Lexikon der Fernerkundung

AVIRIS

Engl. Akronym für Airborne Visible InfraRed Imaging Spectrometer. Der hyperspektrale Fernerkundungssensor misst Strahlung im sichtbaren und infraroten Bereich zwischen 400 nm und 2500 nm. Diese 2100 nm breite Spanne ist in 224 einzelne (aber zusammenhängende) Kanäle eingeteilt, was eine in der Fernerkundung einzigartige spektrale Auflösung darstellt. Zuerst wurde das flugzeuggetragene System 1987 eingesetzt, bisher auf fünf verschiedenen Plattformen:

AVIRIS ist ein optomechanischer Scanner, der pro Bildzeile 614 Pixel aufzeichnet. Die Pixel- (Auflösung) und die Streifenbreite hängt dabei natürlich von der Flughöhe und damit von der Plattform ab. Mit der ER-2 (Flughöhe = 20 km) wird eine Auflösung von 20 × 20 m bei 11 km Streifenbreite erreicht. Von der Twin Otter getragen (Flughöhe = 4 km), können Werte von 4 × 4 m bzw. 2 km erzielt werden.

Das Hauptziel des AVIRIS-Projekts ist die Identifizierung, Messung und Beobachtung von Bestandteilen der der Erdoberfläche und der Atmosphäre mit Hilfe der molekularen Absorption und der von der Partikelstreuung erzeugten Signaturen. Die Daten dienen vornehmlich dem Verständnis von umweltrelevanten Prozessen und des Klimawandels. Damit betreffen die Forschungsfelder von AVIRIS die Bereiche Ökologie, Ozeanographie, Geologie, Schneehydrologie, Wolken und Atmosphäre.

Einsatzgebiete waren bisher die USA, Kanada, Teile Südamerikas und Europa. Ein AVIRIS-ähnliches Instrument zur Erkundung der mineralogischen Verhältnisse auf dem Mond wurde 2008 als Beitrag der NASA zur indischen Sonde Chandrayaan-1 gestartet: der Moon Mineralogy Mapper.

AVIRIS-3

Das Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer 3 ist das dritte Spektrometer der AVIRIS-Serie und wurde parallel zum Compact Wide-swath Imaging Spectrometer II (CWIS-II) gemeinsam mit der Universität Zürich (Schweiz) entwickelt. Das Kernspektrometer von AVIRIS-3 ist eine Kopie des optisch schnellen F/1,8-Dyson-Bildspektrometers, das von der Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT) verwendet wird, die derzeit auf der Internationalen Raumstation (ISS) im Einsatz ist.

AVIRIS-3 soll in den nächsten zehn Jahren und darüber hinaus modernste bildgebende Spektroskopie-Messungen für die Wissenschaft und Anwendungen der NASA liefern. AVIRIS-3 nutzt das EMIT-Spektrometer-Design in Verbindung mit einem skalierten Zwei-Spiegel-Teleskop, das in einem kompakten Vakuumbehälter untergebracht ist, um Messungen von luftgestützten Plattformen aus zu ermöglichen.

AVIRIS-3 ist ein kryogenes Instrument mit fortschrittlicher Systemsteuerung und Echtzeit-Algorithmen zur spektroskopischen Datenverarbeitung an Bord, die aus AVIRIS-NG weiterentwickelt wurden. Der Spektralbereich von AVIRIS-3 reicht von 380 bis 2500 nm mit einer Abtastrate von 7,4 nm. Der radiometrische Bereich reicht von 0 bis zur maximalen terrestrischen Lambert'schen Strahlungsintensität mit einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis als bei AVIRIS-Classic oder AVIRIS-Next Generation. Das räumliche Sichtfeld beträgt 39,5 Grad mit einer Abtastrate von 0,56 Milliradian.

Beispieleinsatz bei der Bekämpfung von Waldbränden

AVIRIS-3 hat 2025 einen neuen Ansatz bei der Bekämpfung von Waldbränden ermöglicht und Echtzeitdaten geliefert, die den Feuerwehrleuten vor Ort bei der Eindämmung eines Brandes in Alabama halfen. Das Instrument entdeckte am 19. März ein 120 Hektar großes Feuer, das den Behörden noch nicht gemeldet worden war.

Während AVIRIS-3 an Bord eines King Air B200-Forschungsflugzeugs über das Feuer etwa 5 km östlich von Castleberry, Alabama, flog, analysierte ein Wissenschaftler an Bord des Flugzeugs die Daten in Echtzeit und stellte fest, wo das Feuer am stärksten brannte. Die Informationen wurden über das Satelliteninternet an die Feuerwehrleute und Forscher am Boden übermittelt. Diese leiteten die Bilder, die den Umfang des Feuers zeigen, an die Telefone der im Einsatz befindlichen Feuerwehrleute weiter.

Alles in allem dauerte der Prozess von der Entdeckung während des Überflugs bis zur Alarmierung auf den Handgeräten nur wenige Minuten. Die Daten zeigten den Feuerwehrleuten nicht nur den Ort und das Ausmaß des Feuers, sondern auch dessen Umkreis, so dass sie abschätzen konnten, ob sich das Feuer ausbreiten würde und entscheiden konnten, wo sie Personal und Ausrüstung einsetzen sollten.

Wildfire Maps Help Firefighters in Real Time
Wildfire Maps Help Firefighters in Real Time Quelle: NASA Earth Observatory

AVIRIS-NG (Next Generation) ist seit 2012 im Einsatz und gewährleistet die Datenkontinuität zu AVIRIS Classic.

AVIRIS-5

Das Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer 5 (AVIRIS-5) ist ein luftgestütztes Bildspektrometer, das am Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA entwickelt wurde. Es ist baugleich mit dem Earth Surface Mineral Dust Source Investigation (EMIT) Imaging Spectrometer, das auf der Internationalen Raumstation (ISS) installiert ist. Es misst Strahlungsintensitäten und erfasst Bilder im Spektralbereich von 380 bis 2500 nm mit 425 Kanälen bei einer spektralen Auflösung von 5 nm. AVIRIS-5 hat eine räumliche Auflösung von 8 Metern. AVIRIS Classic bot lediglich 224 Spektralkanäle

AVIRIS 5 ist der neueste Nachfolger des ursprünglichen AVIRIS Classic und bietet eine deutlich verbesserte Leistung sowohl bei der spektralen Abtastung als auch bei der räumlichen Auflösung. Seine räumliche Auflösung von 8 Metern ist eine erhebliche Verbesserung gegenüber der gröberen Auflösung von Orbital-Systemen wie ASTER, EnMAP und PRISMA. Über die Kombination aus feinen spektralen Details und scharfer räumlicher Klarheit liefert AVIRIS 5 mit die hochauflösendsten regionalen Hyperspektral-Datensätze, die in Nordamerika verfügbar sind.

AVIRIS-5 ist Teil einer jahrzehntelangen Reihe von Spektrometern des JPL, die zur Erforschung der Erde, des Mondes und fast aller größeren Gesteinsplaneten im Sonnensystem eingesetzt werden. Der neue Sensor teilt seine Herkunft mit den Instrumenten, die die Kruste des Mars kartiert, die Seen auf Titan entdeckt und erstmals Wasser auf dem Mond gefunden haben. AVIRIS-5 wurde jedoch für die Erde und für Geschwindigkeit entwickelt.

AVIRIS-5 erkennt die spektralen „Fingerabdrücke“ von Mineralien und anderen Verbindungen im reflektierten Sonnenlicht. Wie seine Verwandten, die im Weltraum fliegen, nutzt der Sensor die Tatsache, dass alle Arten von Molekülen, von Seltenerdelementen bis hin zu Blütenpigmenten, einzigartige chemische Strukturen aufweisen, die verschiedene Wellenlängen des Lichts absorbieren und reflektieren. Mit Hilfe von AVIRIS-5 können Gesteine der Erdoberfläche vom Flugzeug aus auf potenzielle Vorkommen von Lithium und anderen wichtige Mineralien gescannt werden. Das Verfahren nutzt einzigartige Reflexionsmuster, um Mineralien zu erkennen und potenzielle Vorkommen zu kartografieren.

Aviris-5 hat in etwa die Größe eines herkömmlichen Mikrowellenofens und ist in der Nase des Forschungsflugzeuges ER-2 der NASA untergebracht, mit dem die geologische Kartierung der Erdoberfläche zusammen mit dem U.S. Geological Survey (USGS), der geologischen Behörde der USA, erfolgt.

Der Sensor besteht im Wesentlichen aus Spiegeln, Detektorarrays und Elektronenstrahlgitter. Sie dienen dazu, das von der Oberfläche reflektierte Licht einzufangen und dann wie ein Prisma in einzelne Farben zu zerlegen.

Im ersten Jahr absolvierte AVIRIS-5 im Rahmen des Geological Earth Mapping Experiment (GEMx) mehr als 200 Flugstunden. Das Forschungsprojekt GEMx nutzte AVIRIS, um Messungen über den ariden und semiariden Regionen des Landes, darunter Teile von Kalifornien, Nevada, Arizona und New Mexico, zu sammeln.

Davon abgeleitete Bildwürfel veranschaulichen das Datenvolumen, das von den Bildspektrometern des JPL erfasst wird. Die Vorderseite zeigt Straßen und Felder rund um Tulare, Kalifornien, wie sie von AVIRIS-5 während eines Testflugs Anfang des Jahres 2025 aufgenommen wurden. Die Seitenflächen zeigen den spektralen Fingerabdruck, der für jeden Punkt im Bild erfasst wurde.

Bildwürfel veranschaulicht das von AVIRIS erfasste Datenvolumen
Bildwürfel veranschaulicht das von AVIRIS erfasste Datenvolumen Quelle: NASA

Das umfassendere Projekt Earth Mapping Resources Initiative (Earth MRI) zielt darauf ab, die Oberflächen- und Untergrundkarten des Landes zu modernisieren, um Ressourcen zu identifizieren, die für die Energieversorgung, die Fertigung und die nationale Sicherheit von entscheidender Bedeutung sind. Ein erster Höhepunkt ist die Entdeckung von Hectorit, einem wertvollen lithiumhaltigen Ton, der in den Abraumhalden einer stillgelegten Mine in Kalifornien gefunden wurde.

Lithium gehört zu den 50 Mineralien, die der USGS aufgrund von Risiken in der Lieferkette als kritisch einstuft. Die Möglichkeit, solche Vorkommen aus der Stratosphäre zu erkennen, gibt Geologen angesichts der weltweit steigenden Nachfrage ein leistungsstarkes neues Werkzeug an die Hand. Das Projekt, das in Zusammenarbeit mit dem U.S. Geological Survey (USGS) durchgeführt wird, ist die bislang größte luftgestützte Mineralienkartierungskampagne des Landes.

Instrument AVIRIS bei der Suche nach seltenen Mineralien
Instrument AVIRIS bei der Suche nach seltenen Mineralien Quelle: NASA

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