Landsat 8 – Bänder
Die Grundlagen
Landsat 8 misst verschiedene Frequenzbereiche entlang des elektromagnetischen Spektrums. Die gemessenen »Farben« müssen nicht unbedingt für das menschliche Auge sichtbar sein. Jeder Bereich wird als Band bezeichnet, insgesamt hat Landsat 8 11 Bänder.
Landsat nummeriert die roten, grünen und blauen Sensoren als 4, 3 und 2, wenn sie kombiniert werden, erhalten wir ein Echtfarbenbild wie das in der Abbildung rechts.
Landsat 8 Blick auf die Gegend von Los Angeles, 13. Mai 2013. Das Bild ist so gedreht, dass Norden oben ist. Alle Bilddaten wurden freundlicherweise von der US Geological Survey zur Verfügung gestellt.
Die vollständige Liste der Bänder von Landsat 8:
Von den 11 Bändern erfassen nur diejenigen in den kürzesten Wellenlängen (Bänder 1-4 und 8) sichtbares Licht - alle anderen sind in Teilen des Spektrums, die wir nicht sehen können. Die Echtfarbenansicht von Landsat ist weniger als die Hälfte dessen, was erfasst ist. Um den Wert aller Bänder zu verstehen, sehen wir uns diese nacheinander an.
Band 1
Band 1 erfasst tiefe Blau und Purple. Blaues Licht ist schwer aus dem Weltraum zu sammeln, da es leicht von winzigen Staub- und Wasserpartikeln in der Luft und sogar von Luftmolekülen selbst gestreut wird. Dies ist ein Grund, warum sehr entfernte Dinge (wie Berge am Horizont) bläulich erscheinen und warum der Himmel blau ist. So wie wir an einem sonnigen Tag viel verschwommenes Blau sehen, sieht Landsat 8 den Himmel darunter, wenn er durch dieselbe Luft auf uns herabschaut. Dieser Teil des Spektrums lässt sich nur schwer mit ausreichender Empfindlichkeit erfassen, um nützlich zu sein, und Band 1 ist das einzige Instrument seiner Art, das bei dieser Lösung offene Daten produziert - einer von vielen Dingen, die diesen Satelliten zu etwas Besonderem machen. Es wird auch Küsten- / Aerosol-Band genannt, nach seinen zwei Hauptanwendungen: Abbildung von seichtem Wasser und Verfolgung von feinen Partikeln wie Staub und Rauch. Für sich genommen sieht seine Ausgabe sehr ähnlich wie Band 2 (normal blau) aus, aber wenn wir sie kontrastieren und Bereiche mit tieferem Blau hervorheben, können wir Unterschiede sehen:
Landsat 8 blaues Bandbild von Los Angeles
Band 1 minus Band 2: Der Ozean und lebende Pflanzen reflektieren tiefblau-violette Farbtöne. Die meisten Pflanzen produzieren Oberflächenwachs (zum Beispiel die frostige Beschichtung auf frischen Pflaumen), wenn sie wachsen, um schädliches ultraviolettes Licht weg zu reflektieren.
Band 2,3,4
Die Bänder 2, 3 und 4 sind blau, grün und rot sichtbar. Aber während wir sie noch einmal besuchen, nehmen wir einen Referenzabschnitt von Los Angeles mit verschiedenen Landnutzungen, um ihn mit anderen Bands zu vergleichen.
Teil des westlichen LA-Gebietes, von Ackerland in der Nähe von Oxnard im Westen bis nach Hollywood und der Innenstadt im Osten. Wie die meisten städtischen Gebiete sind die Farben der Stadt in diesem Maßstab durchschnittlich hellgrau.
Band 5
Band 5 misst das nahe Infrarot oder NIR. Dieser Teil des Spektrums ist besonders wichtig für die Ökologie, weil gesunde Pflanzen ihn reflektieren - das Wasser in ihren Blättern streut die Wellenlängen zurück in den Himmel. Indem wir es mit anderen Bändern vergleichen, erhalten wir Indizes wie NDVI, mit denen wir Pflanzengesundheit genauer messen können, als wenn wir nur sichtbares Grün betrachten würden.
Nahinfrarotansicht von Los Angeles von Landsat 8. Die hellen Merkmale sind Parks und andere stark bewässerte Vegetation. Der Punkt am Ende dieser Ansicht im Westen ist Malibu, also ist es sicher, dass der kleine helle Fleck in den Hügeln in der Nähe ein Golfplatz ist. Am westlichen Rand befindet sich die dunkle Narbe eines großen Feuers, das im Echtfarbenbild nur eine leichte Verfärbung aufwies.
Bänder 6,7
Die Bänder 6 und 7 decken verschiedene Schichten des kurzwelligen Infrarotspektrums oder SWIR ab. Sie sind besonders nützlich, um feuchte Erde von trockener Erde und für die Geologie zu erzählen: Gesteine und Böden, die in anderen Bändern ähnlich aussehen, haben oft starke Kontraste in SWIR. Erstellen wir ein Falschfarbenbild, indem wir SWIR als Rot, NIR als Grün und Tiefblau als Blau verwenden (technisch gesehen ein 7-5-1-Bild):
Kurzwelliges Infrarotbild von Los Angeles von Landsat 8. Die Feuernarbe ist nun unmöglich zu übersehen - stark reflektiert in Band 7 und kaum in den anderen, so dass sie rot wird. Zuvor werden auch subtile Details der Vegetation deutlich. Es scheint, dass Pflanzen in den Canyons nördlich von Malibu üppiger sind als jene auf den Graten, was typisch für Klimazonen ist, in denen Wasser die Haupteinschränkung für das Wachstum ist. Wir sehen auch Vegetationsmuster in LA - einige Stadtteile haben mehr Laub (Parks, Gehwegbäume, Rasen) als andere.
Band 8
Band 8 ist das Panchromatische (oder einfach Pan-) Band. Es funktioniert genauso wie Schwarz-Weiß-Filme: Statt sichtbare Farben getrennt zu sammeln, werden diese in einem Kanal zusammengefasst. Da dieser Sensor mehr Licht auf einmal sehen kann, ist es das schärfste aller Bänder mit einer Auflösung von 15 Metern (50 Fuß). Lassen Sie uns Malibu im Maßstab 1: 1 im Pan-Bereich heranzoomen:
Pan Band Landsat 8 Bild von Los Angeles
Und in echter Farbe, gedehnt, um den gleichen Bereich abzudecken:
Malibu aus Landsat 8
Die Farbversion ist unscharf, da diese Sensoren keine Details dieser Größe sehen können. Aber wenn wir die Farbinformationen, die sie liefern, mit den Details aus dem Pan-Band kombinieren - ein Prozess namens Pan-Sharpening - erhalten wir etwas, das sowohl bunt als auch schärfer ist.
Geschärfte Landsat 8 Bild von Malibu: Pansharpened Malibu, 15 m pro Pixel. Beachten Sie die Wellenstruktur im Wasser.
Band 9
Band 9 zeigt am wenigsten, ist aber eines der interessantesten Merkmale von Landsat 8. Es deckt eine sehr dünne Schicht von Wellenlängen ab: nur 1370 ± 10 Nanometer. Wenige raumbasierte Instrumente sammeln diesen Teil des Spektrums, weil die Atmosphäre fast alles absorbiert. Landsat 8 macht dies zu einem Vorteil. Gerade weil der Boden in diesem Band kaum sichtbar ist, muss alles, was deutlich darin erscheint, sehr hell reflektieren und / oder über dem größten Teil der Atmosphäre liegen. Hier ist Band 9 für diese Szene:
Landsat Band 9 Blick auf Wolken über Los Angeles
Band 9 ist nur für Wolken! Hier sammelt es »flauschige« Cumuluswolken, aber es ist speziell für Zirruswolken entwickelt - hohe, zierliche »Schachtelhalme«. Cirrus ist ein echter Kopfschmerz für die Satellitenbildgebung, da sie aufgrund ihrer weichen Kanten schwer zu erkennen sind und ein Bild, das durch sie aufgenommen wurde, Messungen enthalten kann, die um ein paar Prozent abweichen, ohne dass eine Erklärung dafür vorliegt. Mit Band 9 sind sie leicht zu erklären.
Band 10,11
Die Bänder 10 und 11 sind im thermischen Infrarot oder TIR - sie sehen Wärme. Anstatt die Temperatur der Luft zu messen, wie es Wetterstationen tun, berichten sie auf dem Boden selbst, der oft viel heißer ist.
++ Wichtiger TIRS-Kalibrierungshinweis von USGS, 25. April 2017: »Streulicht von weit außerhalb des Sichtfeldes hat die absolute Kalibrierung des Landsat 8 Thermal Infrared Sensors (TIRS) seit dem Start beeinflusst. Ein Algorithmus zur Korrektur dieses Problems wurde im Februar 2017 entwickelt und in das Verarbeitungssystem implementiert. »
Eine Studie vor ein paar Jahren fand einige Oberflächentemperaturen der Wüste höher als 70 ° C (159 ° F) - heiß genug, um ein Ei zu braten. Glücklicherweise ist LA in dieser Szene relativ gemäßigt:
Thermische Infrarotansicht von Los Angeles von Landsat 8
Beachten Sie, dass die sehr dunklen (kalten) Flecken mit den Wolken in Band 9 übereinstimmen. Danach ist die bewässerte Vegetation am kühlsten, gefolgt von offenem Wasser und natürlicher Vegetation. Die Brandnarbe in der Nähe von Malibu, die mit Holzkohle und trockenem, totem Laub bedeckt ist, hat eine sehr hohe Oberflächentemperatur. Innerhalb der Stadt sind Parks im Allgemeinen am coolsten und industrielle Nachbarschaften sind am wärmsten. Es gibt keine klare städtische Wärmeinsel in dieser Szene - ein Effekt, den diese TIR-Bänder für das Studium besonders nützlich machen.
Kombinationen
Bänder können auf viele verschiedene Arten kombiniert werden, um verschiedene Merkmale in der Landschaft zu zeigen. Lassen Sie uns ein weiteres Falschfarbenbild erstellen, indem Sie dieses TIR-Band für Rot, ein SWIR-Band für Grün und das natürliche Grünband für Blau (ein 10-7-3-Bild) verwenden:
Farbe Landsat 8 Bild von Los Angeles
Stadtgebiete und einige Arten von Böden sind rosa. Im echten Farbbild ist die wilde Vegetation fast einheitlich olivfarben, aber hier unterscheiden wir zwischen pfirsichfarbenen Buschland, mahagonifarbenen Wäldern und so weiter. Die kühle Brise an der Küste erscheint wie ein leichter violetter Farbverlauf entlang der Küste der Stadt. Die farbigen Streifen auf jeder Seite des Bildes sind Bereiche, in denen nicht alle Sensoren überdeckt sind.
Weitere Informationen
Text mit freundlicher Genehmigung von Charlie Loyd, MapBox. Ursprünglicher Beitrag betitelt »Putting Landsat 8 Bands«, veröffentlicht am 14. Juni 2013.
Datenquellen: https://earthexplorer.usgs.gov/
Infos Landsat 8 Bänder: https://landsat.gsfc.nasa.gov/landsat-8/landsat-8-bands/