Breitbandige reflektierende multispektrale Bildgebung
Breitbandige reflektierende multispektrale Sensoren und thermische Sensoren werden separat behandelt, da sie auf unterschiedlicher Physik basieren. In der Praxis werden diese beiden Gruppen von passiven Sensoren jedoch oft als unterschiedliche Bänder im selben Gerät montiert. Dies gilt für viele Sensorsysteme wie TM, Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM +) und ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) (Tabelle 1).
Breitbandige reflektive multispektrale Bilddaten werden am häufigsten für geologische und umwelttechnische Studien verwendet und gelten als effektives operatives Werkzeug für die Kartierung tektonischer Strukturen und der Lithologie, für die Mineralienexploration, für die logistische Planung und für die Navigation bei Feldaufnahmen. Diese Gruppe von Sensoren erweitert den Anwendungsbereich von der Erdbeobachtung auf die Erforschung von Planeten und ist oft das Hauptwerkzeug für die Datenerfassung von anderen Planeten. Ein typisches Beispiel ist die Erforschung des Mars.
Die amerikanische Landsat-Satellitenfamilie TM, ETM + und die französische SPOT-Satellitenfamilie (Système Pour 1’Observation de la Terre) mit hoher sichtbarer Auflösung (HRV) sind die am häufigsten verwendeten Erdbeobachtungssysteme, die breitbandige multispektrale und panchromatische Bilddaten mit globaler Abdeckung liefern. Wie in Tabelle 1 dargestellt, arbeiten diese Arten von Sensorsystemen im sichtbaren Spektralbereich mit Bändern, die den drei Grundfarben Blau (380-440 nm), Grün (440-600 nm) und Rot (600-750 nm) entsprechen, im nahen Infrarotbereich (NIR) (750-1100 nm) und im kurzwelligen Infrarotbereich (SWIR) (1550-2400 nm). Die Anzahl der Bänder und die spektrale Breite im VNIR- (visible near infrared) und SWIR-Spektralbereich hängen von den atmosphärischen Fenstern und dem Sensordesign ab. So muss die spektrale Breite der SWIR-Bänder viel breiter sein als die der sichtbaren Bänder, wenn die gleiche räumliche Auflösung erreicht werden soll, wie es bei den TM-Bändern 5 und 7 der Fall ist, weil die Sonnenstrahlung im SWIR-Spektralbereich deutlich schwächer ist als im sichtbaren Spektralbereich.
Im Allgemeinen bedeutet „breit“, dass der Spektralbereich deutlich breiter als einige Nanometer ist, außer bei den unten beschriebenen hyperspektralen Sensorsystemen. Breitbandige reflektive multispektrale Sensorsysteme sind ein gelungener Kompromiss zwischen räumlicher und spektraler Auflösung. Mit relativ breiten Spektralbändern bietet ein solches Sensorsystem eine vernünftige räumliche Auflösung mit hohem SNR (Signal-Rausch-Verhältnis). Da es in einem breiten Spektralbereich vom VNIR bis zum SWIR arbeitet, kann ein solches System Bilder von multispektralen Bändern liefern, die die Identifizierung wichtiger Bodenobjekte und die Unterscheidung verschiedener Landbedeckungsarten ermöglichen. Mit der dramatischen Verbesserung der Sensortechnologie, von mechanischen Scannern über Push-Broom-Scanner bis hin zu CCD-Digitalkameras, wird die räumliche Auflösung von breitbandigen Multispektralbildern immer besser. Bei sonnensynchronen Satelliten in der nahen polaren Umlaufbahn wurde die räumliche Auflösung dieser Art von Sensoren von 80 m (Landsat MSS) in den 1970er Jahren auf weniger als einen Meter bei aktuellen Systemen verbessert, wie die Beispiele in Tabelle 2 zeigen.
Der VNIR-Spektralbereich wird von fast allen breitbandigen reflektiven multispektralen Sensorsystemen genutzt. Dieser Spektralbereich liegt innerhalb des solaren Strahlungsmaximums und ermöglicht somit die Erzeugung von Bildern mit hoher Auflösung und hohem SNR. Er deckt auch diagnostische Merkmale von wichtigen Bodenobjekten ab, wie die wenigen folgenden Beispiele zeigen:
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Vegetation: Geringfügiger Reflexionspeak in Grün, Absorption in Rot und dann ein signifikanter Reflexionspeak im NIR, oft als „rote Kante“ bezeichnet.
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Wasser: Starke Diffusion und Penetration in Blau und Grün, und fast vollständige Absorption im NIR.
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Eisenoxid (rote Böden, Gossans, etc.): Absorption in Blau und hohe Reflexion in Rot.
Viele Satellitensensorsysteme haben das blaue Band nicht verwendet, um starke Rayleigh-Streueffekte in der Atmosphäre zu vermeiden, die ein Bild „dunstig“ machen können. Eine beliebte Konfiguration ist es, drei breite Spektralbänder in Grün, Rot und NIR anzubieten, wie im Fall von SPOT 1-3 (Tabelle 1), aber mit der Verbesserung der Sensorempfindlichkeit ist dies bei den neuesten kommerziellen raumgestützten Sensoren mit hoher Auflösung nicht mehr der Fall (Tabelle 2). In einem Computergrafiksystem können wir die Drei-Band-Bilder als Farbkomposit darstellen, wobei NIR in Rot, Rot in Grün und Grün in Blau angezeigt wird. Ein solches Farbkompositbild wird als Standard-Falschfarbenkomposit bezeichnet. Dieses Bild ist am effektivsten für die Kartierung gesunder Vegetation.
Der SWIR-Spektralbereich gilt als der effektivste für die lithologische Kartierung und die Mineralienexploration, da die meisten Gesteinsarten einen hohen Reflexionsgrad im Bereich von 1,55-1,75 μm aufweisen und Tonminerale (oft Alterationsprodukte), die mit der Mineralisierung zusammenhängen, verschiedene Absorptionsmerkmale im Spektralbereich 2,0-2,4 μm aufweisen. Diese beiden SWIR-Spektralbereiche, die den Landsat TM-Bändern 5 und 7 entsprechen, werden von Geologen bevorzugt. SWIR-Sensorsysteme sind technisch schwieriger und komplizierter, weil die SWIR-Detektoren bei niedrigen Temperaturen arbeiten müssen, die daher ein Kühlsystem (ein Kühlmittel aus flüssigem Stickstoff oder ein Kryokühler) erfordern, um die Detektoren auf etwa 80 K zu halten.
Mit sechs breiten reflektierenden Spektralbändern bot Landsat TM/ETM + viele Jahre lang die beste spektrale Auflösung unter den Breitbandsensorsystemen. Die sechs breiten reflektierenden Spektralbänder sind sehr effektiv für die Unterscheidung verschiedener Bodenobjekte, aber sie reichen nicht aus, um eine spezifische Identifizierung bestimmter Gesteinsarten und größerer Mineralzusammensetzungen in Bezug auf Mineralvorkommen zu erreichen. Dies erfordert ein Sensorsystem mit viel höherer spektraler Auflösung bei einer Bandbreite von wenigen Nanometern, um deren subtile spektrale Signaturen aufzulösen. Diese Forderung hat zur Entwicklung der hyperspektralen Systeme geführt.
ASTER (ein Push-Broom-Scanner für VNIR- und SWIR-Bänder), an Bord des Terra-1-Satelliten, ist ein Vertreter eines Übergangssensorsystems zwischen breitbandiger Multispektral- und hyperspektraler Schmalbandsensorik. Es ist ein integriertes System aus drei Scannern: einem VNIR-Push-Broom-Scanner mit drei breiten Spektralbändern, einem SWIR-Push-Broom-Scanner mit sechs schmalen Spektralbändern und einem mechanischen TIR-Querschnittsscanner mit fünf thermischen Bändern (Tabelle 1). Das System kombiniert eine gute räumliche Auflösung in den VNIR-Bändern und eine hohe spektrale Auflösung in SWIR und den thermischen Bändern und wurde speziell für geologische Anwendungen entwickelt. Die drei VNIR-Bänder mit einer Auflösung von 15 m reichen aus, um breite Kategorien der Landbedeckung wie Vegetation, Wasser, rote Böden, urbane Gebiete, oberflächliche Ablagerungen und Gesteinsaufschlüsse zu unterscheiden, während die sechs schmalen SWIR-Bänder mit einer Auflösung von 30 m das Potenzial haben, wichtige Mineralzusammensetzungen von Gesteinsarten und -veränderungen zu kartieren. Ein weiterer einzigartiger Vorteil von ASTER ist die Stereofähigkeit entlang der Spur. Der VNIR-Scanner verfügt über ein rückwärtsgerichtetes Teleskop zur Aufnahme von NIR-Bildern neben dem Nadir-Teleskop für die drei VNIR-Bänder. So werden Nadir- und rückwärtsgerichtete NIR-Bilder gleichzeitig aufgenommen und bilden Stereobildpaare entlang der Spur. Die Stereobildpaare entlang der Spur ermöglichen die Generierung von DEM-Daten (Digital Elevation Model).