Sektion 1.4 Fernerkundung

Die Fernerkundung beschäftigt sich mit der Beobachtung der Erdoberfläche hinsichtlich ihrer Beschaffenheit und der auf ihr ablaufenden Prozesse auf unterschiedlichen räumlichen und zeitlichen Skalen. Die Instrumente sind meist flugzeug- oder satellitengetragen aber auch Instrumente für in-situ-Messungen kommen häufig zum Einsatz. Im Forschungsbereich Erde und Umwelt der Helmholtz-Gemeinschaft konzentrieren wir uns auf die Entwicklung und Nutzung von Fernerkundungsmethoden zur Beobachtung von Landoberflächen. 

Die Forschungstätigkeiten unserer Sektion umfassen erstens methodische Entwicklungen für die Informationsgewinnung von Fernerkundungsdaten und die Definition zukünftiger Satellitenmissionen und zweitens die anwendungsorientierte Forschung zur Beobachtung bio- und geophysikalischer Parameter, welche für ein breites Spektrum wissenschaftlicher Anwendungsfelder von Interesse sind. Dazu zählen Bodendegradation, geologische Exploration, “Precision Farming”, die Vegetation in ihrer globalen Funktion, natürliche und anthropogene Gefahren sowie die Wechselwirkungen zwischen Landoberfläche und Atmosphäre.

Daten und Methoden

Für unsere anwendungsorientierte Forschung nutzen wir verschiedene Fernerkundungsmethoden wie zum Beispiel die abbildende Spektrometrie, welche die Ableitung einer Vielzahl bio- und geophysikalischer Parameter aus flugzeug- und satellitengestützten Hyperspektraldaten ermöglicht. Dabei wird die Strahlung der Sonne, reflektiert durch Atmosphäre und Erdoberfläche, in Form vieler einzelner spektraler Kanäle entlang der sichtbaren, der nahen und der kurzwelligen Infrarotteile des elektromagnetischen Spektrums gemessen. Charakteristische Absorptionsmerkmale in dem resultierenden Spektrum ermöglichen die Identifizierung und Quantifizierung von Oberflächenmaterialien wie Mineralien, Pflanzenpigmente oder Wasserinhaltsstoffe.

Zudem nutzen wir Satellitendaten von optischen Multispektralsensoren wie RapidEye, Sentinel-2 und Landsat für Anwendungen, die sowohl eine hohe räumliche als auch hohe zeitliche Auflösung benötigen, wie es zum Beispiel die Erfassung und Beobachtung von Hangrutschungen oder die Bestimmung von phänologischen Veränderungen landwirtschaftlicher Bestände erfordert. Multispektralinstrumente arbeiten ähnlich wie Hyperspektralinstrumente, bieten jedoch meist eine höhere räumliche und zeitliche Auflösung, die jedoch mit einer geringeren spektralen Auflösung einhergeht.

 Darüber hinaus nutzen wir auch aktive Satellitensysteme wie Radarsensoren mit synthetischer Apertur (SAR) und der Interferometrie, um feine geometrisch-morphologische Veränderungen der Erdoberfläche zu erfassen und zu analysieren. Diese Ergebnisse liefern wichtige Informationen für verschiedene Gefährdungseinschätzungen wie beispielsweise die von Erdbeben, Hangrutschungen,  Gletscherbewegungen  und  von  Oberflächendeformationen in besiedelten Gebieten als Folge von menschlichen Eingriffen in den Untergrund.

Neben der Nutzung von Fernerkundungsdaten zur Gewinnung erdoberflächenbezogener Informationen führen wir auch regelmäßig Feldkampagnen durch, die sowohl der Validierung von Satellitenmessungen und Fernerkundungsanalysen als auch der detaillierten Untersuchung kleinräumiger Prozesse dienen. Für diese Kampagnen werden sowohl bodengestützte als auch turm- und flugzeuggetragene Messsysteme eingesetzt. Dabei profitieren viele unserer fernerkundlichen Methodenentwicklungen auch von der Grundlagenforschung in unserem Labor, in dem neben diversen optischen und thermalen Spektrometern eine Vielzahl verschiedener Messinstrumente zur Verfügung steht.

Übergeordnete Projekte

Wir haben die wissenschaftliche Leitung der zukünftigen EnMAP-Mission (Environmental Mapping and Analysis Program), einer deutschen, hyperspektralen Satellitenmission finanziert vom Bundesministerium für Wirtschaft (BMWi). Im EnMAP-Projekt sind wir verantwortlich für die Koordination des wissenschaftlichen Programms, die Unterstützung der industriellen Systementwicklungen, den Dialog mit der zukünftigen Nutzergemeinschaft sowie für die Öffentlichkeitsarbeit.  

Mit einem Teil unserer angewandten fernerkundlichen Forschungen tragen wir zur Entwicklung der Erdsystemobservatorien des GFZ bei. So sind unsere Arbeiten zur fernerkundlichen Analyse der Hangrutschungsgefährdung in Süd-Kirgistan im Rahmen des Zentralasiatischen Global Change Observatoriums angesiedelt. Außerdem unterstützen wir die Datenaufnahme des TERENO Observatorium mit in-situ- und Fernerkundungsmessungen am Standort DEMMIN, der  ein wichtiges Untersuchungsgebiet für eine Reihe fernerkundlicher Forschungsaktivitäten darstellt. Einerseits nutzen wir die in DEMMIN erfassten Daten zur Beobachtung von landwirtschaftlichen Flächen und deren Phänologie und andererseits für die Methodenentwicklung zur Ableitung von Boden- und Vegetationsparametern für EnMAP. 

Teil unserer Sektion sind zwei Nachwuchsforschergruppen: Die GlobFluo Gruppe, gefördert von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), beschäftigt sich mit der globalen Beobachtung von terrestrischer Photosynthese unter Nutzung fernerkundlich gemessener Chlorophyll-Fluoreszenz. Die TEAM-Gruppe, finanziert von der Helmholtz-Gemeinschaft, studiert die Wechselwirkungen zwischen Erdoberfläche und Atmosphäre sowie deren Austausch von fühlbarer und latenter Wärme (Evapotranspiration), Kohlendioxid und Methan auf unterschiedlichen räumlichen Skalen.