# Fernerkundung
## Einführung

Diese Lernressource befasst sich mit dem Begriff Fernerkundung und damit mit der Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt zugängliche Objekte durch Messung und Interpretation der von ihnen ausgehenden oder reflektierten elektromagnetischen oder Schallwellen.

### Aufgabe - Erfassungsmethoden

* Vergleichen Sie die Vorteile und Nachteile von Erfassungsmethoden der Fernerkundung! FÜr manche Untersuchungen ist z.B. ein direkter Zugang zum Untersuchungs- oder Beobachtungsobjekt erforderlich. Identifizieren Sie Forschungsfragen, für die eine Fernerkundung nicht ausreichende Informationen liefert und bodengestützte Methoden zusätzlich erforderlich sind!
* Für andere Untersuchunggebiete ist Fernerkundung ggf. aus Kostengründen oder kapazitären Gründen die einzige Möglichkeit, kostengünstig und berührungsfrei eine Erkundung der Erdoberfläche durchzuführen. Welche Anwendungsgebiete sind das.
* (technische Instrument für die Fernerkundung) Betrachten Sie die Erdatmosphäre oder Meerergebiete. Analysieren Sie Möglichkeiten des Umweltmonitoring, um eine nachhaltige Nutzung zu messen und entsprechende Entscheidungen daraus abzuleiten.
** Was ist z.B. durch den Einsatz von Flugzeug- oder Satelliten-getragene Sensoren möglich und wo liegen die Grenzen von Fernerkundungssensoren wie Kameras oder Scanner im Bereich der Auslösung oder bei optischen Beeinträchtigung der Sensoren, wie z.B. Wolken oder Nebel.
** Je nach Größe des zu Zielgebietes für die Forschungsfrage kommen aber auch „Drohnen“ oder Ballons als Plattform zum Einsatz. Analysieren die Chancen und Grenzen dieser technischen Messinstrumente und diskutieren ebenfalls weitere Anwendungsgebiete der Fernerkundung, die sich durch die Photogrammetrie ergeben, indem man aus einer Bildsequenz von Einzelbilder eine dreidimensionales digitales Abbild generieren kann (Satellitengeodäsie).

### Begriffsabgrenzung

Die Beobachtung von Steren/Himmelkörpern in der Planetologie und Astronomie ist nicht der Fernerkundung zugeordnet, obwohl auch hier Fernerkundungssensoren zum Einsatz kommen.

### Unterscheidung - passive und aktive Fernerkundungssysteme

Bei der Fernerkundung finden passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können. Passive Systeme zeichnen die von der Erdoberfläche reflektierte Sonnenstrahlung auf (zum Beispiel Multispektralkamera) sowie die von der Erdoberfläche emittierte Eigenstrahlung (zum Beispiel Wärmebildkamera). Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflektierte Anteile (zum Beispiel Radarsysteme und Laseraltimeter).
* (Photogrammetrie und räumliche Wahrnehmung in der Biologie) Bei der Photogrammetrie werden Aufnahmen aus unterschiedlichen Blickwinkeln dazu verwendet ein digitales 3D-Modell eines räumlichen Objektes zu erzeugen (siehe OpenDroneMap)
* (Räumliches Sehen) Auch unser Gehirn nutzt die beiden räumlich versetzten Bildinformationen von unseren Augen dazu, unsere Umwelt dreidimensional wahrzunehmen. Analysieren Sie technische Umsetzungen diese biologischen evolutionär entwickelten Konzeptes der räumlichen Wahrnehmung, um mit z.B. zwei in einem festen Abstand "fliegenden" Satelliten zur Erdbeobachtung einzusetzen.

### Globaler Blick und Fernerkundung

Fernerkundungsdaten sind insbesondere in den Geowissenschaften, Geographie, den Umweltwissenschaften und der Geophysik von großer Bedeutung, da eine globale Beobachtung der Erdoberfläche und -atmosphäre in hoher räumlicher Auflösung nur mit Hilfe von Fernerkundungssensoren möglich ist.
* (Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen) Analysieren Sie die [[v:en:Sustainable_Development_Goals|Nachhaltigkeitsziele der Vereinten Nationen und betrachten Sie die einzelen Ziele. In welchen Fällen ist ein synoptischer Überblick über große Räume mit satellitengestützte Fernerkundungssensoren möglich und sinnvoll, um mit einer wiederholten (zum Teil tägliche) Abdeckung ein und desselben Gebiets bzgl. bestimmter Umweltfaktoren (z.B. Abholzung, Luftverschmutzung, Wasserverschmutzung, Extremereignisse, ...) zu untersuchen. Notieren Sie dabei den Zusammenhang von Fernerkundungsmethoden und dem Nutzen für die konkrete Anwendung (z.B. Lichtemission während der Nacht zeigen in der "vorher-nachher"-Betrachtung, dass ein Gebiet nach einem Erdbeben keine Licht mehr emittiert. Damit kann das ein Indikator für die Verfügbarkeit von Elektrizität sein).
* (Zugänglichkeit von Regionen) Fernerkundungsdaten bieten gegenüber Vor-Ort-Messungen insbesondere bei schwer zugänglichen Gebieten der Erdoberfläche Vorteile, Daten für die Entscheidungsunterstützung zu gewinnen. Betrachten Sie das im Kontext von Extremereignissen und Schlammlawinen, die das digitale Höhenmodell eines Gebietes "vorher-nachher"-Betrachtung verändert, und damit auch die nicht mehr befahrbare Straßen oder Schienentrassen nach Extremereignissen identifzieren kann. Welche Bedeutung hat diese Ansatz auch für schwer zugängliche Bergregionen mit geringer Bevölkerungszahl zusammen mit eine hohen Aktualität und Kontinuität der Messwerte, für die Entscheidungsunterstützung und Planung von Hilfen.

## Geschichte

Die Fernerkundung hat ihre Ursprünge in der militärischen Aufklärung. Von einem meist hochgelegenen Punkt (Berg) versuchte man die Bewegungen des Gegners zu beobachten. Mit Beginn der Luftfahrt änderte sich die Darstellung von der Perspektive in eine Draufsicht von oben. Anfangs dienten dazu noch Fesselballone mit menschlichen Beobachtern und Zeichenblock, später Flugzeuge mit Luftbildkameras. Die Luftbildfotografie konnte relativ früh ausgewertet werden, allerdings war das Ergebnis immer stark abhängig vom Auswerter. Die heute mit Satellitenplattformen und diversen Bildaufzeichnungsgeräten und Spektralabtastern gewonnenen Daten können mit Computersystemen be- und verarbeitet werden (digitale Bildverarbeitung). Diese automatisierte und systematische Auswertung wurde ab den 1990er Jahren verbessert. Trotzdem bleibt auch heute noch die visuelle Bildinterpretation wichtig.
Während zunächst eine Status-quo-Erfassungen der Erdoberfläche (Kartierung) etabliert hatte, wird seit den 1990er Jahren zunehmend auch die Erfassung von Veränderungen (Monitoring) vorangetrieben.
Die Spannbreite für die Verwendung von Fernerkundungsdaten reicht von Ressourcenmanagement in Land- und Forstwirtschaft sowie Fischerei (z. B. Landnutzungsinventuren, Erntevorhersagen) über die Gewinnung von Umweltinformationen (z. B. Luft- und Gewässerverunreinigungen, Erosion, Desertifikation), Planung und Stadtentwicklung (Kartierung von Siedlungsgebieten etc.) und Katastrophenmanagement (Copernicus u. a.) bis zur Erkundung von Rohstoff- und Wasservorkommen.

## Fernerkundungssensoren

In der Fernerkundung finden sowohl passive oder aktive Systeme Verwendung, wobei weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums ausgewertet werden können.
Die gebräuchlichsten Sensortypen sind:
* Multispektralkamera
* Thermalbildkameras
* Radarsysteme
* Hyperspektralsensoren
* Mikrowellenradiometer
* Laseraltimeter
* Interferometer
* Luftbildkamera

## Fernerkundungssatelliten

Es befinden sich eine Vielzahl von Satelliten in der Erdumlaufbahn. Je nach Aufgabengebiet werden diese auch in Umweltsatelliten und Wettersatelliten unterteilt; die Übergänge zwischen beiden Kategorien sind jedoch fließend.
Die wichtigsten staatlichen und kommerziellen Erdbeobachtungssatelliten bzw. Satellitenprogramme sind
* (halb)staatlich:
** Copernicus (ESA, Europa)
** Envisat, (ESA, Europa)
** ERS, (ESA, Europa)
** Landsat, (NASA, USA)
** SPOT, (CNES, Frankreich)
** IRS, (ISRO, Indien)
** Earth Observing System (EOS), (NASA, USA), u. a. Terra und Aqua
** TerraSAR-X, (DLR, Deutschland)
** TanDEM-X, (DLR, Deutschland)
** Sentinel, (ESA, Europa)
* kommerziell:
* DigitalGlobe (4 WorldView, GeoEye-1)
* Airbus Defence and Space (SPOT 6 & 7, 2 Pléiades)
* Planet Labs mit Terra Bella (87 Dove-Kleinsatelliten, 5 RapidEye, 5 SkySat)
* BlackSky Global (Pathfinder-1 und -2)
Die Liste von Erdbeobachtungssatelliten listet viele weitere Satelliten auf. Die aufgeführten Satelliten haben unterschiedlichste spektrale, räumliche, zeitliche, optische und radiometrische Auflösungen.

## Einsatzgebiete

Entsprechend der Vielfalt des Lebensraums Erde, ist auch das Einsatzgebiet der modernen Fernerkundung sehr weit gefächert. Durch die einzigartige Möglichkeit, auch große Gebiete in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung zu erfassen, wird die Fernerkundung in sehr vielen Disziplinen eingesetzt.
* Geowissenschaften, Geographie, Kartografie und Geodäsie
** Höhenrelief und Wasserwege
** Geologie (Gesteinstypen, Lagerstätten)
** Landbedeckung, Landnutzung und Landmanagement
** Urbanisierung (Ausbreitung der Städte)
** Forstwirtschaft (Inventarisierungen, Holzpotentialabschätzungen, Waldschadenskartierung, Wegebauplanungen etc.)
** Landwirtschaft (Erntevorhersagen, Anbauflächen, Überprüfung von subventionierten Brachflächen, precision farming etc.)
** Vegetationsphänologie (Aspektfolge)
* Katastrophenschutz
** Waldbrände (Ausmaß der Zerstörung)
** Vulkanausbrüche (Vorhersage und Überwachung)
** Erdbeben (Höhenänderung)
** Dürremonitoring
** Umweltverschmutzung (Öleinleitung auf den Weltmeeren)
* Klimatologie, Meteorologie und Ozeanographie
** Wettervorhersage
** Klimaüberwachung
** Seegangsmessung (Oberflächenwellen, Strömung)
* Atmosphärenphysik und -chemie
** Spurengase, Wolken, Aerosole
** Temperatur, Luftdruck
** Strahlungshaushalt, Strahlungsbudget
** Überwachung von Emissionen, z. B. Kohlendioxid
* Archäologie
** Archäologische Flugprospektion
* Rüstungskontrolle
** Verifikation von Abrüstungsvereinbarungen
* Menschenrechte
** Vorher-Nachher-Vergleich großflächiger Zerstörungen

## Einteilung und Untergliederung
### Nach Anwendungsbereich

Fernerkundungsdaten kommen in vielen geowissenschaftlichen Disziplinen zur Anwendung. Entsprechend wird die Fernerkundung weiter unterteilt.
Untergliederung der Fernerkundung nach Anwendungsbereich
* Bodenkundliche Fernerkundung
* Landwirtschaftliche Fernerkundung
* Botanisch/vegetationskundliche Fernerkundung
* Forstwirtschaftliche Fernerkundung
* Geologische Fernerkundung/Photogeologie
* Hydrologische Fernerkundung
* Ozeanographische Fernerkundung
* Limnologische Fernerkundung
* Urbane Fernerkundung/Stadtfernerkundung
* Umweltfernerkundung (fernerkundliches Umweltmonitoring)
* Klimatologisch/meteorologische Fernerkundung
* Atmosphärische Fernerkundung
* Archäologische Fernerkundung/Luftbildarchäologie
* Geodätische Fernerkundung/Satellitengeodäsie
* Photogrammetrie

### Nach Messverfahren

Fernerkundungsdaten werden in den verschiedensten Wellenlängenbereichen und mit unterschiedlichen Messmethoden erhoben. Entsprechend lässt sich die Fernerkundung weiter untergliedern.
Untergliederung der Fernerkundung nach Messverfahren
* Photogrammetrie und Luftbildmessung
* Spektrale Fernerkundung in optischen Wellenlängenbereichen (UV, VIS, IR). Bei der Fernerkundung von fein verästelten Wasserflächen wird ausgenutzt, dass diese sich in spiegelnder Reflexion stark von Landflächen abhebt, was die spektrale Auswertung selbst dann erlaubt, wenn die Bildauflösung nicht ausreicht, um den Uferverlauf aufzulösen.
* Passive Mikrowellenfernerkundung, Radiometrie
* Aktive Mikrowellenfernerkundung (Radar)
* Laseraltimetrie
* Interferometrie (Radarinterferometrie)

### Nach Auswerteverfahren

Zur Bereitstellung flächendifferenzierter Geodaten werden Fernerkundungsdaten mit unterschiedlichen Auswerteverfahren weiterverarbeitet. Je nach gewähltem Auswerteverfahren kann die Fernerkundung weiter untergliedert werden.
Untergliederung der Fernerkundung nach Auswerteverfahren
* Fernerkundliche Klassifizierung und Segmentierung
* Fernerkundliche Zeitreihenanalyse
* Empirisch-statistische (chemometrische) Analyse von Fernerkundungsdaten
* Fernerkundliche Strahlungstransfermodellierung
* Fernerkundliche Modellinversion (Inversion von Strahlungstransfermodellen)
* Assimilation von Fernerkundungsdaten in prozessorientierte (dynamische) Modelle
* Fernerkundliche Entmischungsverfahren
* Fernerkundliche Veränderungsdetektion (engl. Change detection)
* Bildspektroskopie
* Luftbildinterpretation und visuelle Interpretation von Fernerkundungsdaten
* Luftbildmessung und photogrammetrische Verfahren (Stereophotogrammetrie)

## Methoden

In der Analyse von analogen und digitalen Fernerkundungsdaten kommen eine Vielzahl von Methoden und Verfahren zur Anwendung, die nachfolgend stichwortartig aufgeführt sind. Hinzu kommen geowissenschaftliche Arbeitsschritte, die mit der Erfassung von Referenzmessungen im Gelände zusammenhängen (nicht aufgeführt). Aus der Aufzählung wird deutlich, in welch starkem Maße die Fernerkundung eine methodische Wissenschaft ist.
* Methoden der digitalen Bildverarbeitung
** Datenaufbereitung für visuelle Interpretationen (u. a., Kontrastspreizung, Farbsättigung)
** Transformationen des Farbraumes
** Merkmalsextraktion und Mustererkennung
** Überwachte und unüberwachte Klassifizierungs- und Segmentierungsverfahren (u. a., Clusterverfahren, Maximum-Likelihood-Klassifikator, Support Vector Machine, Kohonennetze)
** Geometrische Korrekturen, geometrische Rektifizierung und Entzerrung
** Radiometrische und atmosphärische Korrekturen
** Filterverfahren im Orts- und Frequenzbereich (u. a., Fourieranalyse)
** Texturanalyse
* Statistische und Chemometrische Verfahren
** Regressionsanalyse
** multiple und schrittweise multiple Regression
** Partielle Kleinste-Quadrate-Schätzung
** Hauptkomponentenregression (englisch Principal Component Regression, kurz: PCR)
** Diskriminanzanalyse
** Statistische Versuchsplanung (englisch design of experiments)
* Geostatistische Verfahren
** Interpolationsverfahren (u. a., Kriging und Co-Kriging)
* Verfahren der Zeitreihenanalyse und Signalverarbeitung
** Trendanalyse
** Fernerkundliche Veränderungsdetektion/change detection
** Verfahren zur Filterung von Zeitreihen (u. a., Maximum Value Compositing und Savitzky-Golay Filter, Splines)
* Lernende Verfahren und Verfahren der Künstlichen Intelligenz
** Künstliche neuronale Netze
** Genetische Algorithmen
** Optimierungsverfahren
* Strahlungstransfermodellierung und Mathematische Modellierung
** Entwicklung von physikalisch basierten Strahlungstransfermodellen
** Inversion von Strahlungstransfermodellen
** Spektrale Entmischungsverfahren (englisch spectral unmixing)
** Sensitivitätsanalyse
** Computersimulation
* Assimilationsverfahren
** Kalman-Filter
** Rekalibrierungs- und Reinitialisierungsverfahren von dynamischen Prozessmodellen
* Verfahren der Geoinformatik
** GIS Analysen (u. a., Verschneidungen, Buffering, Topologieanalysen)
** Morphologische Bildverarbeitung
** Data-Mining
* Labor- und Geländespektroskopie
** Spektroskopische Messungen
* Verfahren der visuellen Bildinterpretation
** Bildansprache
** Texturansprache
** Bildinterpretation
** Stereobildinterpretation
* Photogrammetrische Verfahren
** Bildmessung
** Stereophotogrammetrie

## Didaktik

Es wird versucht, das Thema Fernerkundung in den Schulunterricht zu integrieren. Dabei kann es sich um die Einbindung von Fernerkundungsdaten, wie photographische, digitale oder mikrowellengestützte Luft- und Satellitenbilder, oder von Fernerkundungsmethoden, wie Resampling, Klassifikation von Landoberflächen und Zeitreihenanalysen, als didaktische Hilfsmittel handeln.
Es gibt verschiedene Lernplattformen/ Lernmodule (z. B. FIS, geospektiv oder YCHANGE) für den Einsatz in Schulen. Eingesetzt werden neben anderer Software der virtuelle Globus Google Earth oder das Geoinformationssystem QGIS.