Arbeiten mit Satellitendaten in Global Mapper

Wenn die Sonne scheint, sendet sie elektromagnetische Strahlung zur Erde, von der wir einen Teil als Licht wahrnehmen. Verschiedene Materialien, Oberflächen und Merkmale reflektieren diese Energie auf unterschiedliche Weise. Der bekannteste Bereich elektromagnetischer Strahlung ist sichtbares Licht – das Licht, das unsere Augen wahrnehmen und mit dem wir die Welt um uns herum sehen – mit Wellenlängen zwischen 380 und 720 Nanometern. Das gesamte Spektrum elektromagnetischer Strahlung umfasst viele Wellenlängen, und bestimmte Bereiche dieser Energie rufen bestimmte Wirkungen hervor oder werden für spezielle Zwecke genutzt. Ultraviolettes Licht, das Sonnenbrand verursacht, hat beispielsweise eine Wellenlänge von 300 bis 380 Nanometern, während die Energie von Röntgenstrahlen mit einer Wellenlänge von 0.03 bis 300 Nanometern noch kürzer ist. Am anderen Ende des Spektrums liegt die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung bei etwa 1 Millimeter bis 30 Zentimetern.

Satellitendaten entstehen durch die Aufzeichnung der reflektierten und emittierten elektromagnetischen Strahlung in bestimmten Wellenlängenbereichen. Während ein Satellit in der Erdumlaufbahn ein Gebiet überfliegt, erfassen hochentwickelte Sensoren die von der Erdoberfläche emittierte und ins Weltall zurückreflektierte Energie. Diese Daten werden schließlich im Rasterformat bereitgestellt, wobei jedes Pixel einen Wert der unterschiedlichen Strahlungsreflexion darstellt.

Satellitengestützte Daten unterteilen Bereiche reflektierter Energie nach Wellenlänge in separate Bildebenen für dieselbe Szene. Jede dieser Ebenen wird als Band bezeichnet und kann als eigenständige Rasterebene mit einem einzelnen Wert pro Pixel vorliegen. Eine gängige Quelle für Satellitendaten ist Landsat 8 (OLI), der die folgenden Bandbezeichnungen verwendet, um die Reflexion verschiedener Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung zu unterscheiden.

Quelle: Welche Landsat-Spektralbänder eignen sich am besten für meine Forschung?

Landsat-8- und andere satellitengestützte Daten können über EarthExplorer , ein vom USGS betriebenes Datenportal, heruntergeladen werden. Im Dialogfeld „Online-Datenquellen“ von Global Mapper finden Sie im Ordner „Bildmaterial“ einen direkten Link zu EarthExplorer. Durch die Verbindung mit dieser Quelle wird die Downloadseite von USGS EarthExplorer in einem Webbrowser geöffnet. Dabei wird der aktuelle Bildschirmausschnitt von Global Mapper als Downloadbereich verwendet, wodurch Satellitendaten für ein Projektgebiet einfach gefunden und heruntergeladen werden können.

Erstellung multispektraler Bilder

Durch die Kombination verschiedener Spektralbänder zu einer einzigen multispektralen Ebene lassen sich zusätzliche Details eines Gebiets darstellen. Multispektrale Bilder werden in Global Mapper erstellt, indem die einzelnen Spektralbänder geladen und als einzelnes Mehrband-Rasterbild exportiert werden. 

Um aus den einzelnen Farbbändern ein natürliches Farbbild zu erhalten, kombinieren Sie die roten, grünen und blauen Bänder beim Export. Das Ergebnis ist ein Bild, das natürlich wirkt und der tatsächlichen Wahrnehmung der Landschaft in der Region sehr nahe kommt. 

Die roten, grünen und blauen Bänder, Bänder 4, 3 und 2 aus den Landsat-8-Daten, werden kombiniert, um ein Satellitenbild in natürlichen Farben zu erzeugen. 

Durch weitere Bearbeitung der in einem Bild dargestellten Spektralbänder lassen sich spezifische Merkmale der Szene sichtbar machen. Die Überlagerung der Nahinfrarot-, Rot- und Grünbänder erzeugt ein spezielles Falschfarbenbild, das oft als Farbinfrarotbild bezeichnet wird. Da Chlorophyll, das in gesunder Vegetation vorkommt, bekanntermaßen Nahinfrarotlicht reflektiert, eignet sich diese Bandkombination zur Identifizierung gesunder Vegetation. 

Aus den Landsat-8-Daten werden die Bänder 5, 4 und 3 exportiert, um ein Nahinfrarotbild zu erzeugen. In diesem Bild kennzeichnen die roten Bereiche gesunde Vegetation. 

Obwohl zur Bilddarstellung nur drei Datenbänder verwendet werden, kann Global Mapper Multiband-Datendateien exportieren, die alle Bänder eines bestimmten Gebiets enthalten. Beim Export von sieben häufig verwendeten Bändern in eine einzige Multiband-Datei lassen sich Bandreihenfolge und Darstellung im Dialogfeld „Layer-Optionen“ ändern und konfigurieren. 

Der Reiter „Bandeinstellungen“ bietet zahlreiche vordefinierte Bandkombinationen für gängige Satellitendatenquellen. Die Falschfarben-Bandkombination 6, 5, 4 eignet sich beispielsweise für landwirtschaftliche Analysen, da sie Vegetationsflächen deutlich in Grün und Brachflächen in Rosa und Magenta darstellt. 

 

 

Pfannenschärfen

Satellitendaten werden häufig mit einer geringeren Auflösung als Luftbilder aus niedrigerer Flughöhe erfasst. Die oben gezeigten Landsat-8-Daten haben eine räumliche Auflösung von 30 Metern, d. h. jedes Pixel repräsentiert einen 30 x 30 Meter großen Ausschnitt der Erdoberfläche. Der Landsat-Satellit erfasst außerdem ein panchromatisches Datenband mit einer Auflösung von 15 Metern, das Reflexionsdaten für einen breiteren Wellenlängenbereich liefert. 

Das höher auflösende panchromatische Band wird zusammen mit dem natürlichen Farbbild im Pan-Sharpening-Prozess verwendet, um den Detailgrad und die Farbe des multispektralen Bildes zu verbessern. 

 

Rasterberechnung

Neben der Überlagerung der Bandwerte zur Erzeugung einer Kartendarstellung, die spezifische Merkmale und Materialien der Szene zeigt, können die einzelnen Bänder im Rasterrechner von Global Mapper verwendet werden, um noch mehr Informationen zu extrahieren. Da Studien gezeigt haben, wie verschiedene Oberflächen und Objekte mit elektromagnetischer Strahlung interagieren, können Formeln angewendet werden, die die Energiereflexionswerte von korrespondierenden Pixeln aus mehreren Bändern nutzen, um neue Datenebenen abzuleiten. 

Der Rasterrechner bietet zahlreiche vordefinierte Formeln für gängige Berechnungen mit verschiedenen Varianten, die die Unterschiede in der Bandstruktur der Quelldaten widerspiegeln. Er ermöglicht außerdem die Eingabe benutzerdefinierter Formeln und mathematischer Ausdrücke zur Erstellung neuer Rasterebenen. 

Im folgenden Beispiel werden die grünen und nahinfraroten Spektralbänder der Landsat-8-Daten verwendet, um den Normalized Difference Water Index (NDWI) für ein Gebiet zu berechnen. Diese weit verbreitete Formel dient dem Nachweis von Wasser in der Umwelt und ist nützlich für die Überwachung und Bewertung empfindlicher Feuchtgebiete. 

Die in Global Mapper ausgewählte Landsat 8 NDWI-Formel benennt diese Bänder in der Formel korrekt als B3 und B5.

Der NDWI verwendet eine Skala von -1 bis +1, um das Vorhandensein von Wasser in der Umgebung anzuzeigen. Positive Werte, blau dargestellt, zeigen die Gewässer in dieser Szene an. 

Das Verständnis der Wechselwirkung und Reflexion verschiedener Lichtwellenlängen an bestimmten Oberflächen ermöglicht es, aus frei verfügbaren, satellitengestützten Daten eine Fülle von Informationen zur Landbedeckung und Oberflächenbeschaffenheit zu gewinnen. Da diese Daten pixelbasiert sind, können die Ebenen mit allen Rasteranalyse-Werkzeugen von Global Mapper verwendet werden. 

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Referenzen: (Die Referenzliste bleibt in der wissenschaftlichen Zitierweise erhalten) 

Welche Landsat-Spektralbänder eignen sich am besten für meine Forschung? , USGS, www.usgs.gov/faqs/what-are-best-landsat-spectral-bands-use-my-research?qt-news_science_products=0#qt-news_science_products.

Campbell, James B., und Randolph H. Wynne. Einführung in die Fernerkundung . Fünfte Auflage, Guilford Press, 2011.