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 Eigenschaften reflektieren diese Energie auf unterschiedliche Weise zurück.

Der bekannteste Bereich der elektromagnetischen Strahlung ist das sichtbare Licht – das Licht, das unsere Augen wahrnehmen und mit dem wir die sichtbare Welt um uns herum wahrnehmen –, das zwischen 380 und 720 Nanometern liegt.

Das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung umfasst viele Wellenlängen, und bestimmte Bereiche dieser Energie verursachen bestimmte Effekte oder werden für bestimmte Zwecke genutzt. Beispielsweise hat ultraviolettes Licht, das Sonnenbrand verursacht, eine Wellenlänge von 300 bis 380 Nanometern, während die von Röntgenstrahlen verwendete Energie mit einer Wellenlänge von 0,03 bis 300 Nanometern noch kürzer ist. Am anderen Ende des Spektrums liegt die Mikrowellenstrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 1 Millimeter bis 30 Zentimetern.

Satellitendaten werden durch die Aufzeichnung der reflektierten und emittierten elektromagnetischen Strahlung aus bestimmten Wellenlängenbereichen erstellt. Wenn ein die Erde umkreisender Satellit ein Gebiet überfliegt, zeichnen hochentwickelte Sensoren die Energie auf, die von der Erdoberfläche emittiert und zurück ins All reflektiert wird. Diese Daten werden schließlich im Rasterformat geliefert, wobei jedes Pixel einen Wert für die unterschiedliche Strahlungsreflexion darstellt.

Satellitengestützte Daten teilen die Bereiche der reflektierten Energie nach Wellenlänge in separate Bildebenen für dieselbe Szene auf. Jede dieser Ebenen wird als Band bezeichnet, und jedes Band kann eine eigene Rasterebene mit einem einzigen Wert für jedes Pixel sein. Eine gängige Quelle für Satellitendaten ist Landsat 8 (OLI), das die folgenden Bandbezeichnungen verwendet, um die Reflexion verschiedener Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung zu unterscheiden.

Download der Daten

Landsat 8 und andere satellitengestützte Daten können von EarthExplorer, einem von der USGS gehosteten Daten-Download-Portal, heruntergeladen werden. Das Dialogfeld „Online-Datenquellen“ in Global Mapper enthält einen direkten Link zu EarthExplorer im Ordner „Imagery“ (Bilder). Durch die Verbindung mit dieser Quelle wird die USGS EarthExplorer-Download-Website in einem Webbrowser geöffnet und der aktuelle Bildschirmbereich von Global Mapper als Bereich von Interesse für den Daten-Download verwendet, sodass Satellitendaten für einen Projektbereich leicht gefunden und heruntergeladen werden können.

Durch die Kombination der Daten verschiedener Bänder zu einer einzigen multispektralen Ebene lassen sich zusätzliche Details eines Gebiets darstellen. Multispektrale Bilder werden in Global Mapper erstellt, indem die einzelnen Bänder geladen und als ein einziges Multiband-Rasterbild exportiert werden.

Um aus den einzelnen Bändern ein natürliches Farbbild zu erhalten, kombinieren Sie beim Exportieren das rote, grüne und blaue Band. Das Ergebnis ist ein Bild, das natürlich aussieht und dem entspricht, wie wir die Landschaft in diesem Gebiet sehen würden.

Durch weitere Bearbeitung der in einem Bild angezeigten Bänder lassen sich bestimmte Merkmale der Szene erkennen. Durch Überlagerung der Bänder im nahen Infrarot, Rot und Grün entsteht ein spezielles Falschfarbenbild, das oft als Farb-Infrarotbild bezeichnet wird. Da bekannt ist, dass Chlorophyll, das in gesunder Vegetation vorkommt, nahes Infrarotlicht reflektiert, eignet sich diese Bandkombination zur Identifizierung gesunder Vegetation.

Obwohl nur drei Datenbänder zur Darstellung eines Bildes verwendet werden, kann Global Mapper Multiband-Datendateien exportieren, die alle Bänder für einen bestimmten Bereich enthalten. Beim Exportieren von sieben häufig verwendeten Bändern in eine einzige Multiband-Datei können die Reihenfolge und die Anzeige der Bänder im Dialogfeld „Layer Options“ (Ebenenoptionen) geändert und konfiguriert werden.

Die Registerkarte „Bandkonfiguration“ bietet zahlreiche vordefinierte Bandkombinationen für gängige Quellen von Satellitendaten. Die Falschfarben-Bandkombination 6,5,4 kann für landwirtschaftliche Analysen nützlich sein, da sie bewachsene Flächen deutlich in Grün und karge Feldflächen in Rosa und Magenta darstellt.

Satellitendaten werden oft mit einer geringeren Auflösung erfasst als Luftbilder aus geringerer Höhe. Die oben gezeigten Landsat-8-Daten haben eine räumliche Auflösung von 30 Metern, was bedeutet, dass jedes Pixel einen Abschnitt der Erdoberfläche von 30 mal 30 Metern darstellt. Der Landsat-Satellit erfasst auch ein panchromatisches Datenband mit einer Auflösung von 15 Metern, das Reflexionsdaten für einen größeren Wellenlängenbereich erfasst.

Das panchromatische Band mit höherer Auflösung wird im Pan-Schärfe-Verfahren zusammen mit dem Naturfarbenbild verwendet, um den Detailgrad und die Farben des Multispektralbildes zu verbessern.

Zusätzlich zur Überlagerung der Bandwerte, um eine Kartenanzeige zu erstellen, die bestimmte Merkmale und Materialien in der Szene darstellt, können die einzelnen Bänder im Rasterkalkulator 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 unter Verwendung der Energie-Reflexionswerte aus koordinierten Pixeln mehrerer Bänder angewendet werden, um neue Datenebenen abzuleiten.

Der Rasterrechner bietet zahlreiche vordefinierte Formeln für gängige Berechnungen mit mehreren Varianten, die Abweichungen in der Bandstruktur der Quelldaten widerspiegeln. Er ermöglicht auch die Eingabe benutzerdefinierter Formeln und mathematischer Ausdrücke, um neue Rasterebenen zu erstellen.

Im folgenden Beispiel werden die Grün- und Nahinfrarotbänder der Landsat-8-Daten verwendet, um den normalisierten Differenzwasserindex (NDWI) für ein Gebiet zu berechnen. Diese weit verbreitete Formel erkennt das Vorhandensein von Wasser in der Umwelt und ist nützlich für die Überwachung und Bewertung empfindlicher Feuchtgebiete.

Das Verständnis, wie verschiedene Wellenlängen des Lichts mit bestimmten Oberflächen interagieren und von diesen reflektiert werden, ermöglicht es, aus frei verfügbaren, von Satelliten gesammelten Daten eine Fülle von Informationen über die Bodenbedeckung und Oberflächentypen abzuleiten. Da diese Daten pixelbasiert sind, können die Ebenen mit allen Rasteranalyse-Tools von Global Mapper verwendet werden.

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Landsat 8 - Bänder

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