI) und den Thermal Infrared Sensor (TIRS).

Zu größerer Darstellung über den Link unten

Quelle: NASA

Die Aufnahmen des Landsat-8 haben eine Auflösung von rund 15-100 Metern und können vor allem für die Beobachtung von Flächennutzungsänderungen (land use change), die Auswertung von Landveränderungen z.B. nach Flutkatastrophen sowie allgemein für die Beobachtung von Wassernutzung weltweit genutzt werden. Durch die Fortführung dieser Aktivitäten ermöglicht es Landsat 8, die Geo- und Klimaforschung mit analysefähigen Daten zu versorgen. Landsat 8 bewegt sich übrigens auf gleicher Bahn wie seine Vorgänger Landsat-4, -5 und -7.

Der neue Landsat-Satellit ist mit zwei Arten von Pushbroom-Instrumenten ausgerüstet:

  1. der so genannte Operational Land Imager (OLI) sowie
  2. der Thermal Infrared Sensor (TIRS), ein Sensor für die Erfassung der elektromagnetischen Abstrahlung des Planeten im Infrarot-Bereich.
etmplus_oli_tirs_lres

Vergleich der
Spektralbänder von ETM+
auf Landsat-7 und
von OLI bzw. TIRS
auf LDCM/Landsat-8

 

Quelle: NASA

OLI nimmt Bilddaten mit Hilfe von neun Spektralbändern auf. Darunter sind - im Vergleich zu seinen Vorgängern - zwei neue Spektralbänder: eines um hohe dünne Wolken (Cirren ) beobachten zu können und eines um atmosphärisches Aerosol sowie die Wasserqualität in Seen und flachen Küstengewässern zu beobachten. OLI hat außerdem weniger bewegliche Teile als seine Vorgänger, was ihn weniger pannenanfällig macht.

TIRS sammelt Daten über die Wärmeabstrahlung der Erdoberfläche, und zwar in zwei thermalen Spektralbändern verglichen mit dem einen auf vorherigen Landsat-Missionen. Diese Erdbeobachtungen mit Hilfe der Thermalbänder erfahren eine zunehmende Bedeutung bei der Überwachung des Wasserverbrauchs, insbesondere in ariden Gebieten.

Beide Sensoren haben ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und eine radiometrische 12-Bit Quantisierung der Daten. Als weitere Verbesserung im Vergleich zu seinen Vorgängern sendet Landsat-8 400 Szenen pro Tag an die Bodenstation und übertrifft damit die Erfassungsleistung von Landsat-7 um bis zu 150 Aufnahmen pro Tag. Hierdurch erhöht sich nicht zuletzt die Chance, wolkenfreie Aufnahmen der Erdoberfläche zu erhalten.

landsat_whisk_push Whiskbroom vs. Pushbroom-Sensoren

Frühere Landsat-Sensoren (z.B. das Multispectral Scanner System, der Thematic Mapper und der Enhanced Thematic Mapper-Plus) benutzten Spiegel, die zur Datengewinnung quer zur Bodenspur hin- und herschwenkten wie ein flacher Reisstrohbesen (whiskbroom). Dieses Sensor-Design erfordert schnell bewegte Teile, die entsprechend zu Abnutzungserscheinungen neigen.
Neue Technologien erlauben es OLI die gesamte Breite der Bodenspur gleichzeitig zu erfassen und dabei Datenreihen zu erzeugen, die hinterein-ander gesetzt, kontinuierlich die Bodenspur bilden. Das Prinzip ist mit der Bewegungsrichtung eines kurzborstigen "Schiebebesens" (pushbroom) vergleichbar.

Quelle: NASA

Die folgenden beiden Bilder über die Region des Saltonsees vom 24. März 2013 gehören zu den ersten, die der LDCM-Satellit aufgenommen hat. Das obere Bild entstammt dem Thermal Infrared Sensor (TIRS). Es zeigt die von der Landschaft abgestrahlten Wärmemengen. Kühlere Bereiche erscheinen dunkel, wärme hingegen hell. Zum Vergleich zeigt das untere Bild, das mit dem Operational Land Imager (OLI) aufgenommen wurde, die gleiche Szene in natürlicher Farbwiedergabe.

Was das Grauwertbild wiedergibt ist die Infrarotstrahlung, die von der Erde selbst erzeugt wird. Die Wärmeenergie, die von der Landoberfläche, von Wasserkörpern und der Vegetation emittiert wird, regt Elektronen an und erzeugt das Strahlungssignal eines Schwarzkörpers. Die Detektoren in TIRS können die Stärke dieser Signale in zwei verschiedenen Bandbereichen messen, die den Temperaturen auf dem Boden entsprechen.

Die Bilddarstellung ist im Prinzip vergleichbar mit den bildgebenden Thermaldetektoren, die von der Polizei verwendet werden, um z.B. aus der Distanz lebende Menschen in einem Gebäude aufzuspüren. Thermalbänder werden von Wissenschaftlern häufig verwendet, um das Vorhandensein von Wasser zu kartieren. Hier helfen die kühlere Flächen repräsentierenden dunklen Pixel im Thermalbild der Wasserwirtschaft zu erkennen, wo Wasser für Bewässerungszwecke verwendet wird.

In dem TIRS-Bild oben stellen die dunklen Quadrate landwirtschaftliche Flächen dar, auf denen Pflanzen Wasser aus dem Boden aufnehmen und durch Transpiration der Blätter an die Luft abgeben. Pflanzen kühlen sich beim Vorgang der Transpiration ab, auch beim Vorgang der Verdunstung (Evaporation) von Wasser von der Blattoberfläche bei frischer Sprühbewässerung. Diese kombinierte Wasserabgabe der Pflanzen (Evapotransipration) und zusätzlich der Verdunstung von Wasser von der Bodenfläche senkt die Temperatur von Bewässerungsflächen insgesamt. Insofern benutzen die Wissenschaftler die Pflanzentemperaturen als indirektes Messverfahren zur Bestimmung der Bewässerungsintensität.

saltonsea_tir_2013083_lressaltonsea_oli_2013083_lres LDCM sucht in der Hitze nach Wasser

Oben: Thermalaufnahme mit dem Instrument TIRS

Unten: Echtfarbenaufnahme mit dem Instrument OLI

Es sieht wie das künstlerische Schwarzweißbild einer dramatischen Landschaft aus. Aber das obere Bild erzählt uns eine Geschichte über Temperaturen und gewissermaßen über deren Umweg eine Geschichte über Wasser in einem Ausschnitt der Erdoberfläche. Es ist die Geschichte über Wasser in der südkalifornischen Wüste, aber es geht weniger um den ungewöhnlichen Salton Sea als vielmehr um die im Schachbrettmuster angeordneten Bewässerungsflächen, die sich nördlich und südlich des künstlichen Binnensees erstrecken.

Quelle: NASA

Ball Aerospace & Technologies Corp. baute das Instrument OLI in Boulder (Colo.). Das Goddard Space Flight Center der NASA baute das Instrument TIRS. Orbital Sciences Corporation baute, integrierte und testete das Raumfahrzeug in Gilbert (Ariz.). Der USGS stellte das LDCM Bodensegment bereit. Der Start wurde vom Launch Services Program der NASA im Kennedy Space Center (Fl.) durchgeführt. United Launch Alliance lieferte die Atlas V Startrakete.

Der Start der Nachfolgemission Landsat-9 erfolgte am 27. September 2021.

Weitere Informationen:

Landsat 9

Landsat 9 ist der neueste amerikanische Erdbeobachtungssatellit der Landsat-Reihe. Die NASA war für den Bau, den Start und die Erprobung des Systems verantwortlich, während der United States Geological Survey (USGS) seine Daten verarbeitet, archiviert und verteilt. Ein vergleichbarer Satellit ist der europäische Sentinel-2.

Der Satellit setzt die entscheidende Rolle des Landsat-Programms bei der Überwachung, dem Verständnis und der Bewirtschaftung der Bodenressourcen, die zur Erhaltung des menschlichen Lebens benötigt werden, fort. Die derzeit zunehmenden Veränderungen der globalen Landbedeckung und Landnutzung haben schwerwiegende Folgen für Wetter- und Klimawandel, Funktion und Leistungen des Ökosystems, für Kohlenstoffkreislauf und -sequestrierung, Ressourcenmanagement, die nationale und globale Wirtschaft, die menschliche Gesundheit und Gesellschaft. Landsat ist das einzige US-Satellitensystem, das entwickelt und betrieben wird, um die globale Landoberfläche in einem mittleren Maßstab zu beobachten, der sowohl natürliche als auch vom Menschen verursachte Veränderungen zeigt.

Da die Reduzierung des Risikos für eine Landsat-Datenlücke eine hohe Priorität des US Sustainable Land Imaging Program hat, stellt Landsat 9 einen Nachbau von Landsat 8 dar, so dass er so schnell wie möglich gestartet werden konnte. Der Start erfolgte im September 2021 von der Vandenberg Air Force Base, Kalifornien, mit einer United Launch Alliance Atlas V 401 Rakete. Nach seinem Start schwenkte Landsat 9 in die frühere Umlaufbahn von Landsat 7 ein, der 2022 außer Dienst gestellt wird. Landsat 9 wird die Erde alle 16 Tage in einem 8-tägigen Versatz mit Landsat 8 abbilden. Landsat 9 wird bis zu 750 Szenen pro Tag sammeln, und mit Landsat 8 werden die beiden Satelliten das USGS Landsat-Archiv um fast 1.500 neue Szenen pro Tag erweitern.

Faktenüberblick:

Der Satellit bewegt sich auf einer polaren, sonnensynchronen Erdumlaufbahn. Eine Eigenschaft dieser Umlaufbahn ist, dass der Satellit einen Punkt auf der Erde jeden Tag zur selben Zeit passiert. Deshalb werden solche Erdumlaufbahnen häufig für meteorologische Satelliten und Erdbeobachtungssatelliten genutzt. Die beiden Instrumente (OLI-2; TIRS-2), auf Landsat 9 wie auf Landsat 8, werden den gesamten Schwadstreifen gleichzeitig betrachten und wie ein Schubbesen ("pushbroom") Datenstreifen bilden. Dieses Verfahren benötigt keine beweglichen Teile und gibt den Sensoren eine längere Nutzungszeit. Das Pushbroom-Instrument ist kleiner und leichter als bisherige Whiskbroom-Instrumente, aber seine Kalibrierung ist angesichts der großen Anzahl von Detektoren viel komplexer.

Die Sensoren von Landsat 9

Landsat 9 verfügt über die gleichen Instrumente wie Landsat 8, allerdings mit einigen Verbesserungen:

Wie ein Pushbroom-Instrument ein Bild erzeugt Wie ein Pushbroom-Instrument ein Bild erzeugt

Lineare Detektoranordnungen, wie die in den Landsats 8 und 9, nehmen Bilddaten quer zur Flugrichtung über einen gesamten Bildstreifen hinweg auf einmal auf.

Quelle: NASA

Zeitplan für die Bildgewinnung von Landsat-8 und Landsat-9

Die Satelliten Landsat 8 und Landsat 9 umkreisen die Erde in einer Höhe von 705 Kilometern in einer 185-Kilometer-Schwade und bewegen sich von Norden nach Süden über die sonnenbeschienene Seite der Erde in einer sonnensynchronen Umlaufbahn, die dem Weltreferenzsystem (WRS-2) folgt. Jeder Satellit durchläuft alle 99 Minuten eine komplette Umlaufbahn, absolviert etwa 14 volle Umläufe pro Tag und überquert jeden Punkt der Erde einmal in 16 Tagen.

Die Satellitenumlaufbahnen sind so versetzt, dass sie eine 8-tägige Wiederholung der Abdeckung eines beliebigen Landsat-Szenengebiets auf dem Globus ermöglichen. Zwischen den beiden Satelliten werden dem USGS-Archiv jeden Tag etwa 1.500 Szenen hinzugefügt. Die Daten der neuen Aufnahmen stehen innerhalb von 6 Stunden nach der Erfassung zum Download bereit.

Die Satelliten überqueren den Äquator bei jedem Überflug auf dem absteigenden (Tages-)Knoten von Norden nach Süden zu einer Zeit, die eine maximale Ausleuchtung bei minimaler Wasserdampfbildung (Dunst und Wolkenbildung) ermöglicht. Landsat 8 und Landsat 9 überqueren den Äquator um 10:00 Uhr +/- 15 Minuten (mittlere Ortszeit) auf ihren jeweiligen Umlaufbahnen.

Die Satelliten Landsat 8 und Landsat 9 erfassen die Daten gemäß ihrem jeweiligen Langzeit-Erfassungsplan (LTAP) unter Berücksichtigung von Parametern wie Saisonalität, Landdefinition, früherer Wolkenbedeckung, Verstärkungseinstellungen und Sonnenwinkel.

Landsat 9 hat wie Landsat 8 eine höhere Bildgebungskapazität als frühere Landsats haben, so dass mehr wertvolle Daten in das Archiv weltweiter Landsatdaten aufgenommen werden können. Landsat 8 hatte nach 4,5 Jahren Datenerfassung bereits über eine Million Bilder in das Archiv aufgenommen - das sind 14,8 Prozent der gesamten 45-jährigen Landsat-Datenerfassung - und jeden Tag fügt Landsat 8 ca. 700 weitere Szenen hinzu. Landsat 9 wird wie Landsat 8 sowohl radiometrisch als auch geometrisch besser sein als die Landsats der früheren Generationen.

Was die längerfristige Zukunft von Landsat betrifft, so haben die NASA und der USGS erste Planungen für eine Nachfolgemission von Landsat 9 (genannt "Landsat Next") eingeleitet. Es wurden Entwürfe für die Anforderungen an Landsat Next veröffentlicht, die bis zu 25 Spektralbänder, eine höhere räumliche Auflösung (bis zu 10 m) und verbesserte Wiederbesuchsfrequenzen umfassen.

Weitere Informationen:

Längsüberdeckung

Engl. forward overlap, franz. recouvrement longitudinal; nach DIN 18716 die "relative Überdeckung gleicher Bildinhalte von aufeinanderfolgenden Bildern in Flugrichtung", verbunden mit den Anmerkungen: "Dies entspricht den unterschiedlichen Blickwinkeln bei Zeilenkameras. Angegeben in Prozent (%)."

Landwirtschaft und Fernerkundung

Ausgangssituation

Die moderne Landwirtschaft befindet sich in einem stetigen Spannungsfeld vieler verschiedener Faktoren: eine steigende Lebensmittelproduktion und -produktivität, instabile Lebensmittelpreise, die Wechselwirkung der Nachfrage nach Lebensmitteln, Kraftstoffen und Futtermitteln, ein stetig steigender Bedarf, die zunehmende Anzahl an großen Agrarkonzernen, die Propagierung des ökologischen Landbaus und die zunehmende „Jagd“ nach Agrarland (im Extrem das land grabbing), der Klimawandel, der Schutz der Biodiversität und die Wasserknappheit sind nur einige der Aspekte, die berücksichtigt werden müssen. Für die neue Ära der Landwirtschaft gewinnen neue Technologien wie z.B. der Einsatz von Geoinformationsdaten immer mehr an Bedeutung, um einen sparsamen und gleichzeitig ertragreichen und verantwortungsbewussten Anbau von Nutzpflanzen zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für die großen Agrargebiete der Welt als auch für neue und schnell wachsende Anbauflächen.

Landwirtschaftliche Aktivitäten haben fast schon "definitionsbedingt" einen konkreten Raumbezug. Landwirtschaft wird unmittelbar im Raum wirksam, ist der unmittelbare Formgeber unserer Umwelt. Nicht zuletzt aus der letztgenannten landschaftsökologischen Schlüsselfunktion steigen die Anforderungen an eine zeitgemäße Landwirtschaft, sind neue Wege notwendig, mit diesen Anforderungen Schritt halten zu können. Zusätzlich ist eine weiter zunehmende unternehmerische Ausrichtung der Landwirtschaft notwendig, um ein langfristiges Überleben des jeweiligen Betriebes sicherzustellen.

Die Märkte sind heutzutage zunehmend unbeständig, komplex und verändern sich schneller als jemals zuvor. Hochwertige Agrarinformationen von Geodaten-Anbietern sowie Branchenkenntnisse vor Ort oder über ganze Agrargebiete kommen der gesamten Wertschöpfungskette zugute: den Produzenten, lebensmittelverarbeitenden Unternehmen, Handelshäusern, Rohstoffbörsen, landwirtschaftliche Beraterfirmen, Hedgefonds und Investoren, Finanz- und Investmentdienstleistern für Agrarrohstoffe sowie Rückversicherungsunternehmen, jedoch auch institutionellen Einrichtungen, multilateralen Banken, Ideenschmieden und Nichtregierungsorganisationen. Nicht zuletzt profitieren auch die Agrarforschung und Umweltinstitutionen und -organisationen bei ihrer Arbeit.

Abhängigkeit von Umweltfaktoren

Die Landwirtschaft gilt als Wirtschaftszweig, der dem Einfluss von Umweltfaktoren in besonderem Maße ausgesetzt ist. Zur Stabilisierung von Ergebnis und Qualität der landwirtschaftlichen Produktion muss der Landwirt, die durch ihn beeinflussbaren Umweltfaktoren weitestgehend optimieren. Dazu bedarf es einerseits des lokalen und regionalen Wissens des Landwirtes selbst und andererseits zunehmend Informationen, die über das "einfache" Ableiten empirischer Entscheidungs- und Handlungsrichtlinien hinausgehen. Insbesondere letzterem Aspekt wird mit der Einführung des Teilschlagmanagements (Precision Farming) in die Landwirtschaft Rechnung getragen.

Da aber nur selten flächendeckend aktuelle Daten verfügbar sind, muss entweder auf historische bzw. veraltete Daten zurückgegriffen werden (z.B. Reichsbodenschätzung in Deutschland) oder es stehen keine Daten zur Verfügung. Dieses Problem kann nicht ausschließlich auf Grundlage konventioneller Erhebungsstrategien gelöst werden. Hier ist, neben anderen Informationsquellen, insbesondere die durch GPS ortspräzise Fernerkundung in Kombination mit GIS von besonderer Bedeutung.

Große Teile des weltweiten Agrarsystems stellt hohe Ansprüche an die Fernerkundung hinsichtlich der Datenqualität und -verfügbarkeit. Dabei unterscheiden sich die Anforderungen des öffentlichen Bedarfs und der landwirtschaftlichen Praxis erheblich.

Akteure im Agribusiness benötigen zuverlässige Prognosen der Nutzpflanzenproduktion, um auf den Märkten für Agrarrohstoffe vorausschauend handeln zu können. Zu diesem Zweck kooperieren Dienstleister aus unterschiedlichen Sektoren, um geeignete Datenprodukte bereit zu stellen.

Wichtige fernerkundungsbasierte Produkte für die Landwirtschaft
Agrarmeteorologische Parameter (z.B. Boden- und Lufttemperatur)
Bodenparameter (z.B. Bodenheterogenität, Bodenerosionsgefährdung)
Vegetationsparameter (z.B. Blattflächenindex, Interzeptionsspeicher, Vegetationsentwicklung, Ernährungszustand)
Vorhersage von Schädlingsbefall und Schadenserhebung (z.B. Heuschrecken)
Technologische Informationen (z.B. Bearbeitungsoptimierung)
Analyse der allgemeinen Wachstumsbedingungen und Bepflanzungsmuster der weltweiten Agrarräume

Während das erste Luftbild überhaupt bereits 1858 von einem Ballon aus gemacht wurde, scheint der erste belegte Einsatz von Fernerkundung in der Landwirtschaft aus dem Jahr 1927 zu stammen, als in den USA Luftbilder benutzt wurden, um gesunde Baumwollpflanzen von Pflanzen zu unterscheiden, die an Wurzelfäule eingegangen waren. Die Auswertung von Satellitenbildern im Hinblick auf Kulturpflanzen begann 1978 mit Landsat-Aufnahmen. Inzwischen ist der Einsatz von Satelliten- und Luftbildern durch Regierungen und durch die Agrarindustrie i.w.S. zur Vorhersage von Ernteergebnissen, zur Schadensabschätzung durch Naturkatastrophen und für andere Informationen über das Wachstum von Nutzpflanzen verbreitete Praxis. Allerdings gibt es noch zu wenige Studien, die den Nutzen des Einsatzes von Fernerkundung auf Betriebsebene belegen.

Die für die Landwirtschaft bereitgestellten Informationsprodukte aus der Fernerkundung, bedarfsgerecht aufbereitet auf Schlagebene müssen zudem unter Hinzuziehung von Zusatzinformationen und Modellen zu komplexen Entscheidungsgrundlagen zusammengefasst werden. Dazu bedarf es der Ableitung geeigneter Parameter und deren hochgenaue räumliche Zuordnung. Während der Vegetationsperiode muss eine zeitliche Verfügbarkeit der Information im Bereich von 3 Tagen gewährleistet werden.

Im folgenden Bildbeispiel aus dem Jahr 2012 ist die Relevanz von Fernerkundung für die niederschlagsabhängige Landwirtschaft nachvollziehbar. In den ersten Monaten des Jahres 2012 hatte sich der europaweite Trend von unterdurchschnittlichem Niederschlag fortgesetzt. Die SMOS-Wassermission der ESA enthüllte die negativen Konsequenzen dieser Periode 'guten' Wetters.

Die Wasserversorger insbesondere in Spanien, Frankreich, Deutschland und im UK verfolgten 2012 den Niederschlagsmangel mit Sorge. Sie sahen die Ernten bedroht verbunden mit der Gefahr erhöhter Nahrungsmittelpreise. Gleichzeitig wurde eine Trinkwasser- oder Brauchwasserknappheit für die Industrie befürchtet. Die Binnenschifffahrt war durch geringe Pegelstände (Rhein, Elbe) bedroht mit entsprechenden Auswirkungen auf die Industrie. In Bayern brachen im Herbst 2011 trockenheitsbedingte Waldbrände aus.

In wissenschaftlicher Sicht sind die SMOS-Informationen besonders für ein besseres Verständnis des Wasserkreislaufs und der Austauschprozesse zwischen der Erdoberfläche und der Atmosphäre von Bedeutung. Die SMOS-Messungen haben eine räumliche Auflösung von 50 km, wobei für manche Anwendungen eine höhere Auflösung wünschenswert wäre. Durch die Kombination von SMOS-Daten mit hoch aufgelösten Daten zu Vegetation und Landoberflächentemperatur können Bodenfeuchte-Karten mit einer Auflösung von 1 km erzeugt werden. Die Informationen können einen wichtigen Beitrag für Entscheidungen in der landwirtschaftlichen Planung leisten.
Kombiniert man die Bodenfeuchtedaten mit anderen, aus Satellitendaten abgeleiteten Informationen, wie Vorhersagen von Lufttemperatur und Windstärke, können Gebiete mit einem erhöhten Feuerrisiko ausgemacht werden.

SoilMoisture_2011-2012_Animation_lres Europas trockene Böden vom Weltraum aus gesehen

SMOS registriert die von der Erde emittierte Mikrowellenstrahlung um die Menge der in den oberen 5 cm des Bodens vorhandenen Feuchtigkeit zu berechnen. Die SMOS-Daten der Grafik links zeigen der Unterschied der Bodenfeuchte zwischen Februar 2011 und 2012 in Europa. Ein geringer Bodenwassergehalt ist besonders deutlich in Spanien, Frankreich und im Vereinigten Königreich.

Quelle: ESA

Die folgende Aufnahme belegt die Bedeutung von Fremdlingsflüssen für die Landwirtschaft in ariden Gebieten. Obwohl er nur einen Bruchteil der Wassermengen führt, die den Amazonas, den Kongo oder den Niger hinabfließen, ist der Nil der längste Fluss der Welt (6.852 km). Seine beiden wichtigsten Quellflüsse, der Weiße Nil (links) und der Blaue Nil (rechts), treffen in Khartum (Sudan) zusammen, einer regenarmen Stadt mit nahezu 2 Mio. Einwohnern zusammen. Die Region ist völlig vom Nilwasser für Bewässerungszwecke abhängig. Gut bewässerte Feldfrüchte ziehen sich an den Ufern entlang, und ein Flickenteppich aus Feldern, einschließlich solchen mit Karusselbewässerung finden sich in den Außenbezirken der Stadt.

Während die Menschen stromaufwärts überwiegend tropischen Regenfeldbau betreiben, sind die Menschen in Sudan und Ägypten auf Bewässerungsfeldbau durch Wasserentnahme aus dem Nil angewiesen. Dies sind ca. 120 Mio. Menschen.

Der Sensor Advanced Land Imager (ALI) auf dem NASA-Satelliten EO-1 nahm dieses Bild in naturnahen Farben am 26.4.2013 auf. Zu dieser Zeit nähert sich hier das Ende der Trockenzeit. Verglichen mit dem Weißen Nil ist der Blaue Nil zu dieser Zeit schmal, und seine saisonal stark schwankenden Wassermassen befinden sich auf dem jährlichen Tiefstand. Ausgeprägte Trockenzeiten und Dürren können den Blauen Nil zeitweise vollkommen austrocknen.

khartoum_ali_2013116_lres Two Niles Meet

Die unterschiedlichen Farben erhalten die beiden Quellflüsse von den verschiedenen Sedimenten, die sie mitführen. Von seiner Herkunft aus einer äquatorialen Seenregion führt der Weiße Nil leichte graue Sedimente mit. Beim mäandrierenden Durchqueren flacher Gebiete verliert der Weiße Nil über die Hälfte seines Wassers durch Verdunstung aber auch Teile seiner Sedimentfracht.
Der kürzere, insgesamt deutlich wasser- und sedimentreichere Blaue Nil entspringt in den Hochländern von Äthiopien und Eritrea, von wo er seine dunklen Sedimente nach Khartoum transportiert. Er wird von starken Monsunniederschlägen gespeist und er kann bei besonders starken Niederschlägen gegenüber dem Weißen Nil so mächtig sein, dass er beim Zusammenfluss stromauf in dessen Flussbett eindringt.

References:

Landwirtschaftliches Umweltmonitoring

Die neuen europäischen Satelliten Sentinel-1 und Sentinel-2 bieten neue Möglichkeiten für die landwirtschaftliche Umweltbeobachtung. Zeitliche Verläufe wie zum Beispiel die phänologischen Entwicklungen, Aussaat- und Erntetermine können schlaggenau bestimmt werden. Diese Informationen lassen sich mit Witterungsdaten kombinieren und erlauben die schnelle Interpretation und Dokumentation von Anomalien und Schäden, die zum Beispiel durch extreme Witterungserscheinungen (z.B. Kahlfrost, Überschwemmungen, Verzögerungen bei der Ernte, etc.) hervorgerufen werden.

Zumindest in vielen Industrieländern ist Landwirtschaft nicht mehr auf ihre Funktion als Produzent landwirtschaftlicher Erzeugnisse reduziert. Vielmehr ist der heutige Zustand der Landschaft insgesamt ganz wesentlich das Ergebnis landwirtschaftlicher Bewirtschaftung durch den Menschen. Da der überwiegende Teil der Kulturlandschaft landwirtschaftlich genutzt wird, tragen die Landwirte in hohem Maße Verantwortung für das Landschaftsbild. Sie beeinflussen infolge ihrer flächenhaften Bewirtschaftung ganz wesentlich die Lebensräume vieler wildlebender Tier- und Pflanzenarten. Insofern hat die Landwirtschaft auch immer eine landschaftspflegende Funktion. Dieser Gesichtpunkt gewinnt aber zunehmend im Rahmen von nationalen und internationalen Richtlinien (z.B. EU-Wasserrahmenrichtlinie) an Bedeutung.

Ein prägnantes Beispiel für die Umgestaltung einer Kulturlandschaft durch intensivste Agrarnutzung bietet die folgende Aufnahme des Copernicus-Satelliten Sentinel-2 aus der Poniente Almeriense in Südspanien.

Almeria Das Plastikmeer in der Poniente Almeriense

In den 1970er Jahren war das Gebiet Poniente Almeriense in der Provinz Almería noch ein kleines, ländliches Gebiet in Südspanien. In 40 Jahren wurde eine Fläche von rund 20.000 Hektar in ein riesiges Gewächshaus aus Plastikmaterialien verwandelt, in dem Millionen Tonnen Gemüse für den Export nach Europa und in die übrige Welt produziert wurden.

Die Anzahl und das Volumen der Gewächshäuser sind so hoch, dass sie vom Weltraum aus gut sichtbar sind, was dem Gebiet den Beinamen "Mar de plástico" eingebracht hat.

Dieses Bild, das von einem der Copernicus-Satelliten Sentinel-2 am 27. Juni 2020 aufgenommen wurde, zeigt das Plastikmeer, das El Ejido, eine kleine Stadt im Südosten Almerías, umgibt.

Mit ihren 13 Spektralbändern können die Satelliten Sentinel-2 Bilder mit Wellenlängen sowohl aus dem sichtbaren als auch aus dem thermischen Infrarotspektrum (das für das menschliche Auge nicht sichtbar ist) mit einer hohen räumlichen Auflösung von 10 bis 60 Metern aufnehmen. Dank dieser Fähigkeiten eignen sich die Copernicus-Satelliten Sentinel-2 für die Kartierung und Überwachung der sich ständig verändernden Oberfläche unseres Planeten.

Quelle: EU Copernicus Sentinel-2 imagery 

Agraradministrative Nutzung von Fernerkundung

Die AGENDA 2000 ist die bisher weitreichendste Reform der Agrarpolitik in der EU. Sie verfolgt eine stärkere Markt- und Umweltorientierung der Landwirtschaft, um gleichzeitig eine strengere gesamtwirtschaftliche Haushaltsdisziplin durchzusetzen. Damit wird einer regional orientierten und bedarfsgerechten Information und Beratung der Landwirtschaft in absehbarer Zeit eine entscheidende Rolle beigemessen.

Zur Durchsetzung dieses Konzeptes ist ein flächendeckendes Monitoring zur Zustandserfassung und Vorhersage von Nutzungskonkurrenz zwischen Naturschutz sowie Landwirtschaft erforderlich. Eine derartige Optimierung würde zu einer modellgeführten Entscheidungshilfe für die Land- und Forstwirtschaft sowie den Natur- und Landschaftsschutz führen. Die ökologische und ökonomische Optimierung der Landwirtschaft ist eine Antwort auf die zunehmende Strukturverarmung, die offensichtliche Bevölkerungsabwanderung und den zu verzeichnenden Verlust an regionaler Identität und Attraktivität des ländlichen Raumes. Bei der Beschaffung der erforderlichen Datengrundlagen für die Entwicklung einer ressourcen- und umweltschonenden sowie den Bedürfnissen des Endverbrauchers modifizierten Landwirtschaft kann die Fernerkundung einen wesentlichen Beitrag leisten.

Die Einführung eines Integrierten Verwaltungs- und Kontrollsystems (InVeKoS) wurde bereits im Zuge der Reform der Gemeinsamen Agrarpolitik (GAP) im Jahre 1992 beschlossen. InVeKoS ist ein wesentliches Kontrollinstrument für die Agrarausgaben der EU.
Das später eingefügte, und seit 2005 gültige Reformelement Cross Compliance verknüpft die volle Gewährung von Direktzahlungen an die Einhaltung bestimmter Vorschriften. Das zielt insbesondere auf die Einhaltung von insgesamt 19 EG-Verordnungen bzw. -Richtlinien (Grundwasserschutz, Nitrat, Klärschlamm, Düngemittelrecht, FFH, Vogelschutz usw.) sowie auf Vorschriften zur Erhaltung von Flächen in einem guten landwirtschaftlichen und ökologischen Zustand. Letzteres betrifft konkret Regelungen zur Erosionsminderung und zur Mindestinstandhaltung von Flächen. Bei Nichteinhaltung der Regelungen werden die Zuwendungen entsprechend der Schwere der Zuwiderhandlung gekürzt. Die begleitende Maßnahme MARS (Monitoring Agriculture with Remote Sensing techniques) konzentriert sich auf die Umsetzung und Kontrolle von flächenbasierten Beihilfen für die Landwirte mit besonderem Schwerpunkt auf der effizienten Nutzung von Geomatiktechniken (Luft- oder Satellitenorthobilder, GIS, GPS). Im Rahmen von MARS werden auch regelmäßig Bulletins zu Erntevorhersagen veröffentlicht (Bspl. Mars Bulletin Vol. 20 No. 06 Crop Monitoring in Europe - 25 June 2012).

mars

MARS

Bei der Überwachung der landwirtschaftlichen Ressourcen durch den Monitoring-Dienst der EU-Kommission MARS wird eine Reihe von Datenquellen genutzt, darunter meteorologische Daten und Vorhersagen, vorhandene Karten und Statistiken, Positionsinformationen und Fernerkundungsdaten (von Satelliten und Luftfahrzeugen). Im Rahmen der letzteren hat die Arbeit zur Überwachung landwirtschaftlicher Ressourcen erfolgreich operationelle Techniken im Zusammenhang mit der Erdbeobachtung entwickelt.

Die Überwachungsaktivitäten stützen sich auf Fachwissen in den Bereichen Erntevorhersagen, Agrarmeteorologie, Stichprobenverfahren, georäumliche Umweltanalyse, Ökonometrie und Nutzung europäischer und globaler Dateninfrastrukturen.

Quelle: European Commission - JRC

Die Monitoring Agricultural ResourceS (MARS) Unit wurde am 15. Juli 2007 gegründet. Unter Beibehaltung des Akronyms und mit zusätzlichen Aufgaben und Technologien versehen geht die Arbeitsgruppe aber auf eine 20 Jahre ältere Einheit zurück: Im Jahr 1988 begann das Projekt Monitoring of Agriculture with Remote Sensing (MARS) und war ursprünglich dazu vorgesehen, die aufkommende Raumfahrttechnologie zu nutzen, um unabhängige und zeitnahe Informationen über Ackerflächen und Erträge zu liefern.

Aufgrund von Nutzeranforderungen hat die Arbeitsgruppe seit 1993 zu einer effektiveren und effizienteren Umsetzung der Gemeinsamen Agrarpolitik durch die Bereitstellung einer größeren Vielfalt an technischer Unterstützung für die Generaldirektion Landwirtschaft und ländliche Entwicklung und die Verwaltung in den Mitgliedstaaten beigetragen.
Seit dem Jahr 2000 wird die Expertise bzgl. Nutzpflanzenerträgen auch außerhalb der EU angewandt. Es wurden Dienste entwickelt, um die Hilfs- und Unterstützungspolitik der EU zu unterstützen und die Fähigkeit der Europäer zum weltweiten Landwirtschafts-Monitoring sowie zur Beurteilung der Nahrungsmittel-Sicherheit aufzubauen.
Die EU-Mitgliedstaaten müssen Subventionen, die den Bauern bezahlt werden, kontrollieren, um Unregelmäßigkeiten (zu hohe Anträge oder doppelt gestellte Anträge) zu verhindern. Die Mitgliedstaaten müssen auch sicherstellen, dass die Landwirte bestimmten Standards bezüglich öffentlicher und Pflanzen- und Tiergesundheit, dem Wohlergehen der Tiere und bzgl. der Umwelt entsprechen, und dass sie ihr Land nach guter landwirtschaftlicher Praxis und umweltgerecht bewirtschaften (sog. cross compliance). Daher müssen die Mitgliedstaaten ein System zur Verfügung haben, um die eindeutige Identifikation ihrer Landwirte und aller ihrer Parzellen (Land Parcel Identification System, LPIS) sowie ihrer Tiere sicherzustellen.
Die Kontrolle der Rechtmäßigkeit von Subventionszahlungen wird mit Überprüfungen durch die Agrarverwaltung durchgeführt, und Vor-Ort-Kontrollen werden bei mindestens 5 % der gesamten Anzahl der Landwirte durchgeführt, die Direktzahlungen beanspruchen.

Bisher spielen Luftbilder bei der Erfassung der Flächennutzung eine große Rolle, zukünftig werden die Sentinel-2 Satelliten eine wichtige Ergänzung darstellen, besonders wegen der hohen Wiederholraten. Mit der ab 2014 gültigen Reform der GAP entstand ein neuer Bedarf an Flächeninformationen über Zwischenfruchtanbau, Grünlanderhalt und ökologische Vorrangflächen, die nur mit zeitlich hochauflösenden Satellitensystemen gewonnen werden können. Die Copernicus Satelliten werden hier wertvolle Dienste leisten können.

Durch die Einführung einer Ökologisierungskomponente in die GAP (sog. Greening) sollen Landwirte zukünftig 5 % ihrer Flächen als ökologische Vorrangfläche ausweisen, um die volle landwirtschaftliche Förderung zu erhalten. Die Satelliten des Copernicus Programms können die Auswahl geeigneter Flächen unterstützen; sinnvollerweise wird man Standorte mit geringem Ertragspotenzial aus der Produktion nehmen. Durch die Kombination von Zusatzdaten (Geländemodellen und Bodendaten) können geeignete Vorrangflächen identifiziert und den Landwirten vorgeschlagen werden.

Über den Einsatz von Fernerkundung innerhalb einer deutschen Landwirtschaftsverwaltung (Bspl. Baden-Württemberg) gibt der folgende Link Auskunft (pers. Mitteilung).

Fernerkundung im Rahmen der Cross Compliance
Einsatz von Fernerkung möglich bei:
  • "Erhaltung landwirtschaftlicher Flächen in einem guten ökologischen Zustand"
  • Erosionsschutz
  • Einhaltung von Anbauverhältnissen
  • Instandhaltung von aus der Produktion genommenen Flächen
  • Erhalt von Landschaftselementen
Einsatz von Fernerkundung nicht möglich bei:
  • Futtermittelkontrollen
  • Tierschutz
  • Verwendung von Hormonen zur Behandlung von Tieren
  • Lebensmittelsicherheit
  • Tierseuchen
  • Nitratrichtlinie

Bilderkundung mittels modernster Satellitentechnik oder von Flugzeugen aus sind zwei Techniken, die in der Landwirtschaft auch im Produktionsprozess selbst seit Längerem Einzug gehalten haben. Mit diesen Methoden können z.B. Daten gewonnen werden, um jede Teilfläche innerhalb eines Feldes mit genau der Menge an Nährstoffen zu versorgen, die nötig ist (Precision Farming). Allerdings sind Systeme der Fernerkundung per Satellit und Flugzeug in der Praxis hauptsächlich dazu geeignet, großflächig Daten zu erheben. In der Erprobung für den kleinräumigeren Einsatz sind kleine kostengünstige Drohnen, z.B. Quadrokopter, die zeitnah die benötigten Daten erheben können.

Landwirtschaft und Entwaldung

Der globale Handel mit Agrarrohstoffen versorgt die Verbraucher in aller Welt mit Nahrungsmitteln, Brennstoffen und Fasern. Die Rohstoffproduktion ist jedoch auch mit negativen Auswirkungen auf die Umwelt verbunden, darunter der Verlust und die Verschlechterung von Waldflächen.

Etwa 90 % der weltweiten Entwaldung ist auf die Ausweitung der Landwirtschaft zurückzuführen - ein Phänomen, das seine Wurzeln in der weltweiten Nachfrage nach Produkten wie Palmöl, Soja und Rindfleisch hat. Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie Satelliten zur Kartierung und Überwachung von Veränderungen der Waldbedeckung eingesetzt werden können, um die Umsetzung wirksamer Verpflichtungen zur Vermeidung von Entwaldung zu unterstützen.

In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht wurde, hat ein Team von Wissenschaftlern aus Europa und den USA detaillierte Frachtdaten von Trase mit Unternehmensangaben, Produktionsdaten auf Betriebsebene und Fernerkundungsdaten kombiniert, um besser zu verstehen, wie Rohstoffhändler Produkte vor Ort beschaffen und wie sich dies auf die Umsetzung von Verpflichtungen der Unternehmen zur Vermeidung von Abholzung auswirkt.

Sie konzentrierten sich auf Rohstoffhandelsunternehmen, die die wichtigsten 60 % der Exporte von vier Schwerpunktrohstoffen abwickeln: Soja aus Südamerika, Kakao von der Elfenbeinküste, Palmöl aus Indonesien und Lebendviehexporte aus Brasilien.

Die Ergebnisse, die diesen Artikel stützen, stammen zum Teil aus einer kürzlich in Science Direct veröffentlichten Studie, in der die Autoren anhand von Satellitendaten des Copernicus-Programms Kakaoplantagen sowohl in der Elfenbeinküste als auch in Ghana identifizierten. Das Team war in der Lage, Kakaoplantagen dank der Radardaten von Sentinel-1 in Kombination mit den optischen Bildern von Sentinel-2 in einer Big-Data-Cloud-Computing-Umgebung zu erkennen.

Dort wurde berichtet, dass die Kakaoplantagen größtenteils in geschützte Gebiete eindringen, wobei 20 % der erfassten Kakaoplantagen in geschützten Gebieten liegen.

Der Taï National Park in der Elfenbeinküste umgeben von Plantagen Der Taï National Park in der Elfenbeinküste umgeben von Plantagen (Sentinel-2)

Der Taï-Nationalpark ist ein Nationalpark in der Elfenbeinküste, der eines der letzten Gebiete mit Primärregenwald in Westafrika umfasst. In den letzten Jahren hat der Kakaoanbau in der Elfenbeinküste und in Ghana - den größten Kakaoproduzenten der Welt - zum Verlust großer Waldflächen geführt.
Link zu hoher Auflösung

Quelle: ESA (2022)

Das folgende Bild dokumentiert die dramatischen Folgen exportorientierter Landwirtschaft auf Borneo. Kalimantan besaß einst eine üppige tropische Landschaft mit einigen der weltweit begehrtesten Holzarten. In den letzten Jahren verursachten verstärkter Holzeinschlag und expandierende Landwirtschaft eine rasche Veränderung des Landschaftsbildes.
Die tropischen Regenwälder werden immer weiter abgeholzt und durch Palmölplantagen ersetzt, eine Reaktion auf die steigende Nachfrage nach Bio-Treibstoffen und Rohstoffen für die Nahrungsmittel- und die Chemieindustrie (Brot, Eiscreme, Schokolade; Seife, Plastik, Kosmetik). Da Palmöl einen immer höheren Profit verspricht, werden noch mehr Waldflächen gerodet. Ob die Holzgewinnung - sie hat sich von den Küsten weg zum Bergland hin verlagert - oder die landwirtschaftliche Nutzung im Vordergrund steht, die Waldvernichtung vollzieht sich mit zunehmender Geschwindigkeit. In SO-Asien haben im Zeitraum 2000-2009 die Flächen mit Palmölplantagen von 4,2 Mio. ha auf 7,1 Mio ha zugenommen. Durch die Regenwaldvernichtung entsteht eine Dekaden bis Jahrhunderte andauernde negative Kohlenstoffbilanz, die einem der vorrangigsten Gründe für den Einsatz von Biotreibstoffen widerspricht. Sie beeinträchtigt auch wichtige Funktionen des Ökosystems, die durch die Plantagen nicht ersetzt werden können.

kalimantan_etm_2000198 Borneo: Treasure Island at Risk

In naturnaher Farbwiedergabe zeigt das Bild eine Region im S von Kalimantan, aufgenommen am 16. 7. 2000 vom Sensor ETM+ auf dem Satelliten Landsat 7. Hellgrüne Flächen mit hellbraunen Gitterlinien zeigen Teile des Regenwaldes, die für Palmölplantagen und für Straßen gerodet wurden. In den dunkelgrünen Flächen ist der Regenwald noch erhalten.
Wenn Bäume geschlagen werden, kann Erosion zu einem Problem werden. Das tropische Klima Südostasiens bringt für Kalimantan den saisonalen Wechsel von Monsunniederschlägen und Trockenzeiten. Während der Trockenzeiten ist die obere Bodenschicht, die ursprünglich von einem Baumkronendach geschützt war, der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt. Der Boden trocknet aus, Sedimente an der Oberfläche werden staubig ohne Verbindung zum Unterboden. Am Beginn der Regenzeit spült der Monsunregen die lockeren Bodenteilchen in die Javasee.

Im Bild sind die Flüsse als rötliche Linienstrukturen zu erkennen, ein Ergebnis der Wasserfracht aus Sediment und Boden. Wenn die Sedimente das Meer erreicht haben, machen sie durch ihre unterschiedliche Dichte und Bewegung die Wellen und Wirbel der Küstengewässer sichtbar. Dieser Sediment- und Bodenverlust ist nachteilig für die Palmölplantagen. Viele der für ein gesundes Pflanzenwachstum nötigen Nährstoffe werden ins Meer verfrachtet und lassen einen verarmten Boden zurück.

Quelle: NASA (2012)

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langwellige Strahlung

Die Strahlung, deren Wellenlängen größer als 0,4 Mikrometer sind, was der Strahlung entspricht, die von der Erde und der Atmosphäre ausgesandt wird.

langwelliges Infrarot (LWIR)

Engl. long wavelength IR (LWIR); langwelliges Infrarot (LWIR oder auch IR-C nach DIN umfasst den Bereich von 8 – 15 µm.

Es ist der "Wärmebild"-Bereich, in dem Sensoren ein völlig passives Bild von Objekten erhalten können, deren Temperatur nur geringfügig höher ist als die Raumtemperatur - zum Beispiel der menschliche Körper -, und zwar nur auf der Grundlage von Wärmeemissionen und ohne Beleuchtung wie Sonne, Mond oder Infrarotstrahler. Dieser Bereich wird auch als thermisches Infrarot (engl. thermal IR) bezeichnet.

Die Begriffe sind im Bereich des Infrarot nicht immer so eindeutig wie für den sichtbaren Bereich definiert und werden teils durch die Anwendungen oder spezielle physikalische Phänomene bestimmt, weshalb es mehrere unterschiedliche Bezeichnungen gibt.

LANIS-Bund

Akronym für Landschafts- und Naturschutzinformationssystem des Bundesamtes für Naturschutz (BfN). Es ist auf den Bedarf von Landschaftspflege und Naturschutz im Bundesamt abgestimmt. Es wurde von der damaligen Bundesforschungsanstalt für Naturschutz und Landschaftsökologie (BFANL) zwischen 1974 und 1980 konzipiert und wird durch das heutige Bundesamt für Naturschutz (BfN) für die interne Nutzung betrieben.

Die wesentlichen Komponenten bilden ein Metainformationssystem zum Auffinden von LANIS-Bund-Objekten, das Recherchen nach Fach-, Raum- und Zeitbezug ermöglicht sowie XML-Schnittstellen zu den Datenbanken und Fachinformationssystemen innerhalb des BfN. Die Metadatenkomponente beruht in weiten Teilen auf dem Prinzip des öffentlichen Umweltdatenkataloges. LANIS-Bund ermöglicht so eine übergreifende Recherche in zahlreichen Informationsbeständen des BfN.

Als Fachbezug wird der Allgemeine Umweltthesaurus des Umweltbundesamtes sowie weitere naturschutzspezifische Mikrothesauri genutzt. Der Fachbezug ermöglicht die Recherche in einem definierten Wortgut, das hierarchisch aufgebaut ist und damit auch Recherchen nach übergeordneten, nachgeordneten oder ähnlichen Begriffen realisiert. Hintergrund des Raumbezuges sind sowohl geotopographische Basisinformationen als auch fachspezifische Schutzgebietsinformationen wie Nationalparke, Naturschutzgebiete oder Landschaftsschutzgebiete. Der Raumbezug stellt deren räumliche Beziehungen dar.

Über XML-Schnittstellen werden weitere Datenbanken des BfN dynamisch abgefragt. Derzeit sind eine Schmetterlingsdatenbank, eine Kartendokumentation und prototypisch ein digitales Bildarchiv eingebunden. Die Rechercheergebnisse werden diensteorientiert, geographische Informationen beispielsweise in einem Mapping Service, dargestellt. LANIS-Bund erfüllt den Informationsbedarf der Mitarbeiter des BfN nach Naturschutzinformationen zur Erfüllung der Amtsaufgaben und wird dauerhaft gepflegt und weiterentwickelt.

LAPAN

Indon. Akronym für Lembaga Penerbangan Dan Antariksa Nasional; staatliche Raumfahrtagentur. Sie ist zuständig für alle staatlichen indonesischen Forschungs- und Entwicklungsprojekte im Bereich Luft- und Raumfahrt.

Weitere Informationen:

Laser

Engl. Akronym für light amplification by stimulated emission of radiation, also Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsfreisetzung; im Bereich der Fernerkundung ein aktives Instrument. Laserlicht kann im Spektralbereich zwischen Infrarot- und Ultraviolettstrahlung erzeugt werden und ist monochromatisch (eine Spektrallinie) sowie kohärent – ein Lichtstrahlenbündel ist kohärent, wenn sich alle seine Wellen bzw. Photonen phasengleich ausbreiten. Dies ist der Grund, weshalb sich Laserlicht mit extrem hoher Intensität, äußerst geringer Strahlaufspaltung und hoher Farbreinheit (Frequenzschärfe) erzeugen lässt.

Laserbathymetrie

Engl. airborne laser bathymetry (ALB); Bezeichnung für die Messung von Tiefen in Flachwasserbereichen mittels eines gepulsten, scannenden Lasers. Die Eigenschaft, Wasser zu durchdringen, ist für Wellenlängen im grünen und blauen Spektrum des sichtbaren Lichts gegeben. ALB wird heute zur Vermessung und zum Monitoring von Küstenbereichen, Hafenanlagen und Schifffahrtsrinnen eingesetzt.

Laserentfernungsmessung

Engl. laser ranging; hochpräzise Methode zur Bestimmung des Abstands Erde-Mond (Lunar Laser Ranging, LLR) sowie zur Entfernungsmessung zu Satelliten Satellite Laser Ranging, SLR) und zur Positionsbestimmung von Satelliten (Satellitengeodäsie) nach dem Puls-Echo-Verfahren (also mit einer Laufzeitmessung) von einer Bodenstation aus.

Laserdistanzmessungen können nur zu Satelliten durchgeführt werden, die mit geeigneten Laserreflektoren ausgerüstet sind. Die Reflektoren haben die Aufgabe, das Licht in dieselbe Richtung zurückzustrahlen, aus der es einfällt. Solche Reflektoren werden auch Retroreflektoren genannt. Da es sich bei Retroreflektoren um passive Systeme handelt, die sich verhältnismäßig einfach als zusätzliche Komponenten an Satelliten installieren lassen, sind heute eine größere Zahl von Raumflugkörpern damit ausgestattet. Bei den meisten so ausgestatteten Satelliten geht es darum, mit Hilfe von Laserdistanzmessungen genaue Bahninformationen für die eigentlichen Satellitenmissionen zu erhalten. Da diese Satelliten jedoch weitere Aufgaben erfüllen, können die Reflektoren nicht konzentrisch zum Massenzentrum angeordnet werden. Deshalb muss eine eindeutige Beziehung zwischen dem jeweils angemessenen Reflektor und dem Satellitenzentrum aufgestellt werden. Eine Liste der Satellitenmissionen, die sich des Laser Rangings bedienen wird vom International Laser Ranging Service vorgehalten.

Neben den Fernerkundungs- oder Navigationssatelliten, die mit Retroreflektoren ausgestattet sind, gibt es spezielle Lasersatelliten (z.B. LAGEOS, Starlette), bei denen das Laser Ranging im Vordergrund steht. Dafür muss die Satellitenbahn sehr stabil sein. Daher baut man Lasersatelliten mit einem Kern aus Schwermetall, so dass bereits ein fußballgroßer Satellit wie Starlette fast 50 kg wiegt. Er erleidet dadurch nur geringe Bahnstörungen durch nicht-gravitative Kräfte (Hochatmosphäre, Lichtdruck, Sonnenwind etc.), und die Bahn kann genauestens bestimmt werden – zum Beispiel für Satellitentriangulation oder zur Berechnung des Erdschwerefeldes.

Beim Satellite Laser Ranging generiert ein Impulslaser eine Folge pikosekundenlanger Laserpulse, die über ein optisches Teleskop auf einen Satelliten gerichtet sind. Das Teleskop wird dem Satelliten nachgeführt. Der Satellit, ausgestattet mit Retroreflektoren, leitet die Laserpulse wieder zurück zur Bodenstation. Hier werden sie vom Teleskop wieder empfangen und auf einen Detektor geleitet. Die Entfernung berechnet sich aus der Laufzeit, multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit. Ein Laufzeitmesssystem erfasst die Laufzeitdifferenz zwischen den ausgesendeten und empfangenen Laserpulsen. Die Messgenauigkeit ist abhängig von der Länge des Laserpulses, dem Detektor und dem Laufzeitmeßsystem. Der Einfluß der Atmosphäre (troposphärische Refraktion) wird modellmäßig berücksichtigt. Neuere Laserentfernungsmeßsysteme nutzen heute zur Bestimmung des atmosphärischen Einflusses simultane Messungen auf zwei unterschiedlichen Wellenlängen. Die Laufzeitdifferenz der in der Wellenlänge unterschiedlichen Impulse, die synchron ausgesendet werden, wird mit Streakkameras gemessen. Weltweit gibt es etwa 40 Laserentfernungsmeßsysteme. Die internationale Zusammenarbeit wird im Rahmen des International Laser Ranging Service (ILRS) koordiniert.

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Laserentfernungsmessungen zu Satelliten und zum Mond

Man sendet einen kurzen Laserpuls durch ein Teleskop zu einem Satelliten oder zum Mond. Dort wird das Licht über Reflektoren (Tripelprismen) wieder in das Teleskop zurück geleitet, wo der Puls detektiert wird.

Am Ausgangspunkt startet der ausgehende Laserpuls eine Stoppuhr, das zurückkehrende Licht löst einen Stopppuls aus. Die gemessene Zeit ist die Laufzeit des Lichtpulses. Diese Laufzeit mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert ergibt eine Strecke, die der doppelten Entfernung vom Messsystem zum Satelliten entspricht. Da das Licht durch die Atmosphäre läuft, sind noch Korrekturen anzubringen, die die Refraktion des Lichtes berücksichtigen. Das Verfahren ist den allgemein bekannten Radarverfahren vergleichbar und ist auf den ersten Blick einfach.

Quelle: Geodätisches Observatorium Wettzell

Satellite Laser Ranging dient einerseits zur genauen Bahnbestimmung der Umlaufbahn von geodätischen Satelliten, andererseits zur Punktbestimmung in der Erdmessung und Geodynamik. Daraus können Veränderungen des Erdkörpers und der Erdrotation abgeleitet werden – zusammen mit anderen Verfahren der Höheren Geodäsie.
Laserentfernungsmeßsysteme erlauben es heute, Entfernungen bis zu geostationären Satelliten mit Zentimetergenauigkeit zu messen. Laserentfernungsmessungen zum Mond (LLR), beruhen auf Laufzeitmessungen von Laserpulsen zu den Reflektoren auf der Mondoberfläche, die von den bemannten Raumfahrtmissionen der Amerikaner zum Mond (Apollo-Missionen 11, 14 und 15) sowie von der sowjetischen automatischen Mondmissionen Lunar 17 und 21 ausgesetzt wurden. Nur sehr leistungsfähige Laserentfernungsmeßsysteme sind in der Lage, die Entfernung zum Mond zu messen.
Die erreichbare Genauigkeit der Zeitmessung (unter 10-10 s) erlaubt eine Genauigkeit der Entfernungsmessung von unter einem Zentimeter und soll bis auf wenige Millimeter verbessert werden. Zur Auswertung der Daten und der Berechnung der Mondbahn, d.h. der Positionsbestimmung zu beliebigen Zeitpunkten, müssen die Allgemeine Relativitätstheorie verwendet und alle grösseren Körper des Sonnensystems einbezogen werden. Auch die Auswirkungen der Gravitation der Sonne auf die Lichtausbreitung (Laufzeitverlängerung, Strahlkrümmung) ebenso wie die Kontinentaldrift und die Gezeitenverformung der Erde sind bei diesen Genauigkeiten zu berücksichtigen.

Weitere Informationen:

Laserscanner

Syn. Laserabtaster; franz. scanneur à laser; flächenhaft abtastende, häufig flugzeuggestützte Sensoren, die zur direkten Erfassung der topographischen Geländeoberfläche dienen. Das System ermöglicht ein automatisches Messen von dreidimensionalen polaren Koordinaten der flächenhaft verteilten Reflexionspunkte und somit eine räumliche Objekterfassung.

Laserscanner finden heute in unterschiedlichen Konstellationen ihre Anwendungen bei der Gewinnung von Daten, so z.B. als:

Beim Terrestrischen Laserscanning (TLS) wird die Oberflächengeometrie von Gegenständen mittels Pulslaufzeit, Phasendifferenz im Vergleich zu einer Referenz oder durch Triangulation von Laserstrahlen digital erfasst. Dabei entsteht eine diskrete Menge von Abtastpunkten, die als Punktwolke bezeichnet wird. Die Koordinaten der gemessenen Punkte werden aus den Winkeln und der Entfernung in Bezug zum Ursprung (Gerätestandort) ermittelt.

Im Gegensatz zur luftgestützten Anwendung kann bei TLS von statischen Aufnahmesituationen ausgegangen werden. Mit fortschreitender Technik werden TLS-Systeme aber auch zunehmend auf mobilen Plattformen (Kfz, Schiff, Zug) installiert um großräumige linienhafte Strukturen, wie Lichtraumprofile einer Eisenbahntrasse, zu erfassen. In diesem Falle spricht man zunehmend von kinematischen terrestrischen Laserscanning (k-TLS) bis hin zu Mobile Mapping-Systemen, wie sie beispielsweise für die Datenerfassung bei Google Street View zum Einsatz kommen.

Eine weitere Untergliederung ermöglicht die dimensionale Betrachtungsweise für 2D- und 3D-Anwendungen.
Beim 2D-Laserscanning wird die Kontur von Gegenständen auf einer Ebene digital erfasst. In Sicherheitssystemen wird 2D-Laserscanning als berührungslos wirkende Schutzeinrichtung benutzt um zu erkennen, ob Personen oder Gegenstände definierte (Gefahren-)Bereiche überschreiten um dann entsprechende Maßnahmen einleiten zu können (z. B. Abschaltung von Maschinen).
2D-Laserscanner werden auch eingesetzt um Objekte automatisch zu erkennen, so zum Beispiel auf den Lkw-Maut-Kontrollbrücken auf deutschen Autobahnen. Weitere Anwendungsgebiete sind die Erstellung von Karten in der Robotik sowie die Erkennung von Hindernissen bei autonomen mobilen Robotern.

Das 3D-Laserscanning liefert als Ergebnis dreidimensionale Punktwolken und somit ein vollständiges Abbild der Messszene. Anhand der Punktwolke werden entweder Einzelmaße wie z. B. Längen und Winkel bestimmt oder es wird aus ihr eine geschlossene Oberfläche aus Dreiecken konstruiert und z. B. in der 3D-Computergrafik zur Visualisierung verwendet.
Der Einsatz des terrestrischen 3D-Laserscanning umfasst zahlreiche Gebiete der Bestandsaufnahme und beginnt in der Architekturvermessung mit Schwerpunkten in der Bauforschung und Denkmalpflege. Weitere Anwendungsgebiete sind beispielsweise der Rohrleitungs- und Anlagenbau, die Archäologie, der Denkmalschutz, Reverse-Engineering und Qualitätssicherung sowie der Tunnelbau, die Forensik und Unfallforschung.

Ein Laserscanner, dessen Entfernungsbestimmung nach dem Impuls- oder Phasenmessverfahren funktioniert, speichert zusätzlich den Reflexionsgrad des Laserlichtes ab. In Kombination mit einer (u. U. externen) Digitalkamera können die Punktwolken zudem mit photorealistischen Texturen versehen werden.

Das Airborne Laserscanning (ALS) dient i.A. zur Erfassung von Geländehöhen und Objekten auf dem Gelände und ersetzt zunehmend die klassische Photogrammetrie. Die Sensorik operiert von Flugzeugen oder Hubschraubern aus. Bei der Entfernungsermittlung zum zu erfassenden Objekt können unterschiedliche Messprinzipen zum Einsatz kommen. Bei der Messung unter Ausnutzung der Lichtlaufzeit werden einzelne, kurze Laserpulse ausgesandt und die vom Objekt reflektierte Strahlung mit Sensor registriert. Die Zeit, die zwischen ausgesandten und empfangenen Pulsen liegt, ist ein Maß für die Entfernung zwischen der Sende- und Empfangseinheit. Alternativ kann eine Pulsfolge mit fester Frequenz ausgesandt und ihre Reflexion am zu vermessenden Objekt detektiert werden. Die Phasendifferenz zwischen ausgesandter und empfangener Pulsfolge ist ebenfalls ein Maß für die Entfernung.

Für eine korrekte Georeferenzierung der Entfernungsmessung ist es erforderlich, dass Position und Orientierung des Sensors im Raum zum Zeitpunkt der Messung bekannt sind. Im Falle des luftgestützten Laserscanning wird dazu eine Kombination aus mindestens einem GPS-Empfänger und inertialem Navigationssystem (INS) verwendet. Hierbei ist es wichtig, dass die verschiedenen Messwerte der unterschiedlichen Sensoren synchron ermittelt oder über geeignete Verfahren zumindest synchronisiert werden können. Beim luftgestützten Laserscanning lassen sich gemäß Herstellerangaben bzw. Dienstleistungsunternehmen unter günstigen Bedingungen (vegetationslose Flächen, schwache bis mittlere Geländeneigung) Genauigkeiten in der Höhe von 5–15 cm und in der Lage von 30 bis 50 cm erreichen. Mittels geeigneter Verfahren lassen sich dann aus den Daten der Entfernungsmessung und der Komponente GPS/INS dreidimensionale kartesische Koordinaten der gemessenen Punkte ableiten.

Die auf dem Markt für unterschiedliche Einsatzzwecke angebotenen Laserscanner können nach dem Messprinzip unterschieden werden in:

Laserscanner Prinzip des Laserscanners

Eine in den letzten Jahren entwickelte Alternative zur Luftbildphotogrammetrie stellt die Vermessung des Geländes durch in Flugzeuge eingebaute Laserscanner dar. Mit deren Hilfe kann sogar in Waldgebieten die Geländeoberfläche mit hoher Genauigkeit vermessen werden, ebenso wie die darauf befindlichen Objekte.

Quelle: HS Karlsruhe (R.o.)

Hinsichtlich des Scanprinzips kann noch zwischen Scannern mit kippenden oder rotierenden Spiegeln bzw. mehrfach nebeneinander-liegenden Laserdioden, wobei jeder Diode eine bestimmte Meßrichtung zugewiesen wird, differenziert werden. Die Öffnungswinkel für die flächenhafte Abtastung liegen bei etwa 10 Grad. Bei Flughöhen von 1.000 - 1.500 m sind Genauigkeiten in der Lage von 1 m und in der Höhe von 0,1 - 0,3 m zu erreichen. Die erreichbare Genauigkeit wird im Wesentlichen durch die Genauigkeit der Sensorpositionierung/-orientierung mittels GPS und INS limitiert. Da i.d.R. 4 Punkte pro m² vorliegen, kann daraus ein repräsentativer Punkt für eine Rasterzelle der Größe 1x1 m berechnet werden. Ergebnis ist z.B. ein Geländemodell in Rasterform mit der Rasterzellengröße von 1x1 m. Diese Raster-DGM, kombiniert mit digitalen Orthophotos sind ideale Datenquellen für 3-D-Stadtmodelle, für Senderstandortplanung im Mobilfunk, für Hochwassersimulation, für Waldgebietskartierung und Virtual Reality-Szenen.

Laserscanning

Methode der Erdbeobachtung, die mit Hilfe eines aktiven Systems in erster Linie zur Gewinnung von geometrischer Information in Form von 3D-Punktwolken, also einer großen Zahl von Punkten in einem dreidimensionalen Koordinatensystem, eingesetzt wird. Zusätzlich kann auch radiometrische Information über das Rückstreuverhalten der beleuchteten Punkte gewonnen werden. Zur Messung der Punktkoordinaten wird entweder gepulstes oder kontinuierlich ausgesendetes Laserlicht verwendet. Die Szene im Blickfeld des Sensors wird mit einem Laserstrahl abgetastet, was durch die Bezeichnung "Laser Scanning" beschrieben. Dieses sequentielle Messen unterscheidet das Laserscanning z.B. von der Photographie, in der die Messung der einfallenden Strahlung für alle Pixel eines Bildes gleichzeitig erfolgt.

Über das ausgesandte Laserlicht wird die Position eines Messpunktes in Bezug auf das Sensorsystem bestimmt, das entweder auf einem Flugzeug, Helikopter, UAV oder der ISS installiert oder aber, beim terrestrischen Laserscanning, auch vor einem Objekt positioniert sein kann. Mit Hilfe weiterer Positionierungs- und Orientierungssensoren wird die Position des Sensorsystems selbst bestimmt, so dass letztendlich Koordinaten bezüglich eines Referenzsystems berechnet werden können. Gepulste Lasersysteme können meist im first pulse, last pulse oder in beiden Modi gleichzeitig aufnehmen, d.h. es wird entweder der nach der Reflektion am betrachteten Objekt zuerst oder der zuletzt wieder am Sensor eintreffende Signalanteil als Messung betrachtet.

Laserscanning-Messungen ergeben Rohdaten, die entsprechend aufbereitet, als Grundlage für zahlreiche Anwendungsgebiete eingesetzt werden können:

Weitere Informationen:

Laufzeitkorrektur

Korrektur der aufgrund von atmospärischen Bedingungen gestörten Laufzeiten von Radarsignalen bei der Radaraltimetrie. In der Troposphäre verzögern Luftmoleküle die Signale. Die entsprechende Längenkorrektur kann in Trocken- und Feuchtanteile zerlegt werden. In der Ionosphäre ist die Verzögerung des Radarimpulses abhängig von der Frequenz und sie ist proportional zum Gesamtelektronengehalt (TEC). Altimeter, die mit zwei deutlich getrennten Frequenzen messen, erlauben mit hoher Genauigkeit eine in-situ-Abschätzung des TEC. Das erste Zwei-Frequenz-Altimeter war TOPEX. ENVISAT und Jason werden ebenfalls mit zwei Frequenzen betrieben.

LaVerDi

Akronym für „LandschaftsVeränderungsDienst“ (LaVerDi). Dieser Dienst wurde vom Bundesamt für Kartographie und Geodäsie (BKG) mit dem Ziel entwickelt, freie Copernicus-Satellitendaten für eine automatische Ableitung von Landbedeckungsänderungen zu nutzen und diese Informationen regelmäßig für einzelne Landschaftselemente (z. B. Waldgebiet, Wasserflächen, Landwirtschaftsflächen) über einen einen Web Service bereitzustellen.

Copernicus-Daten eignen sich aufgrund der hohen zeitlichen (ca. 3 bis 5 Tage, je nach Sensor) und mittleren räumlichen Auflösung (ab 10 m) ideal für eine regelmäßige bundesweite, flächendeckende Analyse der Landbedeckung (Abb. 2). Die »Copernicus Data and Exploitation Platform – Deutschland« (CODE DE) wird für die Datenverarbeitung und -analyse genutzt. Die Veränderungshinweise (Veränderungspolygone) können für zahlreiche Anwendungen für die Verwaltung und Planung bzw. zur Erstellung von Statistiken usw. verwendet werden und sind frei zugänglich.

Im Fokus stehen dabei operationelle Klassifizierungsalgorithmen und Change-Detection-Methoden, mit deren Hilfe aktuelle und konsistente Informationen über Landbedeckungsänderungen abgeleitet werden können, um kontinuierlich Geodaten in einer einheitlichen Qualität zu pflegen. Die Anwendung LaVerDi steht Jedermann kostenfrei zur Verfügung.

Weitere Informationen:

L-Band

Frequenzbereich von 15 bis 30 cm Wellenlänge (2 bis 1 Ghz) innerhalb des Mikrowellensegments des elektromagnetischen Spektrums. Das L-Band wird oft für experimentelle SAR-Systeme im militärischen wie auch im zivilen Fernerkundungsbereich eingesetzt, da es relativ wenig Energie benötigt.

Das L-Band ist einer der wichtigsten Betriebsbereiche, der neben dem Radar von verschiedenen Anwendungen wie dem Global Positioning System (GPS), dem Funk und der Telekommunikation genutzt wird. Daneben sind Radarsysteme mit L-Band gut geeignet für weitreichende Luftraumüberwachung.

Das L-Band hat aufgrund seiner niedrigen Frequenz eine geringe Bandbreite, was auch eine einfache Implementierung ermöglicht. Bildgebende Radarsysteme, die mit L-Band arbeiten, werden nicht von atmosphärischen Effekten gestört und sind in der Lage durch kräftige Regenschauer "hindurch zu sehen". Auch ist seine Durchdringungstiefe durch Vegetationsbedeckung, Gletscher- oder Meereis und Böden beträchtlich. Die Durchdringung des L-Bandes ist sehr gleichmäßig und unterstützt Anwendungen wie die Archäologie im Untergrund.

LDCM / Landsat-8

Engl. Akronym für Landsat Data Continuity Mission; am 11.2.2013 gestartete Satellitenmission von NASA und USGS um den Bestand an Landsat-Daten über die Oberfläche des Planeten fortzuführen.
Am 30. Mai 2013 übernahm die USGS nach ausgiebigen Tests die Kontrolle des Satelliten von der NASA, gleichzeitig wurde LDCM in Landsat-8 (siehe dort) umbenannt.

Leaf Area Index (LAI)

Siehe Blattflächenindex

LEO

Engl. Akronym für Low Earth Orbit, franz. orbite terrestre basse; niedere Umlaufbahn von Satelliten in ca. 200-2.000 km Höhe (Angaben schwankend). Niedrigere Orbits sind wegen des Widerstands der Restatmosphäre nicht stabil. Da niedrige Erdumlaufbahnen am einfachsten und preiswertesten zu erreichen sind, werden sie für die meisten Satelliten genutzt. Diese Bahnen liegen knapp innerhalb des Van-Allen-Strahlungsgürtels und werden daher nicht durch Elektronen und Protonen der irdischen Ionosphäre und des Sonnenwindes gestört.

LEO-Satelliten können sowohl polare, wie auch äquatoriale Umlaufbahnen haben. Satelliten auf einem LEO bewegen sich mit ca. 27.400 km/h (8 km/s), womit sie einen Umlauf in etwa 1,5 Stunden bewältigen. Die hohe Geschwindigkeit ist erforderlich, um ein schwerkraftbedingtes Eintauchen in die Erdatmospäre zu verhindern.

Die Nähe des LEO zur Erde macht ihn aus mehreren Gründen nützlich. Es ist die Umlaufbahn, die am häufigsten für Satellitenaufnahmen verwendet wird, da die Nähe zur Erdoberfläche es ermöglicht, Bilder mit höherer Auflösung aufzunehmen. Es ist auch die Umlaufbahn der Internationalen Raumstation (ISS), da es für die Astronauten einfacher ist, in kürzerer Entfernung zur ISS und zurück zu fliegen. Satelliten auf dieser Umlaufbahn fliegen mit einer Geschwindigkeit von etwa 7,8 km pro Sekunde; bei dieser Geschwindigkeit benötigt ein Satellit etwa 90 Minuten, um die Erde zu umkreisen, was bedeutet, dass die ISS etwa 16 Mal am Tag die Erde umkreist.

LEOs werden u.a. für die Telekommunikation (Mobiltelefondienste, Satellitentelefone), militärisch für die Funkaufklärung und die Detailaufklärung genutzt. Wegen der Erdnähe benötigen solche Satelliten nur mäßig starke Transmitter für die Datenübertragung. Andererseits werden 48, 66, 77, 80 oder sogar 288 Satelliten benötigt, um eine kontinuierliche und globale Abdeckung zu gewährleisten.

Eine Lösung bieten Satellitenkonstellationen, also Gruppen von Satelliten, die gemeinsam arbeiten. Zwei solche Konstellationen, die Satellitentelefondienste vor allem für abgelegene Gebiete bereitstellen sollen, sind das Iridium- und das Globalstar-System. Das Iridium-System verfügt über 66 Satelliten.

Einzelne LEO-Satelliten sind demnach für Aufgaben wie die Telekommunikation weniger nützlich, weil sie sich so schnell über den Himmel bewegen und daher von Bodenstationen aus nur mit großem Aufwand verfolgt werden können. Aus diesem Grund werden hohe geostationäre Orbits in 35,785 km Höhe für Zwecke der Telekommunikation bevorzugt.

Auch Erdbeobachtungssatelliten und Wettersatelliten bewegen sich oft auf zirkularen LEOs, da sie von der geringeren Höhe aus einen größeren Detailreichtum (hohe geometrische Auflösung) aufnehmen können. Ebenso wurden alle modernen (post-Apollo) Missionen bemannter Raumfahrt, einschließlich aller Raumstationen in LEOs durchgeführt.

Low Earth Orbit Low Earth Orbit

Eine niedrige Erdumlaufbahn (LEO) ist eine Umlaufbahn, die relativ nahe an der Erdoberfläche liegt. Sie befindet sich normalerweise in einer Höhe von weniger als 1000 km, könnte aber bis zu 160 km über der Erde liegen - was im Vergleich zu anderen Bahnen niedrig ist, aber immer noch sehr weit über der Erdoberfläche liegt.

Im Vergleich dazu fliegen die meisten Verkehrsflugzeuge nicht viel höher als etwa 14 km, so dass selbst die niedrigste LEO mehr als zehnmal so hoch ist.

Im Gegensatz zu GEO-Satelliten, die immer entlang des Erdäquators kreisen müssen, müssen die LEO-Satelliten nicht immer einer bestimmten Bahn um die Erde in der gleichen Weise folgen - ihre Ebene kann geneigt sein. Das bedeutet, dass es mehr verfügbare Routen für Satelliten in LEO gibt, was einer der Gründe dafür ist, dass LEO eine sehr häufig genutzte Umlaufbahn ist.

Quelle: ESA

Erdbeobachtungssatelliten auf einer erdnahen Kreisbahn nutzen einen Korridor von ca. 430 - 930 km Bahnhöhe und umkreisen die Erde mit einer Periode von 90 - 110 min und folglich mit einer Häufigkeit von 13 - 15 Umrundungen pro Tag. Die Beobachtung der Erdoberfläche erfolgt damit nicht kontinuierlich wie bei den geostationären Satelliten, sondern in täglichen Überflügen über das Beobachtungsgebiet. Die Anzahl der Überflüge und damit die tägliche Beobachtungsdauer sowie die Kontaktzeit mit einer Bodenstation sind begrenzt und hängen von der geographischen Lage ab. Die Kontaktzeit beträgt max. 15 min während eines direkten Überflugs. Die bevorzugte Ausrichtung der zirkularen Bahn erfolgt über die Pole, weil durch die Drehung der Erde unter der Ebene der Satellitenbahn eine Aufnahme der gesamten Erdoberfläche in zyklischen Abständen möglich gemacht wird. Wichtiger Sonderfall dieser Bahnausrichtung ist der sog. sonnensynchrone Orbit. Durch geeignete Auswahl von Bahnhöhe und Inklination der Bahn (ca. 98°) wird erreicht, dass die Präzession der Bahn genau eine Umdrehung im Jahr beträgt. Dadurch bleibt die Orientierung der Bahn gegenüber der Sonne gleich, und es wird erreicht, dass ein Ort auf der Erdoberfläche täglich zur gleichen lokalen Ortszeit überflogen wird, wodurch der Beleuchtungswinkel der Sonne konstant bleibt. Es entstehen daher für mit optischen Sensoren ausgerüstete Satelliten täglich vergleichbare Beobachtungsbedingungen des Aufnahmeorts. Einige Radarsatelliten nutzen ebenfalls sie sonnensynchrone Bahn, indem sie an der Tag-Nacht-Grenze entlangfliegen und den Erdschatten nicht passieren. Auf diese Weise können sie ihre Solargeneratoren beständig der Sonnenbeleuchtung aussetzen und folglich den Ladezustand der Batterien günstig halten.

Die geforderte hohe räumliche Auflösung wird jedoch nur durch eine begrenzte Abtastbreite des Sensors (Schwadbreite), möglich. Typische Schwadbreiten sind 20 bis 185 km bei Landbeobachtungssystemen (SPOT, IRS, LANDSAT) und 10 bis 21 km bei Systemen mit der Fähigkeit zur Objekterkennung (IKONOS, Quickbird, WorldView-3). Durch die Aneinanderreihung nebeneinanderliegender Abtaststreifen ergibt sich eine vollständige Abbildung der Erdoberfläche innerhalb eines Beobachtungszyklus. Bahnmechanisch ist dazu eine nicht ganzzahlige tägliche Wiederholrate notwendig, welche zu einem kontinuierlichen Versatz aufeinanderfolgender Bodenspuren führt. Im Gegensatz dazu steht eine ganzzahlige Wiederholrate, die ein festes tägliches Wiederholmuster hervorruft. Die notwendige Zeitspanne bis zur vollständigen Abbildung der Erdoberfläche wird Wiederholzyklus genannt und beschreibt die Zeit, bis zur Wiederholung der Bodenspur. Im Gegensatz dazu liefert die Revisit Time eine Aussage über die notwenige Zeit, bis ein Ort auf der Erde wieder aufgenommen werden kann. Da diese Zeit bestimmt wird von der geographischen Breite des Aufnahmeorts und der Möglichkeit moderner Satellitensysteme bis 60° seitlich von der Nadirspur zu schwenken, ist die Revisit Time stets kleiner als der Wiederholzyklus.

Der LEO-Bereich leidet zunehmend an Überfüllung, zum nicht geringen Teil durch Weltraummüll (Metall von alten Raketen, geborstenen Satelliten, gefrorenes Abwasser usw.) bedingt. Dazu kommen natürlicherweise vorkommende Meteoriten. Das U.S. Strategic Command in der Nachfolge des U.S. Space Command hält dort über 8.500 anthropogene Objekte mit einer Größe von mehr als 10 cm unter Beobachtung. 84 % des Mülls bewegt sich in etwa 800 km Höhe um die Erde, also der etwa 2 1/2-fachen Höhe der Space Shuttle-Bahn. Auch wenn die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen einem Müllobjekt >10 cm und dem Shuttle als sehr gering eingeschätzt wird, bei den hohen Geschwindigkeiten kann auch ein kleiner Bolzen die Wirkung einer Handgranate auf ein Space Shuttle ausüben. Ein ganzer Wissenschaftszweig befasst sich mit Hochgeschwindigkeitseinschlägen, ihren Auswirkungen und mit geeigneten Schutzmaßnahmen.

LEOWorks

Bildbearbeitungssoftware für Schüler weiterführender Schulen zur selbstständigen Bearbeitung von Satellitenbildern, verfügbar über die Eduspace-Webseite der ESA. Sie dient der Bildschirmdarstellung, Analyse, Bearbeitung und Auswertung von Satellitenaufnahmen für die Erdüberwachung.

LEOWorks stellt grundlegende und komplexere Bearbeitungsfunktionen wie geometrische Korrektur, Panschärfung und Bildklassifizierung bereit. Mehrere Tools stehen zur Verfügung, darunter GIS-Funktionen (Geoinformationssystemfunktionen), mit deren Hilfe Informationsebenen mit Punkten, Linien und Polygonen erzeugt, in Bilder eingeblendet und verwaltet werden können.

LEOWorks ist eine didaktische Software mit umfassenden Hilfeseiten. Auch ein Tutorial ist inbegriffen. Gestützt auf diese Dokumentation können die Schüler mit eigenen Bildern experimentieren und diese selbst bearbeiten. LEOWorks ist mit den Daten verschiedener Erdbeobachtungsmissionen kompatibel und kann die meisten Standardbildformate (z. B. jpg, tif, bmp, png) lesen.

LEOWorks 4 ist die neueste Version der Software und plattformunabhängig (Windows, MacOS, Linux). Das Programm inkl. Tutorial wird eingeschriebenen Schulklassen kostenlos per Download zur Verfügung gestellt.

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Licht

Engl. (visible) light; der für den Menschen sichtbare Bereich der elektromagnetischen Strahlung. Dieser erstreckt sich von etwa 380 (Blau) bis 780 nm (Rot) Wellenlänge, was einer Frequenz von etwa 789 bis herab zu 385 THz entspricht. Eine genaue Grenze lässt sich jedoch nicht angeben, da die Empfindlichkeit des menschlichen Auges an den Grenzen des Lichtspektrums nicht abrupt, sondern allmählich abnimmt.
Licht ist charakterisiert durch die Farbtemperatur, in der sich der Farbton, also die Wellenlänge des Lichtes, und die Helligkeit widerspiegeln. Normalerweise wird als Licht nur das dem menschlichen Auge sichtbare Licht bezeichnet. Aber auch nichtsichtbare Wellenlängen wie Infrarot oder Ultraviolett werden verschiedentlich zu den Lichtwellenlängen gerechnet. In der Physik steht der Begriff Licht auch für das gesamte elektromagnetische Wellenspektrum.

Farbspektrum des Lichts

Das Farbspektrum des Lichts für Strahlung mit den Wellenlängen von 380 – 780 nm.
Am Computerbildschirm lässt sich vom Farbspektrum des Lichts nur ein sehr begrenzter Eindruck machen (vgl. Abb.), da dieser nur drei Grundfarben und deren Überlagerungen darstellen kann. Vor allem in den Zwischentönen und beim Übergang ins Infrarote und Ultraviolette stößt die Anzeigetechnik an ihre Grenzen.

Quelle: Wikipedia

LIDAR

Engl. Akronym für Light Detection and Ranging; ein als aktives System ganztägig einsetzbares Fernerkundungsverfahren, das oft etwas ungenau als "Laser-Radar" bezeichnet wird. Es arbeitet vergleichbar einem Mikrowellen-Radar, benutzt aber den optischen Teil des elektromagnetischen Spektrums zwischen dem ultravioletten und dem nahen Infrarot-Bereich. Die Entfernungsmessung beruht dabei auf der Messung der Zeitspanne, die zwischen dem Aussenden des Lichtimpulses und der Reflexion des zurückkommenden Impulses verstreicht.

Lidar-Systeme bestehen gewöhnlich aus einem Laser, der Strahlung in Pulsen oder kontinuierlich durch eine fokussierende Optik aussendet. Ein weiteres optisches System fokussiert die vom beobachteten Objekt reflektierte Strahlung auf einen Detektor. Weitere Akronyme werden benutzt, die leicht unterschiedliche Bedeutungen haben: LaDAR (Laser Detection and Ranging) beinhaltet, dass Laserlicht zur Entfernungsmessung herangezogen wird. In einem LIDAR-System hingegen kann zum Beispiel auch sehr starkes Xenonlicht benutzt werden. ALS (Airborne Laserscanning) konkretisiert, dass ein Laserstrahl von einem Flugzeug aus die Oberfläche scannt. Gerade diese Technik, die zur Erstellung von digitalen Oberflächenmodellen dient, hat in der Geoinformatik eine große Bedeutung erhalten.

Bei jeweils gleichem Grundprinzip können drei verschiedene Gruppen und Anwendungen von Lidar-Systemen unterschieden werden:

Wegen sehr hoher technischer Schwierigkeiten bei der Raumflugtauglichkeit von Lasern wurden LIDAR-Sensoren lange Zeit vorwiegend als boden- oder flugzeuggestützte Sensoren eingesetzt.

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Lightning Imaging Sensor (LIS)

Abbildender Sensor zur Aufspürung und Lokalisierung von Blitzen in den Tropen aus einer Höhe von 350 km. Der kleine und hochentwickelte LIS befand sich an Bord des Satelliten der Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). Er beobachtete Tag und Nacht jegliche Art von Blitzen, deren räumliches Auftreten und diente

lis_season_djf98 Verwendung der LIS-Daten

LIS-Daten werden zur Untersuchung mesoskaliger Phänomene wie Konvektion, Dynamik und Mikrophysik von Gewittern verwendet. Diese stehen im Zusammenhang mit den globalen Werten, Mengen und der Verteilung konvektiver Niederschläge sowie mit der Freisetzung und dem Transport latenter Wärme, die alle von Prozessen im globalen Maßstab beeinflusst werden.

Quelle: NASA

Der LIS war dazu ausgelegt, sturmbedingte Blitze in einem großen Ausschnitt (600 x 600 km) der Erdoberfläche aufzuspüren. Der TRMM-Satellit flog mit einer Geschwindigkeit von 7 km/sec und erlaubte es dem LIS auf diese Weise, jeden Punkt der Erde oder jeder Wolke 90 sec lang bei einem Überflug zu beobachten. Diese Zeit reichte aus, um die Blitzhäufigkeit der meisten Stürme abzuschätzen.

Die Umlaufbahn des TRMM-Satelliten hatte eine Neigung von 35 Grad. Demzufolge konnte das mitgeführte LIS-Instrument Blitzaktivität beobachten, wo sie am Häufigsten auftritt: zwischen 35° S und 35° N.

Das Instrument zeichnete Ort und Zeitpunkt des Auftretens eines Blitzes auf und maß die abgestrahlte Energie.
Das Weitwinkelobjektiv von LIS war kombiniert mit Hochgeschwindigkeits-CCDs. Ein Real Time Event Processor (RTEP) innerhalb der Elektronikeinheit half bei der Erkennung eines Blitzes auch bei Tageslicht. Der RTEP entfernte das störende Hintergrundsignal des Tageslichts und ermöglichte das Aufspüren von schwach erkennbaren Blitzen mit 90-prozentiger Zuverlässigkeit.

In den 1990er Jahren wurden zwei LIS-Instrumente gebaut, eines für die Tropical Rainfall Measurement Mission (TRMM) und ein Ersatzinstrument, das über 20 Jahre lang in einem Regal lag. Eine Zusammenfassung der beiden Plattformen macht die Unterschiede deutlich. Das TRMM-LIS war vom Start im Jahr 1997 bis April 2015 über 17 Jahre lang erfolgreich im Einsatz. Das Ersatz-LIS wurde im Februar 2017 auf der Internationalen Raumstation (ISS) platziert.

Eine Zusammenfassung der beiden Plattformen verdeutlicht die Unterschiede.

LIS on ISS

Zusätzlich zu dem Lightning Imaging Sensor, der an Bord der Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM) mitflog, wurde ein Ersatzexemplar im Februar 2017 für eine zweijährige, inzwischen bis 2023 erweiterte Mission zur Beobachtung der globalen Blitzaktivitäten zur International Space Station (ISS) geschickt. LIS on ISS verlängert nicht nur den Bestand der 17-jährigen Blitzbeobachtungen in den Tropen von der TRMM aus, sondern zusätzlich die Beobachtung in höhere Breiten bis zu 55° N und S erweitern, die für TRMM nicht erreichbar waren. Dies wird ermöglicht durch die stark geneigte Umlaufbahn der ISS.

ISS LIS überwacht die gesamten globalen Blitze sowohl bei Tag als auch bei Nacht und ermöglicht eine wichtige sensorübergreifende Kalibrierung und Validierung mit dem Geostationary Lightning Mapper, der sich an Bord des im November 2016 gestarteten NOAA-Wettersatelliten GOES-16 befindet und auch mit bodengestützten Blitznetzen.

ISS LIS wird auch Blitzdaten in nahezu Echtzeit über datenarmen Regionen wie den Ozeanen liefern, um die operative Wettervorhersage und -warnung zu unterstützen.
Aber eines der wichtigsten wissenschaftlichen Ziele ist das bessere Verständnis der Prozesse, die zu Blitzen führen und auch die Verknüpfung von Blitztätigkeit und Unwetterereignissen.

Messungen von Blitzen in nahezu Echtzeit (NRT) sind mit dem LIS on ISS über die NASA-Datenplattform LANCE in der Regel innerhalb von zwei Minuten nach der Beobachtung verfügbar.

Weitere Informationen:

Limbmessung

Blickrichtung beim Messvorgang über den Horizont zum Rand der Atmosphärenschicht. Die Sichtlinie des Satelliteninstruments durchquert die Erdatmosphäre tangential. Die Kombination mehrerer Limbmessungen in verschiedenen Tangentenhöhen bietet die Möglichkeit, atmosphärische Spurengasprofile in hoher vertikaler Auflösung zu bestimmen. Beispielsweise ist SCIAMACHY auf ENVISAT ist ein Instrument, das die von der Erdatmosphäre reflektierte Strahlung in Limb-Geometrie im ultravioletten und sichtbaren Spektralbereich reflektiert.
Siehe auch Messgeometrie

Limb Sounder

Horizontsondierender Sounder (Limb, engl. für Rand eines Himmelskörpers); s. Messgeometrie

LISA

Engl. Akronym für Laser Interferometer Space Antenna; geplanter interferometrischer Gravitationswellendetektor im All, der ursprünglich als gemeinsame Mission der ESA und der NASA entwickelt werden sollte. Die NASA stieg jedoch 2011 wegen Haushaltskürzungen aus dem Projekt aus.

Gravitationswellen wurden von Albert Einstein theoretisch vorhergesagt, konnten aber erst 2015 direkt experimentell nachgewiesen werden. LISA ist am empfindlichsten im Frequenzbereich zwischen 0,1 mHz und 1 Hz und unterscheidet sich darin grundlegend von erdgebundenen Detektoren, die höhere Frequenzen untersuchen.
LISA besteht aus einer Anordnung von drei identischen Satelliten, die in Form eines nahezu gleichseitigen Dreiecks hinter der Erde entlang der Erdbahn um die Sonne kreisen. Der Abstand zur Erde beträgt dabei etwa 50 Millionen Kilometer. Die Satelliten bilden zusammen ein Laserinterferometer mit fünf Millionen Kilometern Armlänge.
Es wird gehofft, dass LISA Gravitationswellen von superschweren Schwarzen Löchern in einem großen Teil des beobachtbaren Universums aufspüren können wird und vielleicht sogar diejenigen Wellen, die vom Urknall herstammen, der spektakulärsten Quelle von Gravitationswellen überhaupt. Auch sollen möglicherweise Veränderungen der Raumzeit bei HM Cancri gemessen werden können.

LISA ist nun Teil des ESA-Programms zur Cosmic Vision 2015-2025. Der Start der LISA-Mission ist für 2034 vorgesehen. Im Jahr 2015 startete bereits LISA Pathfinder und testete 12 Monate lang erfolgreich die für die Mission LISA vorgesehenen Messgeräte und die benötigte Technik auf Weltraumtauglichkeit.

Das Spektrum der Gravitationswellen Das Spektrum der Gravitationswellen

Gravitationswellen sind Wellen in der Raumzeit, die durch die Beschleunigung sehr massereicher Objekte entstehen, wie z. B. schwarze Löcher, die zusammenkommen und verschmelzen. Verschiedene Objekte im Weltraum erzeugen Gravitationswellen mit unterschiedlichen Zeitskalen, die von Millisekunden bis zu Milliarden von Jahren reichen. Einige dieser Wellen können nur vom Weltraum aus beobachtet werden.

Quelle: ESA (2021)

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LISA Pathfinder

LISA Pathfinder war ein Forschungs- und Erprobungssatellit der ESA zum Test der Messgeräte und Technologien für die im Jahr 2034 geplante Mission LISA (Laser Interferometer Space Antenna). Der In-Orbit-Demonstrator LISA Pathfinder enthielt bahnbrechende Instrumente und Technologien. Mit dem Satelliten wurden Techniken zum Nachweis von Gravitationswellen erprobt, dazu war es nötig dass Testmassen in einem bisher nicht gekannten Maße gegeneinander bewegungslos sind. Hauptziel war die Demonstration, dass die angewendete Technik und Messmethode in der Praxis funktioniert. Dieses Ergebnis war nicht erreichbar durch Tests und Simulationen am Boden oder in einer erdnahen Umlaufbahn, sondern ausschließlich durch eine Raummission zu einem Punkt, an dem das Erdgravitationsfeld aufgehoben ist.

Um mit LISA Gravitationswellen nachzuweisen, mussten die Instrumente Gravitationsänderungen in der Größenordnung von 10-16 g und Entfernungsänderungen in einer Größenordnung von 10-12 m in einem Frequenzbereich von 0,001 bis 0,1 Hz erfassen. Bei LISA Pathfinder begnügte man sich mit einer um eine Größenordnung geringeren Messgenauigkeit. Während LISA Distanzmessungen zwischen Satelliten durchführen wird, die etwa 5 Millionen Kilometer voneinander entfernt sind, sollte LISA Pathfinder den Abstand zweier Referenzkörper (etwa 40 cm) innerhalb des Satelliten messen.

Als Messinstrument war dazu ein 64×38×38 cm großes und 150 kg schweres Technologietestgerät an Bord des Satelliten installiert, das im Wesentlichen aus einer speziellen optischen Bank und diversen Mess-, Steuerungs- und Kontrollsystemen besteht. Diese enthält zwei Vakuumbehälter und jeweils eine würfelförmige Testmasse aus einer Gold-Platin-Legierung mit 46 mm Kantenlänge, welche bei der Messung darin frei in einem Abstand von etwa 40 cm schweben. Hauptnutzlast ist ein Laserinterferometer, welches den Abstand der beiden Würfel bestimmt. Das Laserlicht wird über zwei Glasfasern in die Bank eingespeist. Zur exakten Lageregelung des Satelliten werden sehr schwache elektrische Triebwerke (Field Emission Electric Propulsion) mit Cäsium als Antriebsmedium und einer Schubkraft von 0,1 bis 150 µN eingesetzt.

Um einen Betrieb von LISA Pathfinder möglichst unabhängig von mechanischen, elektrischen und thermischen Störungen zu gewährleisten („drag-free“), wird das Science Modul der Mission nach dem Erreichen seiner Betriebsposition im Lagrangepunkt L1 (Abstand von ca. 1,5 Mio km von der Erde) vom Antriebsmodul getrennt.

LISA-PF_Module_380 LISA_PF_380 LISA Pathfinder

Links: LISA Pathfinder mit dem Science Modul (links) und dem bereits abgetrennten Antriebsmodul (rechts unten).

Rechts: Das LISA Pathfinder Technology Package (LTP) wird im Weltraum Schlüsseltechnologien für das Gravitationswellen-Observatorium LISA erproben. Die Mission LISA soll nach 2022 im Weltraum Gravitionswellen aufspüren und Erkenntnisse über deren Quellen gewinnen. Das Messprinzip von LISA, zu dem ganz wesentlich die (fast) vollständig kräftefrei im All schwebenden Testmassen gehören, lässt sich auf der Erde wegen der Schwerkraft nur teilweise testen.

Quelle: DLR

EADS Astrium (heute Airbus D&S) wurde von der europäischen Weltraumorganisation für den Bau des Satelliten ausgewählt und war für die Lieferung des startbereit integrierten Satelliten verantwortlich. Das Projektmanagement lag bei Astrium Ltd. in Stevenage, Großbritannien. Astrium in Deutschland wurde zum Systemführer für eines der beiden Instrumentenpakete der Mission ernannt, dem von den europäischen Instituten und der ESA gestellten LISA Technoogy Package (LTP).

Der Satellit wurde am 3. Dezember 2015 mit einer Vega-Rakete gestartet und sollte ursprünglich 12 Monate lang Messgeräte für die spätere Mission LISA testen. Die wissenschaftliche Phase begann am 8. März 2016 und dauerte nahezu 16 Monate.

Im Juni 2016 gab die ESA die Ergebnisse der ersten zwei Monate des wissenschaftlichen Betriebs bekannt – die erzielte Messgenauigkeit übertraf die Anforderungen um das Fünffache, und ist bereits nahe an den geplanten Anforderungen für LISA.

Im Dezember 2016 begann nach zwischenzeitlichen Tests eines neuartigen Antriebs eine zweite Phase wissenschaftlichen Betriebs,die dem besseren Verständnis des Systems und damit möglicher Reduktion von Störsignalen diente. Primär ging es dabei um zwei Rauschquellen. Im Februar 2018 veröffentlichte die ESA die finalen Ergebnisse; die Messgenauigkeit konnte durch das zwischenzeitliche Entweichen störender Luftmoleküle und das bessere Verständnis von Störquellen nochmals gesteigert werden und übertrifft nun auch die für die eigentliche LISA-Mission anvisierte Messgenauigkeit.

Im April 2017 wurde ein vorläufiges Deorbit-Manöver durchgeführt, das die Sonde in einen heliozentrischen Friedhofsorbit transferiert. LISA Pathfinder erfasste noch bis zum 30. Juni 2017 Daten und wurde am 18. Juli 2017 deaktiviert.

LISA soll voraussichtlich 2034 gestartet werden und als Weltraumobservatorium niederfrequente Gravitationswellen im Frequenzbereich von weniger als 0,1 Millihertz bis zu 0,1 Hertz beobachten.

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Living Planet

1998 gestartetes Programm der ESA für weltraumgestützte Erdbeobachtung, das sich durch Flexibilität und Nutzerfreundlichkeit auszeichnet. Im Unterschied zu den ERS- und ENVISAT-Missionen setzt die ESA künftig auf kleinere Satelliten auf kürzeren, billigeren und zielgerichteteren Missionen. Sie werden sich stärker an den Bedürfnissen der Nutzer aus dem privaten oder öffentlichen Sektor orientieren und in enger Kooperation mit Industrie oder raumfahrtengagierten Organisationen (Europäische Kommission, EUMETSAT u.a.) durchgeführt.

Kernbestandteil des Programms sind Spezialsatelliten, die sogenannten Earth Explorer, mit denen die ESA einzelne Aspekte von Umwelt, Klima und Beschaffenheit der Erde erforschen will. Dieses Wissenschafts- und Forschungselement, welches mit den Earth Explorer-Missionen umgesetzt wird und ein Element zur Erdbeobachtung (Earth Watch), das den Zugriff auf Erdbeobachtungsdaten für operationelle Dienste erleichtern soll. Zu Earth Watch gehören die gut eingeführten meteorologischen Missionen Meteosat und MetOp, die von der ESA in Zusammenarbeit mit EUMETSAT zur Unterstützung operationeller Dienste betrieben werden. Meteosat ist eine Flotte von vier geostationären Wettersatelliten, die das globale Wettergeschehen über dem europäischen Kontinent in 12 Frequenzbändern kontinuierlich abtasten. Um die Beobachtungen dieser geostationären Satelliten besser in das globale Wettergeschehen einzubinden, betreibt die ESA in Kooperation mit EUMETSAT auch die MetOp-Konstellation, deren polarumlaufenden Satelliten von der französischen Raumfahrtagentur CNES und der europäischen Industrie gemeinsam entwickelt wurden.

Neben dem "The Living Planet" Programm betreibt die ESA in Zusammenarbeit mit der Europäischen Kommission auch das Erdbeobachtungsprogramm Copernicus. Copernicus, zuvor Global Monitoring for Environment and Security (GMES, dt.: Globale Umwelt- und Sicherheitsüberwachung) genannt, hat zum Ziel, auf Grundlage moderner Fernerkundungsverfahren ein unabhängiges Beobachtungssystem für Europa aufzubauen.

Weitere Informationen:

lokale Operation

Engl. local operations, franz. opérations locales; nach DIN 18716 lokale Bildverarbeitungsoperation.

LRR

Engl. Akronym für Laser Retroreflector; gewissermaßen ein 'Katzenauge' auf einem Satelliten, das es ermöglicht, vom Boden aus die Satellitenbahn mit Laser Ranging Systemen hochgenau zu vermessen. LRR-Missionen sind meist kombiniert mit Altimetriemissionen, z.B. ERS, ENVISAT, CryoSat und Schwerefeldmessungsmissionen, z.B. CHAMP, GRACE, GOCE.

Weitere Informationen:

L-SAR 01

Im Aufbau begriffene, vom Chinesischen Zentrum für die Nutzung von Erdbeobachtungssatelliten (CRESDA) betriebene Konstellation aus zwei SAR-Satelliten, die der Beobachtung von geologischen Veränderungen wie Bodensenkungen oder rutschenden Hängen auf den Landflächen der Erde dient. L-SAR 01A, der erste Satellit der Konstellation, wurde am 25. Januar 2022 vom Kosmodrom Jiuquan mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 4C der Shanghaier Akademie für Raumfahrttechnologie (SAST) ins All gebracht. L-SAR 01B folgte am 26. Februar 2022, wieder mit einer Trägerrakete vom Typ Langer Marsch 4C vom Kosmodrom Jiuquan gestartet.

Die Satelliten der L-SAR-01-Konstellation besitzen eine Masse von 3,2 t und eine SAR-Antenne von 33 m². Die Antenne kann in mehreren Polarisationsarten und auf verschiedenen Frequenzen zwischen 1 und 2 GHz im L-Band betrieben werden. Das „L“ im Akronym für die Konstellation steht neben Ludi („Landfläche“) auch für „L-Band“. Die Satelliten verfügen über mehrere Bildgebungsmodi mit einer maximalen Auflösung von 3 m und einer maximalen Schwadbreite von 400 km. Die Stromversorgung erfolgt durch zwei Solarzellenflügel mit jeweils vier Modulen sowie Akkumulatoren. Die geplante Lebensdauer beträgt 8 Jahre.

Die Satelliten können in zwei Modi operieren: sie können einander entweder im Formationsflug folgen oder einander umkreisen. Der reguläre Flugmodus ist der Formationsflug, bei dem ein Satellit dem anderen auf dem gleichen Orbit um 180° versetzt folgt. Der Umkreisungsmodus ist für interferometrische Kartografie gedacht.

Die beiden Satelliten sollen auf einer gemeinsamen sonnensynchronen Umlaufbahn von 600 km Höhe um 180° versetzt so um die Erde kreisen, dass jeder alle 8 Tage auf dem gleichen Längengrad den Äquator kreuzt. Mit den beiden Satelliten wird somit eine Wiederbeobachtungszeit für ein gegebenes Gebiet von 4 Tagen erreicht. Über differentielle Radarinterferometrie (D-InSAR) werden mit Vorher-Nachher-Bildern und aufwendiger Datenverarbeitung gerade ablaufende Oberflächendeformationen wie sich senkende Gebäude oder rutschende Hänge mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich dokumentiert.

Weitere Informationen:

LST

1. Engl. Akronym für Local Solar Time; dt. Sonnenzeit
2. Engl. Akronym für Land Surface Temperature, dt. Landoberflächentemperatur

LUCAS

Engl. Akronym für Land Use and Coverage Area Frame Survey; dt. Bodenbedeckungs- / Bodennutzungsstatistik. Eurostat nimmt diese Erhebung seit 2006 alle 3 Jahre vor, um die Veränderungen in der Europäischen Union zu folgenden Aspekten zu ermitteln:

Die zuletzt veröffentlichte LUCAS-Erhebung stammt aus dem Jahr 2018. Sie enthält Daten zu mehr als 330 000 Punkten die im den EU-Mitgliedstaaten erhoben wurden. Die LUCAS-Erhebung 2018 begann im März 2018 und endete im November 2018. Die Fotos sind seit Juni 2019 verfügbar. Weitere Ergebnisse werden im 1. Quartal 2020 zur Verfügung gestellt.

Die Bodenbedeckungs- / Nutzungsstatistiken, die aus der LUCAS-Erhebung abgeleitet wurden, sind einzigartig, da sie vollständig standardisiert sind, um die gleichen Definitionen und Methoden zu verwenden.

Verwendung von LUCAS

Die vor Ort durchgeführte LUCAS-Erhebung liefert Daten über Bodenbedeckung, Bodennutzung und Umweltparameter für die einzelnen Beobachtungspunkte. Zu den verfügbaren Informationen gehört auch ein Archiv mit Fotos der Landschaft und der Beobachtungspunkte.

Die Daten der LUCAS-Erhebungen können für wichtige EU-Politikbereiche von Nutzen sein:.

Weitere Informationen:

Luftbild

Oft syn. Luftaufnahme, engl. aerial image, franz. image aérienne; auf photographischem Weg oder durch elektronische Aufnahmesysteme gewonnenes diskretes Bild eines Teils der Erdoberfläche, das von Luftfahrzeugen - i.d.R. von Flugzeugen, Hubschraubern, aber auch von Ballonen, Drohnen oder Luftschiffen - aus einer Höhe von unter hundert bis zu mehreren tausend Metern (max. 30 km) aufgenommen wird. Dazu gehören z.B. auch Thermal-Luftbilder, wenn eine bildhafte Wiedergabe der Erdoberfläche im thermalen Strahlungsbereich vom Flugobjekt aus gewonnen wird. Der Begriff Luftbildaufnahme wird sowohl im Sinne von «Aufnahme von Luftbildern» (Tätigkeit) als auch synonym für «Luftbild» (Produkt) verwendet.

Luftbilder sind demnach maßstäblich verkleinerte, photographische Abbilder von Teilen der Erdoberfläche aus der Vogelperspektive. Sie zeichnen sich durch eine hohe thematische Informationsdichte über alle zum Aufnahmezeitpunkt luftsichtbaren Objekte und Sachverhalte aus. Damit in einem Luftbild beispielsweise wie in einer Karte gemessen oder dieses Luftbild einem digitalen Informationssystem hinterlegt werden kann, muss das Luftbild unter Berücksichtigung der Geländeneigung entzerrt und ein Bezug zu einem Koordinatensystem hergestellt werden (Orthophoto).

Bei der Aufnahme von Luftbildern wird ein Gebiet streifenweise in Ost-West- oder Nord-Süd-Richtung beflogen. Die Fläche wird hierbei systematisch und lückenlos mit Luftbildern aufgenommen. Als gebräuchliche Überlappung der Luftbilder wird in Flugrichtung mit 60% und quer zur Flugrichtung mit 30% Überlappung gearbeitet.

Vorteile des Luftbilds Nachteile des Luftbilds
  • Hohe räumliche Auflösung: Luftbilder ermöglichen uns große Gebiete und Einzelheiten der Erdoberfläche in ihrem räumlichen Kontext aus der Vogelperspektive zu sehen. Oft ist es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich, diesen Überblick über die Umwelt durch Bodenerhebungen zu erlangen.
  • Flugzeitpunkt frei wählbar: Durch Luftbilder können dynamische Phänomene in der Umwelt, die ständig in Bewegung sind, zu einem bestimmten Zeitpunkt oder ständig aufgenommen werden (Flexibilität).
  • Hohe Meßgenauigkeit: Durch die zweckdienliche Wahl von Kamera, Film und Flugbahn sind wir in der Lage Details zu erkennen, die wir mit dem bloßen Auge nie sehen würden. In Verbindung mit Bodendaten lassen sich genaue Messungen von Positionen, Entfernungen, Richtungen und Flächen durchführen.
  • Stereobildpaare: Aus zwei sich teilweise überlappenden zweidimensionalen Bildern kann ein dreidimensionales Modell erstellt werden, aus dem dann auch Höheninformationen abgeleitet werden können.
  • Spektrale Einschränkung: Filme sind zwar für einen Wellenlängenbereich empfindlich, der fast zweimal so groß ist wie der des menschlichen Auges, im Vergleich mit digitalen Aufnahmesystemen ist die Empfindlichkeit der Filmmaterialien für bestimmte Wellenlängen aber begrenzt.
  • Kosten- und zeitintensiv
  • Keine Farbnormierung: Bei der Aufnahme von farbigen Luftbildern ergeben sich Schwierigkeiten einer Standardisierung durch:
    • Verfall der Sensibilität und Allgemeinempfindlichkeit von Emulsionsschichten
    • Unmöglichkeit der Herstellung eines stets gleichbleibenden Produkts
    • Temperaturschwankungen und andere Einflüsse bei der Filmentwicklung
    • Atmosphärische und Beleuchtungsbedingungen bei der Aufnahme (gilt auch für Satelliten)
    • Belichtung
    • Filterung
  • Verknüpfung mit anderen Daten nicht direkt möglich: Eine direkte Verknüpfung von Luftbildern mit digitalen Daten ist nicht möglich.

Luftbilder lassen sich unterscheiden

Um die analogen Vorlagen normaler Photographien z.B. für GIS verwenden zu können, ist es notwendig, die Bilder mit Hilfe eines Scanner zu digitalisieren, sie zu entzerren und zu geokodieren. Luftbilder können aber auch analog interpretiert und die Interpretationsergebnisse in Karten übertragen werden, die dann abdigitalisiert werden.

Die Informationen, die in Luft- und Satellitenbildern gespeichert sind, lassen sich in vielfältigster Weise nutzen. Entsprechend unterschiedlich sind auch die dabei verfolgten Ziele. Einerseits kann es sich um die Feststellung einfacher Sachverhalte handeln, oft in Kombination mit der Erstellung thematischer Karten. Andererseits liefert die Auswertung von Luft- und Satellitenbildern reichhaltige Beiträge zu komplexen Untersuchungen des Landschaftshaushaltes, zur Analyse sozioökonomischer Strukturen, zur Erfassung landschaftlicher Veränderungen usw. Entsprechend breit gestreut sind die Anwendungsgebiete, die vielfach miteinander verflochten und oft nur schwer gegeneinander abgrenzbar sind. Zu diesen Anwendungsfeldern gehören nach Albertz (2007) Kartographie, Katastophenvorsorge und -management, Geologie und Geomorphologie, Bodenkunde und Altlastenerkundung, Forst- und Landwirtschaft, Tierkunde, regionale Planung, Siedlungen und technische Planungen, Archäologie, Gewässerkunde und Ozeanographie, Meteorologie und Klimaforschung, weitere, hier noch nicht angeführte Bereiche der Geographie, Planetenforschung.

In vielen Bereichen des Land(schafts)monitorings hat das Luftbild größere Bedeutung als digitale Satellitendaten. Die Wahl zwischen Luftbild und Satellitenbild für eine bestimmte Fragestellung in der Umweltanalyse ist von der erforderlichen Auflösung und der Größe des abzudeckenden Gebietes abhängig.

aufnahmerichtung

Mögliche Aufnahmerichtungen bei der Luftbildaufnahme


Quelle: Hildebrandt 1996, aus Rellstab 2003

Weitere Informationen:

Luftbildarchäologie

Syn. archäologische Flugprospektion; engl. aerial archeology, franz. archéologie aérienne; Forschungsmethode der Archäologie, die sich des Luftbildes zum Erkennen, Erforschen und zur Dokumentation von historischen und prähistorischen Stätten bedient. Dabei werden verschiedenste Luftfahrzeuge wie z. B. Flugzeuge, Hubschrauber, Ballone und auch Drohnen / UAVs eingesetzt. Auch aus dem Weltraum aufgenommene Aufnahmen, z. B. von Satelliten, der ISS oder einem Space Shuttle, werden für die archäologische Forschung herangezogen.

Die Methode erlaubt es, archäologische Fundstellen zerstörungsfrei, d.h. ohne Eingriff in den Boden zu entdecken und zu dokumentieren. Die Befliegung dient in erster Linie dazu, aus der Fülle der aus der Luft erkennbaren Strukturen diejenigen von archäologischem Interesse auszusondern und fotografisch zu erfassen. Bekannte Denkmäler werden mit Hilfe der Luftbildarchäologie auf Anzeichen von Veränderungen oder Gefährdung hin untersucht. Ausgrabungen werden mit Luftbildern vorbereitet, unterstützt und dokumentiert. Bis dato unbekannte Denkmäler können anhand spezieller Merkmale lokalisiert werden, wobei selbst komplett verschüttete vorzeitliche Anlagen aufgrund ihres Einflusses auf die Vitalität der darüber wachsenden Vegetation erkundet werden können.

Aufgrund der Zunahme von Raubgrabungen wird der Standort der Fundorte nur noch ungefähr in den Publikationen angegeben.

Werden nicht speziell für archäologische Zwecke aufgenommene Luftbilder ausgewertet, spricht man von Archäologischer Luftbildinterpretation. Die Arbeit umfasst in der Regel folgende Schritte: Die Recherche vorhandener fremder Bilder, die Beschaffung archäologisch geeigneter Bilder, die Archivierung erworbener Bilder und schließlich die archäologische Interpretation der Bilder.

Bei der Luftbildrecherche werden verschiedene Informationsquellen erschlossen. Zu solchen Bildquellen gehören z.B. Archive der militärischen Luftaufklärung, der geologischen und geographischen Fernerkundung, der Landesvermessung usw.

Demgegenüber ist die archäologische Flugprospektion eine Methode zur gezielten Entdeckung, Beobachtung und Dokumentation archäologischer Fundstellen. Während die archäologische Luftbildinterpretation überwiegend zur Prospektion oberirdisch erhaltener Fundstellen eingesetzt wird, kann man mit der Flugprospektion auch oberirdisch völlig eingeebnete und nur noch unterirdisch erhaltene Fundstellen ausfindig machen.

Bodendenkmäler können aus der Luft durch verschiedene Merkmale angezeigt werden:

Weitere Informationen:

Luftbildinterpretation

Syn. Photointerpretation; die Interpretation von Luftbildern. Erfassung der in einem photographischen Bild vorhandenen Informationen über Merkmale des Aufnahmeobjektes aufgrund qualitativer und quantitativer Analyse, logischer Kombination und individueller Erfahrung vom Interpreter. Bei Luftbildern (die mit großen Bildwinkeln aufgenommen worden sind) ist zu beachten, daß die Wiedergabe von Objektoberflächen innerhalb der Bildfläche nicht in gleicher Weise erfolgt. Gründe dafür sind vor allem die Wirkung des Helligkeitsabfalls in der Bildebene und die schräg einfallende Sonnenstrahlung. Daraus folgt, daß aus Farbunterschieden (auch aus Schwärzungsunterschieden) benachbarter Bildteile sehr zuverlässig auf Objektunterschiede geschlossen werden kann, während Unterschiede zwischen weit entfernten Bildteilen vorsichtig bewertet werden müssen.
Die Bildinterpretation liefert für Fragestellungen der Geographie, der Archäologie, der Landwirtschaft, des Forstwesens, der Hydrologie, der Gewässerkunde und der militärischen Erkundung wesentliche Daten.

Luftbildkamera

Engl. camera for aerial photography, franz. chambre (de prise de vue) aérienne; Kamera zur Aufnahme von Luftbildern. Hierzu gehören u.a. Konvergent-, Panorama-, Streifen- und Mehrfachkameras. Am wichtigsten sind die Reihenmesskameras (RMK). Dies sind Systemkameras, die aus verschiedenen Systembaussteinen nach Bedarf kombiniert werden können.
Die wesentlichen Elemente einer RMK:

Kameraöffnungen Zeiss Top 15 Leica Geosystems RC 30

Links: Öffnungen am Flugzeugboden für Luftbildkameras

Mitte: Intergraph (Zeiss) RMK TOP 15, analoge filmbasierte Reihenmesskamera

Rechts: Leica Geosystems RC 30, analoge filmbasierte Reihenmesskamera

Quelle: Hochschule Bochum

Die heute verstärkt eingesetzten digitalen Aufnahmesysteme erfassen die Bildinformation mit Hilfe opto-elektronischer Sensoren, die anstelle einer Filmschicht im Bildraum angebracht sind. Sie liefern unmittelbar ein elektronisches Bild, das durch geeignete Komponenten digitalisiert und in einen Rechner übertragen werden kann.Der Begriff "Digitales Aufnahmesystem" umfasst daher alle an der Erzeugung beteiligten Systemkomponenten. Digitale Luftbildkameras sind geeignet, mittelfristig die analoge Luftbildaufnahme zu ersetzen. Mit Einführung der digitalen Systeme wird der Datenfluss in der photogrammetrischen Datenerfassung und Auswertung vollständig digital. Arbeiten im Fotolabor entfallen somit und die A/D-Wandlung mittels Scannern ist nicht mehr erforderlich. Dies gewährleistet ein hohes Automationspotential in der digitalen photogrammetrischen Prozesskette. Weitere Vorteile der digitalen Systeme liegen in der erweiterten spektralen Empfindlichkeit und der Lieferung multispektraler Bilddaten zusätzlich zum panchromatischen Bild.

Digitale Luftbildkameras

Von links nach rechts:
HRSC-AX (DLR) - ADS-40 (LH Systems) - DMC (Z/I Imaging)

ADS-40 eingebaut im Flugzeug

ADS-40 im Flugzeug eingebaut


Digitale Luftbildkameras

Das Prinzip des Zeilensensors wird in der High Resolution Stereo Camera (HRSC-AX), eine Entwicklung des DLR in Berlin-Adlershof, und in dem Airborne Digital Sensor (ADS40), die gemeinsam von der DLR und Leica Geosystems entwickelt wird, eingesetzt. Dagegen beruht die Aufnahmetechnik der Digital Modular Camera von Z/IImaging auf einem Flächensensor.

Quelle: Hochschule Bochum

Luftbildkarte

Die Wiedergaben photographischer Senkrechtaufnahmen mit kartenähnlicher Ausgestaltung und erläuternder Kartenbeschriftung. Das umgebildete Luftbild wird mit Kartenrahmen, Legende, Gitterkreuz und Beschriftung ergänzt und als Luftbildkarte im Maßstab 1:2.000 bis 1:25.000 präsentiert. Das Bild muss zuvor in die Kartenprojektion überführt werden. Diese Bildkarten sind oft anschaulicher als klassische topographische Karten, allerdings sind die kartographischen Informationen stark reduziert.
Analog gilt dies bei Verwendung von Satellitenaufnahmen in Maßstäben ab 1:50.000, die man dann Satellitenbildkarten nennt. Beide Versionen sind Sonderformen topographischer Karten.

Luftlicht

Engl. path radiance, franz. radiation dispersée de l‘atmosphère; nach DIN 18716: "in Richtung auf einen Sensor wirkender Anteil der diffusen Himmelsstrahlung".

Das Luftlicht entsteht durch die Streuung der Sonnenstrahlung an den Luftmolekülen und Aerosolen (bis 100 μm große Schwebeteilchen) in der Atmosphäre. Durch die Einwirkung des Luftlichtes werden die geringen Objektkontraste bei der photographischen Luftbildaufnahme weiter reduziert. Die Verwendung von Gelbfiltern reduziert den negativen Einfluss des kurzwelligen Luftlichtes.

Luftbildphotographie

Photographischer Bereich, bei dem Photos eines Geländes (Immobilie, Veranstaltung, Liegenschaft etc.) aus der Vogelperspektive angefertigt werden. Man spricht dann von Luftbildern, Luftaufnahmen oder Luftphotos.
Luftbilder werden häufig mit bemannten Fluggeräten, wie Helikoptern, Propeller- und Segelflugzeugen oder Traghubschraubern angefertigt. Die Branche, dich sich mit der Luftbildphotographie beschäftigt, wird auch als Luftbildwesen bezeichnet.
Im Vergleich zu Hochbildern werden Luftbilder aus einer größeren Höhe aufgenommen. Eine Luftbildaufnahme kann aus 50, 100, 500 oder auch 1000 Metern Höhe aufgenommen werden. Hochbilder hingegen bezeichnen meist Aufnahmen aus 10 bis 20 Metern Höhe.

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Luftschiff

Lenkbares Luftfahrzeug, dessen Auftrieb auf aerostatischen Kräften beruht und das über einen eigenen Antrieb verfügt. Haupteinsatzgebiete heutzutage sind touristische Rundfahrten, Luftwerbung, sicherheitstechnische Überwachungsaufgaben (Großereignisse, Verkehr, Militär, Relaisstation) und vereinzelt auch Forschungsaufgaben im Rahmen der Fernerkundung (Umweltmonitoring, Rohstoffsuche).

Im Rahmen des EU-Projekts PEGASOS untersuchte der Zeppelin NT in mehrwöchigen Kampagnen unter Federführung des FZ Jülich die Qualität im europäischen Luftraum. Im Fokus der PEGASOS-Kampagne standen zum einen Schwebeteilchen in der Luft, zum anderen das "Waschmittel" der Atmosphäre, das chemische Hydroxyl-Radikal (OH-Radikal). Es leitet den Abbau der meisten Schadstoffe ein und ist somit ein Maß für die Reinigungskraft der Atmosphäre. In einem natürlichen Kreislauf wird es auch wieder recycelt.

pegasos_topplattform_montiert

 

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Wissenschaftliche Nutzung des Zeppelin NT

Links: Zeppelin NT mit Topplattform bei der Vorbereitung auf eine PEGASOS-Kampagne

Mitte: Blick auf die Geräte der Topplattform

Rechts: Kabinenlayout während einer PEGASOS-Kampagne

Quelle: ZLT

Als Träger von Fernerkundungs-Systemen ergeben sich für den Einsatz von Luftschiffen folgende Vor- und Nachteile:

Vorteile Nachteil
  • hohe Flugstabilität bei gleichzeitiger Vibrationsfreiheit
  • Kabine mit flexiblen Ausstattungsformen
  • bei Zeppelin NT, Typ LZ N07: Topplattform auf dem oberen Längsträger montierbar
  • Aufsteigen und Absinken mit verschiedener Geschwindigkeit möglich
  • Geschwindigkeit von 0 -120 km/h
  • extremer Langsamflug auch in niedriger Flughöhe
  • jede Kombination von Horizontal- und Vertikalprofilen möglich
  • punktgenaue Manövrierfähigkeit
  • Driften mit dem Luftvolumen
  • Langzeitflüge bis 50 Stunden
  • geringe Lärmemissionen beim Überflug
  • niedriger Geräuschpegel in der Kabine
  • Einsatz von zusätzlich manövrierfähigen Gondeln
  • geringe Betriebskosten und geringe Anforderungen an die Bodeninfrastruktur
  • Landemöglichkeit auch abseits von Flughäfen in geeignetem Gelände
  • Höhenbegrenzung auf 3 km vom Startplatz
  • Wettersensibel
  • Unwetteranfälligkeit abseits der Heimatbasis (vgl. Verlust eines geparkten Zeppelin NT bei der De Beers-Mission)

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Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS)

Raumsonde der NASA, die am 18. Juni 2009 zusammen mit dem Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) zum Mond gestartet ist und am 9. Oktober 2009 auf dem Mond einschlug. Von der LCROSS-Mission erhoffte man durch Erzeugung eines künstlichen Kraters definitive Erkenntnisse über das Vorhandensein von Wassereis am Südpol des Mondes zu erhalten, welches eine wichtige Rolle für zukünftige bemannte Mondmissionen spielen könnte.
LCROSS bestand aus zwei separaten Teilen: dem Shepherding Spacecraft (S-S/C) und der Earth Departure Upper Stage (EDUS), die auf dem Weg zum Mond verbunden blieben und erst bei der Annäherung an den Südpol des Mondes getrennt wurden. EDUS, die nichts anderes als die Centaur-Oberstufe der Trägerrakete war, sollte kurze Zeit darauf in der Nähe des Südpols aufschlagen und eine Partikelwolke erzeugen, wobei etwa 1000 Tonnen Mondmaterial ausgeworfen werden sollten. Anschließend flog das Shepherding Spacecraft durch die Wolke, analysierte sie mit Hilfe seiner Instrumente, bevor es ebenfalls auf dem Mond aufschlug. Das ganze Ereignis sollte parallel vom LRO sowie von Satelliten und Teleskopen im Erdorbit und von der Erdoberfläche aus beobachtet werden.
Der Einschlag sollte schon mit größeren Amateurteleskopen zu beobachten sein, es stellte sich jedoch heraus, dass selbst die Observatorien Keck und Gemini auf Hawaii im sichtbaren Bereich keine Anzeichen des Einschlags verzeichneten. Offenbar war die Trümmerwolke kleiner als erhofft, was in der Öffentlichkeit mit Enttäuschung aufgenommen wurde. Basis für die wissenschaftliche Auswertung sind die optischen Spektren, die von verschiedenen Sensoren erfasst wurden und deren Auswertung einige Zeit in Anspruch nehmen wird. Die Menge an Hydroxyl in der entstanden Wolke lässt Rückschlüsse auf den Gehalt von Wasser bzw. Eis im Krater zu.

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Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO)

Mondsonde der NASA, die am 18. Juni 2009 von Cape Canaveral aus zusammen mit dem Lunar CRater Observation and Sensing Satellite (LCROSS) zum Mond gestartet ist. Ziel der Mission ist die hochaufgelöste Kartierung der gesamten Mondoberfläche (Topographie, Fotografie, Indikatoren für Vorkommen von Wassereis) und die Messung der kosmischen Strahlenbelastung (Instrument LEND).

Wissenschaftler der Arizona State University schufen mit den Daten der LRO-Weitwinkelkamera und des Lunar Orbiter Laser Altimeters das bislang genaueste topographische Abbild des Mondes mit einer Bodenauflösung von 100 m.

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Lunar Reconnaissance Orbiter

Die LRO-Instrumente liefern globale Daten wie Karten zu Tag-/Nacht-Temperaturen, ein globales geodätisches Gitter, hoch aufgelöste Farbbilder und die UV-Albedo des Mondes. Jedoch gibt es einen besonderen Augenmerk auf die Polregionen des Mondes, wo ein kontinuierlicher Zugang zur Sonnenbeleuchtung möglich ist, und wo die Aussicht auf Wasser in den dauerhaft beschatteten Polarregionen bestehen könnte.

Links: Der Orbiter in künstlerischer Darstellung

Rechts: Topographie des Mondes

Quellen: NASA - GSFC / NASA

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