Experiment FEM – AUSTROMIR-91

Die Fernerkundung („Remote Sensing“) beschäftigt sich mit den Methoden der Erdbeobachtung aus Flugzeugen und Raumflugkörpern. Dabei werden photographische Spezialkameras oder elektronische Sensorsysteme eingesetzt, die die von der Erde reflektierten Anteile der elektromagnetischen Strahlung registrieren. Aufgrund ihrer spezifischen Reflexionseigenschaften – unterschiedliche Spektralverteilung und Intensität, die in Fernerkundungsaufnahmen in Form von Farb- und Helligkeitsunterschieden erkennbar werden – können Objekte auf der Erdoberfläche erkannt und bewertet werden. Die Fernerkundung ist eines der wichtigsten Instrumente zur Überwachung der Umwelt: von der Waldschadensdiagnose bis zur Vorhersage von Ernteerträgen oder dem Aufspüren von Meeresverschmutzungen.

Hauptaufgabengebiet der Fernerkundung ist die anwendungsbezogene Forschung, also die Auswertung und Verarbeitung der Photos und digital erfaßten Daten. Mit Entwicklung und Bau der teuren Aufnahmesysteme hingegen beschäftigt sich nur ein kleiner Kreis von Experten in den führenden Raumfahrtnationen.

Forschungsziel

Für Theorie und Praxis der Fernerkundung sind radiometrische Unterschiede zwischen den verschiedenen Aufnahmemethoden von großem Interesse. Einen entscheidenden Anteil daran haben durch die Erdatmosphäre bedingte Störungen. Innerhalb der verschiedenen Luftschichten werden Lichtstrahlen durch den Einfluß von Wasserdampf und Aerosol (Kleinstpartikel natürlichen oder künstlichen Ursprungs) gestreut und gelangen daher nicht zu den Sensoren in der Raumstation (bzw. der Kamera im Flugzeug). Überdies wird bereits die einfallende Sonnenstrahlung, noch bevor sie am Boden reflektiert wird, gestreut. Diese Strahlenanteile beleuchten teilweise als (blaue) Himmelsstrahlung die Objekte am Boden zusätzlich und überlagern andererseits als Streulicht die von der Erdoberfläche zurückkommenden Strahlen.

Verschiedene Effekte bewirken, daß ohne Kenntnis der aktuellen atmosphärischen Verhältnisse, aus einer Fernerkundungsaufnahme nicht unmittelbar auf die radiometrische Charakteristik des Bodens geschlossen werden kann. Zur Beschreibung und Simulation der sehr komplexen Vorgänge in der Atmosphäre gibt es mathematische Modelle. Sie bestehen aus theoretisch-physikalischen Formeln mit Parametern, die durch Messungen oder auf empirischen Weg gewonnen wurden. Von den beim Experiment FEM anfallenden Daten erwartet man sich eine Überprüfung und Verbesserung der bisher verwendeten Atmosphärenmodelle. Damit wird es möglich, die atmosphärischen Einflüsse aus Fernerkundungsdaten zu eliminieren und somit ihre Aussagekraft zusätzlich zu erhöhen.

Bei der AUSTROMIR 91-Mission ergab sich erstmals die Möglichkeit, die in der Raumstation vorhandenen Fernerkundungssensoren über österreichischem Gebiet gezielt einzusetzen. Dadurch konnten in Österreich gleichzeitig mit den Aufnahmen an Bord der Station Vergleichsmessungen durchgeführt werden. So war der Zusammenhang zwischen den von der Station aus gemessenen Daten einerseits, den tatsächlichen Gegebenheiten auf der Erde andererseits, sowie zusätzlich aus einem Flugzeug durchgeführten Fernerkundungsaufnahmen herstellbar.

Ergebnisse

Bei den ersten Aufnahmen für FEM wurde anstatt der Multispektralkamera MKF-6MA das Aufnahmesystem PRIRODA-5 verwendet. Die Bilder, die 60% des Bundesgebiets stereoskopisch abdecken, weisen eine ausgezeichnete Detailschärfe auf und haben hohen dokumentarischen Wert. Ein Teil der Aufnahmen liegt als Original-Farbnegative vor, die sich für kartographische Projekte eignen: Stadtkarten von Bratislava bzw. Wien und Umgebung und eine Regionalkarte des Nationalparks Hohe Tauern.

Die größte Bedeutung haben allerdings jene Aufnahmen, mit denen ganz Österreich abgedeckt wurde. Obwohl es teilweise zu Beeinträchtigungen in Form von Wolken und Nebelfeldern kam, ist ihre Qualität generell bemerkenswert. Da der Bildwinkel relativ groß ist, wurden die Aufnahmen mit einer Bodenauflösung im Ausmaß von 50 m x 50 m digitalisiert und für die Herstellung eines druckreifen Kartenbildes geometrisch entzerrt.

Bei der Weiterentwicklung der radiometrischen Untersuchungen, die vor allem für die Standardisierung von Fernerkundungs-Bilddaten unter Berücksichtigung der atmosphärischen Einflüsse Bedeutung haben, geht es vor allem um qualitative Vergleiche von zu verschiedenen Zeitpunkten aufgenommenen Fernerkundungsbildern, um die Kombination von Daten unterschiedlicher Sensoren und um die Analyse von aus unterschiedlichen Blickwinkeln aufgenommenen Daten.

Für FEM wurden quasi simultan Meßdaten am Boden, in der Luft und auf der Raumstation MIR aufgenommen. Daher konnten Boden-Probeflächen berücksichtigt werden, die nicht auf allen Aufnahmen eindeutig zu identifizieren sind. Die Luftbilder dienten dabei als Bindeglied. Da am 5. und am 7. Oktober teilweise die gleichen Gebiete überflogen wurden, war es erstmals möglich, Aufnahmen von identen Vegetationsflächen bei unterschiedlichen Blickwinkeln bzw. Sonnenständen miteinander zu vergleichen. Mit Hilfe der zusätzlich vorliegenden Meßdaten konnte eine bisher nur für zeitgleich entstandene Aufnahmen verwendete Methode eingesetzt werden. Durch Einbeziehung einer nur knapp eine Stunde später aufgenommenen Szene desselben Gebiets mit Geräten des Satelliten LANDSAT wurden wertvolle Erkenntnisse über die Aussagekraft unterschiedlicher Auflösungen zur Erkennung und Klassifikation verschiedener Objekte gewonnen.

Ein junger und vielversprechender Zweig der Fernerkundung sind Radaraufnahmen, die allerdings mit herkömmlichen Aufnahmen nur schwer zu vergleichen sind. Da sie bis jetzt nicht erfaßbare Informationen enthalten, ist eine Kombination der verschiedenen Sensorsysteme anzustreben. Voraussetzung dafür ist die geometrische Entzerrung der Daten.

Grundsätzlich ist anzumerken, daß neue Informationen über die geometrischen und physikalischen Grundlagen der Fernerkundung gebracht hat. Das vorliegende Material wird weiterhin für wissenschaftliche Untersuchungen verwendet werden. Da die Aufnahmen für FEM den größten Teil des Bundesgebietes zum selben Zeitpunkt und mit hoher Detailauflösung zeigen, haben sie hohen dokumentarischen Wert. Gemeinsam mit den vorliegenden Referenzmessungen stellen sie eine ausgezeichnete Vergleichsgrundlage für die Beobachtung und Dokumentation des Umweltzustands in Österreich dar.

Praktische Anwendung

Anwendungsgebiete

Fernerkundung
Kartographie
Digitale Bildverarbeitung
Atmosphärenforschung
Vegetationskunde
Waldzustandserhebung
Umweltüberwachung
Landschaftsplanung
Öffentlichkeitsarbeit und Unterricht

Anwendungsziele

Verbesserung der Zuverlässigkeit von Fernerkundungsauswertungen
Herstellung von Karten größerer Landschaften mit hoher Detailauflösung und aktuellem Stand
Methoden zur Bildverbesserung und Kombination verschiedener Informationen
Auswirkung der Änderung der Transmission der Atmosphäre bei verschiedenen Wetterlagen bzw. anthropogenen Emissionen
Spektrale Signaturen verschiedener Vegetationsarten
Kalibrierung von Aufnahmen unterschiedlicher Zeitpunkte zur Ermöglichung objektiver Vergleiche
Erfassung eines Umweltzustandes bundesweit zu einem Termin
Darstellung von Landschafts- und Siedlungsstrukturen
Anschauliche Darstellung von Umweltproblemen

An der Nutzung der Experimentergebnisse direkt interessierte Institutionen

Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung, Technische Universität Wien
Institut für Fernerkundung und Vermessungswesen, Universität für Bodenkultur, Wien
Institut für Meteorologie und Klimatologie, Universität für Bodenkultur, Wien
Institut für Geographie, Universität Klagenfurt
Institut für Digitale Bildverarbeitung und Graphik, Joanneum Research, Graz
Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik, Wien
Firma Geospace, Bad Ischl
Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen, Wien
Umweltbundesamt, Wien

Technische Daten

Im Rahmen des Experimentes FEM wurden folgende sowjetische Apparaturen verwendet, die sich als Standardausrüstung bereits auf der Raumstation MIR befanden:

Multispektralkamera MKF-6MA

Die Multispektralkamera MKF-6MA, die im Rahmen des Fernerkundungsexperimentes FEM zum Einsatz kam, wurde von der Firma Carl Zeiss in Jena gebaut. Die Kamera war im Modul QUANT-2 eingebaut und senkrecht auf die Erdoberfläche ausgerichtet. Sie besaß 6 Objektive Pinotar 4/125 mm, die jeweils ein Negativ im Format 55 x 81 mm² belichtete. Alle 6 Einheiten wurden gleichzeitig ausgelöst und nahmen dasselbe Gebiet auf der Erdoberfläche auf. Durch vorgeschaltete Filter erfolgte die Unterscheidung verschiedener Spektralbereiche zwischen den Wellenlängen 480 nm (=blau) und 840 nm (=kurzwelliges Infrarot).

Spektrometer MKS-M2

Das Spektrometer MKS-M2, das im Experiment FEM eingesetzt wurde, war außerhalb von QUANT-2 auf der steuerbaren Plattform ASP-G-M montiert. Mittels einer parallel ausgerichteten Fernsehkamera konnte die Plattform vom Boden aus so gesteuert werden, daß das Spektrometer während des gesamten Überfluges auf ein Gebiet ausgerichtet blieb. Das Gerät registrierte die reflektierte Strahlung, bezogen auf eine Fläche von 3 x 3 km² (13 Kanäle) bzw. 0,7 x 7 km² (6 Kanäle) am Boden. Alle 19 Spektralkanäle lagen zwischen 415 und 1030 nm und lieferten 30 mal pro Sekunde jeweils einen eigenen Meßwert. Diese wurden über Telemetrie zur Erde übermittelt.

Spektrometer PHASA

Das Spektrometer PHASA, das ebenfalls im Rahmen des Experimentes FEM verwendet worden war, wurde vom Institut für Astrophysik und Physik der Atmosphäre der Estnischen Akademie der Wissenschaften entwickelt. Es befand sich ebenfalls an der Außenseite von QUANT-2 und war senkrecht auf die Erde ausgerichtet. Dieses Gerät maß in Anständen von 1/10 Sekunden direkt unter die Flugbahn der Station die Rückstrahlung einer auf der Erde 1 x 1 km² großen Fläche. Dabei entstanden in 8 Kanälen zwischen 445 und 2190 nm Wellenlänge Strahlungsprofil. Die Datenaufzeichnung erfolgte durch die Bodenleitstelle.

Experimentatoren

o. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Karl Kraus (Institutsvorstand)
Dipl.-Ing. Rainer Kalliany (Projektverantwortlicher)
alle: Institut für Photogrammetrie und Fernerkundung der Technischen Universität Wien
o. Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Kurt Richter (Institut für Grundlagen und Theorie der Elektrotechnik, Technische Universität Graz)
Univ.-Doz. Dr. Helmut Rott (Institut für Meteorologie und Geophysik, Universität Innsbruck)
Dr. Werner Schneider (Institut für Vermessungswesen und Fernerkundung, Universität für Bodenkultur, Wien)
o. Univ.-Prof. Dr. Inge Dirmhirn (Institut für Meteorologie, Klimatologie und Grundlagen der Physik, Universität für Bodenkultur, Wien)
Univ.-Doz. Dr. Manfred Buchroitner (Forschungsgesellschaft Joanneum Ges.m.b.H, Institut für digitale Bildverarbeitung und Graphik, Graz
o. Univ.-Prof. Dr. Martin Seger (Institut für Geographie, Universität Klagenfurt)