hyperspektrale Fernerkundung

Verfahren, bei dem mit Hilfe spezieller Multispektral-Scanner oder besser Hyperspektral-Scanner mit mehr als 200 Kanälen, Daten des elektromagnetischen Spektrums, die bei der Rückstreuung von Strahlung, beispielsweise des Sonnenlichts, an der Erdoberfläche entstehen (Radianz, Reflektanz), aufgenommen und gezielt ausgelesen werden.

Multispektrale Fernerkundungssensoren wie Landsat TM oder SPOT XS nehmen Daten in wenigen, relativ breiten Spektralkanälen auf. Im Gegensatz dazu arbeiten hyperspektrale Sensoren, wie HyMap, nach dem Prinzip eines bildgebenden Spektrometers und registrieren die Strahlungsintensitäten in Dutzenden oder hunderten eng benachbarten schmalen spektralen Kanälen vom sichtbaren Licht bis in den mittleren Infrarotbereich.

Unterschiedliche Materialien wie Minerale, Gesteine, Böden und Vegetation besitzen unterschiedliche Absorptions- beziehungsweise Reflexionsbande im elektromagnetischen Spektrum und lassen sich daher über diese Spektren identifizieren. Für jedes Pixel, das von einem abbildenden Spektrometer aufgenommen wurde, ergeben sich daher bei einer großen Anzahl von Messwerten (in 50 bis 300 Kanälen) materialspezifische Reflexionskurven.

Diese Hyperspektraldaten können mittels digitaler Bildverarbeitung und spezieller Software-Pakete (zum Beispiel ENVI) sichtbar gemacht, bearbeitet und interpretiert werden. Man kann auf diese Weise Materialien an der Erdoberfläche mithilfe von Fernerkundungsdaten identifizieren.

Hyperspektrale Bilder zielen darauf ab, ein nahezu kontinuierliches Spektrum für jedes Pixel im Bild einer Szene zu erhalten, wodurch die Vorteile der multispektralen Bilder erweitert werden, bei denen die Lichtintensität auf einer begrenzten Anzahl separater Bänder des elektromagnetischen Spektrums gemessen wird. Die Abbildung unten zeigt ein Beispiel für die Darstellung eines hyperspektralen Datenprodukts, wobei jede Schicht des Würfels dieselbe 2D-Szene abbildet, die in einer bestimmten Wellenlänge λ beobachtet wurde. Für jedes Pixel erfasst ein hyperspektraler Sensor die Lichtintensität für eine große Anzahl (typischerweise einige zehn bis mehrere hundert) aneinandergrenzender schmaler Spektralbänder. Jedem Pixel im Bild ist somit ein nahezu kontinuierliches Spektrum zugeordnet. Die hohe spektrale Auflösung eines hyperspektralen Imagers ermöglicht die Detektion, Identifizierung und Quantifizierung von Oberflächenmaterialien sowie die Ableitung biologischer und chemischer Prozesse. Die hyperspektrale Erdbeobachtung war lange hauptsächlich auf Luftbilder und wissenschaftliche Demonstrationsmissionen beschränkt. Neue Wege wurden mit dem Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) beschritten, einer deutschen hyperspektralen Satellitenmission zur regionalen Charakterisierung und Überwachung der Erdoberfläche auf globaler Skala.

Beispiel eines hyperspektralen Datenprodukts (data cube) Dieser "Bildwürfel" (data cube) von JPL's Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometer (AVIRIS) zeigt den Umfang der Daten, die das Instrument liefert. AVIRIS nahm die Daten am 20. August 1992 auf, als es mit einem ER-2-Flugzeug der NASA in einer Höhe von 20.000 Metern über Moffett Field, Kalifornien, am südlichen Ende der Bucht von San Francisco, geflogen wurde. Der obere Teil des Würfels ist ein Falschfarbenbild, das die Strukturen im Wasser und in den Verdunstungsteichen auf der rechten Seite hervorhebt. Auf der Oberseite des Würfels ist auch der Flughafen Moffett Field zu sehen. Die Seiten des Würfels sind Schnitte, die die Kanten der Oberseite in allen 224 AVIRIS-Spektralkanälen zeigen. Die oberen Bereiche der Seiten liegen im sichtbaren Teil des Spektrums (Wellenlänge 400 Nanometer), die unteren im infraroten Bereich (2.500 Nanometer). Die Seiten sind pseudofarbig und reichen von Schwarz und Blau (geringe Reaktion) bis Rot (hohe Reaktion). Von besonderem Interesse ist der kleine Bereich mit hoher Reaktion in der oberen rechten Ecke der größeren Seite. Diese Reaktion liegt im roten Bereich des sichtbaren Spektrums (etwa 700 Nanometer) und ist auf das Vorhandensein von 1 Zentimeter langen roten Salzwassergarnelen im Verdunstungsteich zurückzuführen. Quelle: NASA/JPL

Hyperspektrale Fernerkundung bei der BGR als Beispiel

In der Fernerkundung der BGR werden Hyperspektraldaten zur flächenhaften Kartierung und Quantifizierung von Mineralogie, Lithologie und Böden in unterschiedlichen Maßstäben eingesetzt. Die Schwerpunktaufgaben der Fernerkundung liegen dabei auf der Verschneidung der spektralabgeleiteten mineralogischen Informationen mit Informationen aus Geologie, Geophysik, Geochemie und Mineralogie und auf der Entwicklung von Expertensystemen, die eine synergistische Nutzung der verschiedenen Informationen ermöglicht. Damit werden wichtige Informationen, wie zum Beispiel flächenhafte Mineralvergesellschaftungen, Ableitung der Härte eines Gesteins, Detektion bestimmter Mineralphasen, für die Rohstoffexploration und -exploitation geliefert. Die Charakterisierung und Kartierung von Böden kann durchgeführt und die Überwachung von Abraumhalden sowie der Abbaufortschritt im Bergbau unterstützt werden. Weitere Einsatzgebiete sind u.a. die Detektion von Kohlenwasserstoffen in Gesteinen zur Unterstützung der Bewertung potentieller kohlenstoffführender Gesteine.

In der hyperspektralen Fernerkundung, auch abbildende Spektrometrie genannt, wird sowohl die reflektierte Sonnenstrahlung als auch die emittierte Strahlung, auch Eigenstrahlung, der Erdoberfläche mittels einer hohen Anzahl an schmalen Kanälen in kontinuierlichen Spektren aufgezeichnet. Diese Daten ermöglichen die Identifizierung und Quantifizierung der stofflichen Zusammensetzung von Oberflächen anhand von diagnostischen Spektralmerkmalen, die durch die Interaktion der elektromagnetischen Strahlung mit den Atomen und Molekülen eines Körpers/Oberfläche entstehen. Die Spektralmerkmale zeigen sich dabei als Reflexionsminima (Absorptionen) oder als Reflexionsmaxima (Peaks). Für eine Spektralanalyse wird sowohl die Position und Form als auch die Intensität eines Merkmales je nach Anforderung mathematisch beschrieben und extrahiert.

Für spektrale Analysen in der Fernerkundung der BGR werden folgende Wellenlängenbereiche genutzt: Der solar-optische Bereich (Reflexion des Sonnenstrahlung) umfasst dabei die sichtbare Strahlung (VIS), das nahe Infrarot (NIR) und das kurzwellige Infrarot (SWIR). Die emittierte Strahlung umfasst den Bereich des mittleres Infrarots (MIR) von 3 – 5 µm und den des langwelliges Infrarots (LWIR) von 7 bis 12 µm, der auch als thermales Infrarot (TIR) bezeichnet wird. (BGR)

Relevante Satellitenmissionen

Weitere Informationen:

• Hyperspektrale Fernerkundung (BGR)
• Hyperspectral image cube showing Mount Vesuvius, Italy (ESA)
• Hyperspectral Analysis - Technical Guides & other documentation (MicroImages)
• HyVista - Startseite
• Going hyperspectral for CHIME (ESA)
• Beyond the Visible – Einführung in die hyperspektrale Fernerkundung (eo College)
• Beyond the Visible – Introduction to Hyperspectral Remote Sensing (eo College)
• Hyperspectral Imagers (The Earth Observation Handbook Rio+20)
• Hyperspectral Imaging (eoPortal)