Der Fernerkundungssatellit Sentinel-2 wird im Rahmen einer ESA Mission für Erdbeobachtungen entwickelt. Die Mission dient der operationellen Bereitstellung von Oberflächeninformationen für das Projekt 'Global Monitoring of Environment and Security' (GMES) als Fortsetzung der bisherigen Spot/Landsat-Missionen. Sentinel-2 befindet sich derzeit in der Sensordefinitionsphase, wobei die Missions- bzw. Systemanforderungen in dem Mission Requirements Dokument (MRD) und System Requirements Dokument (SRD) nachzulesen sind.
Ziele
Grundlagen für die Identifizierung und Quantifizierung der Oberflächenmaterialien und atmosphärischen Parameter bilden die spektrale Molekularabsorption und die Rückstreuungseigenschaften von Materialien. Diese spektralen Eigenschaften und deren Abhängigkeit von der räumlichen Auflösung und dem SNR werden in der Studie (ESA-Contract: 19962/06/NL/EL) gezielt genutzt, das spektrale Design des zukünftigen Sentinel-2 Sensors für bestimmte Basisapplikationen zu definieren.
Dieser Optimierungsprozess erfordert die Simulation von typischen Spektren, die sich aus der Definition unterschiedlicher Sensorvariationen ergeben. Zu diesem Zweck wurde eigens ein Sensor-Simulationstool entwickelt. Das Sentinel-2 Sensormodell besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten: variablen spektralen Response-Funktionen, der radiometrischen Auflösung (12 Bit) und einem Sensorrauschmodell (NER). Mit Hilfe dieses Tools werden sinnvolle Sensormodellvarianten erzeugt.
Anschließend werden für jedes einzelne Modell typische Reflexionsdaten berechnet. Der Prozessablauf der Reflektanzbestimmung ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt.
Eingabedaten bilden so genannte spektrale Bibliotheken, die synthetische Modellspektren oder Labor- und Feldspektren beinhalten. In einem ersten Prozessierungsschritt werden diese Spektren mit Hilfe von MODTRAN 4-Transfercode und einer vorgegebenen Atmosphäre und Beleuchtung in at-Sensor-Strahldichtewerte umgerechnet. Diese TOA-Radianzen werden anschließend mit Hilfe der spektralen Responsefunktionen der zu testenden Sentinel-2-Modellvariation auf Sensorspektren umgerechnet. Für jedes einzelne Spektrum werden dann mit Hilfe eines gauss-verteilten Rauschmodelles einige spektrale Varianten bestimmt, die wiederum in 12 Bit-Daten überführt werden. Diese sensorspezifischen Radianzspektren werden abschließend einer genauen atmosphärischen Korrektur unterzogen, so dass nun typische Sentinel-2 Reflektanzdaten zur weiteren Optimierung zur Verfügung stehen.
Die meisten Fernerkundungsapplikationen benötigen zur Extraktion unterschiedlicher Parameter bestimmte Bandkombinationen und nicht Einzelbänder. Entsprechend wurden folgende Bandgruppen einzeln untersucht, deren Optimierung im Wesentlichen durch die spektralen Charakteristiken von Vegetationsparametern und Mineralanteilen bestimmt wird.
- Red Edge Bereich (Band 4, 5, 6, 7, 8, and 8a)
- Sichbarer Blau/Grünbereich (Band 2 and 3)
- Kurzwelliges Infrarot (Band 11 and 12)
Die endgültig vorgeschlagene Sentinel-2-Banddefinition beruht auf einem Kompromiss, der sich aus den Optimierungsergebnissen für verschiedene repräsentative Basisapplikationen ergibt. Abschließend wird für diese vorgeschlagenen Bänder eine Sensitivitätsstudie durchgeführt, die die Anforderungen an die spektrale und radiometrische Stabilität analysiert sowie die Auswirkungen einer fehlerhaften Atmosphärenkorrektur untersucht.
Ein zweites Arbeitspaket beinhaltet die Definition der räumlichen und spektralen Auflösung der Kanäle, die zur Ableitung atmosphärischer Parameter (Aerosol, Wasserdampf, Zirrusbewölkung) verwendet werden. Diese Arbeit wird vom DLR Oberpfaffenhofen durchgeführt. Die dazu notwendigen Bänder sind die Kanäle 1, 2, 4, 8a, 9, 10 und 12. Im Unterschied zur vorhergehenden Studie wird keine atmosphärische Korrektur in der Simulation durchgeführt und nur Radianzdaten zur Optimierung verwendet.