Geographische Institute
der
Rheinischen Friedrich-Wilhelms Universität Bonn

Ableitung der Bodenfeuchte
aus SIR-C Daten am Beispiel NW-Australiens

Diplomarbeit

vorgelegt von
Martin Over

Bonn, im November 2001

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung ... 1

2. Radarerkundung ... 3
    2.1 Real Aperture Radar (RAR) ... 4
    2.2 Synthetic Aperture Radar (SAR) ... 6
        2.2.1 Aufnahmegeometrie ... 8
        2.2.2 Streuung von Mikrowellen ... 11
        2.2.3 Die Radargleichung ... 14
        2.2.4 Parameter welche die Rückstreuungsenergie (Pr) beeinflussen ... 16
            2.2.4.1 Systemparameter ... 16
                2.2.4.1.1 Wellenlänge ... 16
                2.2.4.1.2 Polarisation ... 17
                2.2.4.1.3 Beobachtungswinkel ... 18
                2.2.4.1.4 Blickrichtung & Objektorientierung ... 19
                2.2.4.1.5 Auflösung ... 21
            2.2.4.2 Objektparameter ... 21
                2.2.4.2.1 Oberflächenrauhigkeit ... 21
                    2.2.4.2.1.1 Makroskalige Rauhigkeit ... 21
                    2.2.4.2.1.2 Mesoskalige Rauhigkeit ... 21
                    2.2.4.2.1.3 Mikroskalige Rauhigkeit ... 22
                2.2.4.2.2 Dielektrizitätskonstante ... 24
        2.2.5 Speckle ... 26
        2.2.6 Interpretation von Radardaten ... 27
        2.2.7 Interferometrie ... 27

3. Die SIR-C/X-SAR Mission ... 28

4. Ableitung der Bodenfeuchte aus Radardaten ... 32
    4.1 Die Bedeutung der Bodenfeuchte ... 32
    4.2 Messung der Bodenfeuchte ... 33
    4.3 Methoden zur Ableitung der Bodenfeuchte aus Radardaten ... 33
        4.3.1 Das Modell von Oh, Sarabandi & Ulaby (1992) ... 36
        4.3.2 Das Modell von Chen, Yen & Huang (1995) ... 39

5. Die Untersuchungsgebiete ... 44
    5.1 Nicholson ... 46
    5.2 Wolf Creek ... 52

6. Vorverarbeitung der SIR-C Daten ... 56
    6.1 Datengrundlage ... 56
    6.2 Multilook Prozessierung ... 58
    6.3 Filter ... 58
    6.4 Vegetationskorrektur ... 60

7. Ergebnisse
    7.1 Bestimmung der Bodenfeuchte des Untersuchungsgebietes Nicholson ... 61
        7.1.1 Ableitung der Bodenfeuchte nach Oh, Sarabandi & Ulaby (1992) ... 61
        7.1.2 Ableitung der Bodenfeuchte nach Chen, Yen & Huang (1995) ... 64
        7.1.3 Hauptkomponentenanalyse ... 68
        7.1.4 Diskussion der Ergebnisse ... 74
    7.2 Bestimmung der Bodenfeuchte des Untersuchungsgebietes Wolf Creek ... 77
        7.2.1 Ableitung der Bodenfeuchte nach Oh, Sarabandi & Ulaby (1992) ... 77
        7.2.2 Ableitung der Bodenfeuchte nach Chen, Yen & Huang (1995) ... 80
        7.2.3 Hauptkomponentenanalyse ... 82
        7.2.4 Diskussion der Ergebnisse ... 88

8. Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse ... 90

9. Ausblick ... 94

10. Literaturliste ... 96
    10.1 Quellen aus dem Internet ... 102

I. Anhang A: Kartenmaterial I
II. Anhang B: SIR-C Mode Table II
III. Anhang C: Karte I - Nicholson III
IV. Anhang D: Karte II - Wolf Creek IV

1. Einleitung

Die Bodenfeuchte ist Teil des Wasserkreislaufes. Auch wenn sie nur ca. 0,001 % der gesamten Wassermenge des Planeten ausmacht, kommt der Bodenfeuchte eine herausragende Bedeutung für das Leben auf Erden zu. Ein Teil des im Boden gebundenen Wassers, die sogenannte nutzbare Feldkapazität, steht der Vegetation für ihre Stoffwechselprozesse zur Verfügung (vgl. Kuntze et al. 1994). Die zeitliche und räumliche Dynamik der Bodenfeuchte
mit den Prozessen der Evaporation, Transpiration, Infiltration und Grundwasserneubildung ist
für das Verständnis der lokalen Wasserkreisläufe von größter Bedeutung. Mit den konventionellen Meßmethoden ist der Bodenwassergehalt nur punktuell zu erfassen (siehe 4.2). Großflächige Untersuchungen sind durch den hohen zeitlichen und finanziellen Aufwand kaum zu realisieren.

Die Radarerkundung bietet da eine kostengünstige und zeitsparende Alternative. Schon seit über 25 Jahren ist bekannt, daß sich die vom Radar aufgezeichnete Rückstreuung sensitiv gegenüber dem Wassergehalt des Bodens verhält (vgl. Ulaby 1974). Da aber auch noch andere Parameter die Rückstreuung maßgeblich beeinflussen, wie z.B. die Vegetationsbedeckung oder die Oberflächenrauhigkeit, konnte lange Zeit kein geeignetes Modell entwickelt werden, mit dessen Hilfe die Bodenfeuchte aus Radardaten abgeleitet werden konnte. Erst Anfang der neunziger Jahre wurde ein halb-empirisches Modell von Oh et. al. (1992) entwickelt, das in der Lage war, die Bodenfeuchte und Oberflächenrauhigkeit unbewachsener Böden aus Radardaten abzuleiten (vgl. Dobson & Ulaby 1998). Die Trennung der einzelnen Parameter ist auch heute noch ein sehr wichtiger Forschungsschwerpunkt der Radarerkundung (Neusch 1998).

Mit der SIR-C/X-SAR Mission stehen seit 1995 erstmals vollpolarimetrische Radardaten aus dem All zur Verfügung. Bisher wurde bei großflächigen Radaruntersuchungen zumeist versucht, die Bodenfeuchte über multitemporale Anwendungen, mit Hilfe von ERS-1 (European Remote Sensing Satellite) oder ERS-2 Daten, zu erfassen (vgl. Wagner 1998, Shoshany et. al. 2000). Diese SAR Systeme zeichnen jeweils nur mit einer Frequenz und Polarisation auf. Der Informationsgewinn ist dadurch entsprechend gering. Die meisten Modelle zur Ableitung der Bodenfeuchte beruhen aber auf der Verarbeitung von vollpolarimetrischen Datensätzen (vgl. 4.3). Diese Modelle wurden zumeist auf der Grundlage kleinräumiger, experimenteller Untersuchungen entwickelt und lassen sich nicht ohne weiteres auf andere Regionen übertragen (Blyth & Evans 1985). Den unterschiedlichen Modellen zur Ableitung der Bodenfeuchte aus vollpolarimetrischen Radardaten stehen bis heute kaum großflächige Untersuchungen gegenüber, die deren Ergebnisse verifizieren könnten.

Mit dieser Diplomarbeit soll der Versuch unternommen werden, die Bodenfeuchte aus SIR-C Daten mit unterschiedlichen Methoden abzuleiten. Es wurden dafür die Modelle von Oh et. al. (1992) und Chen et. al. (1995), sowie eine Hauptkomponentenanalyse verwendet. Eine Evaluation der Ergebnisse ist leider nicht möglich, da keine Feldkampagne zeitgleich zur "Überfliegung" der Testgebiete durchgeführt wurde. Vielmehr soll diese Arbeit ein Versuch sein, nähere Erkenntnisse über die Verarbeitung und Interpretation multifrequenter, vollpolarimetrischer SIR-C Daten zu erlangen.

Da bis jetzt noch keine Diplomarbeit im Zusammenhang mit der Radarerkundung in der Gruppe Fernerkundung des Geographischen Instituts der Universität Bonn geschrieben wurde, ist der theoretische Teil etwas umfangreicher ausgefallen als normal üblich.
Der theoretische Teil beinhaltet die Grundlagen der Radarerkundung, eine Beschreibung der SIR-C/X-SAR Mission und den aktuellen Stand der Forschung bezüglich der Ableitung der Bodenfeuchte aus Radardaten.
Dem grundlegenden theoretischen Teil über die Radarerkundung folgt eine kurze Beschreibung der Untersuchungsgebiete im Nord-Westen Australiens. Ursprünglich sollte sich das Untersuchungsgebiet von der Küste Benins bis hin zur Sahelzone (Niger) erstrecken. Im Rahmen des interdisziplinären Impetus Projektes (Integratives Management- Projekt für einen effizienten und tragfähigen Umgang mit Süßwasser in West Afrika) der Universität zu Köln, der Universität Bonn und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) hätte die Radarerkundung die bisherigen Untersuchungen ergänzen können (IMPETUS_Int). Leider fehlten entsprechende SIR-C Datensätze, die mit einer geeigneten Frequenz und Polarisation aufgenommen wurden. Die Idee, eine Region zu untersuchen, die mehrere Klimazonen vom humiden bis fast ariden Bereich umfaßt, konnte schließlich in Nord-West Australien realisiert werden. Leider fanden sich kaum Flächen, die für eine Modellierung geeignet waren. Aus diesem Grunde konnten nur in zwei unterschiedlichen Klimazonen Untersuchungsgebiete ausgewiesen werden (siehe 5).

Der Beschreibung der Untersuchungsgebiete folgt die konkrete Anwendung. Diese beinhaltet zunächst die Beschreibung und Aufarbeitung der SIR-C Daten. Die Ableitung der Bodenfeuchte erfolgte mit den Modellen von Oh et. al. (1992) und Chen et. al. (1995) sowie einer Hauptkomponentenanalyse (Verhoest et. al. 1998, Klenke 1999). Es wurde dann versucht, die Ergebnisse mit Hilfe von Wetterkarten, Bodenkarten und Niederschlagskarten zumindest theoretisch zu evaluieren und anschließend ein Resümee zu ziehen.
Im letzten Teil dieser Arbeit soll ein Ausblick über zukünftige SAR Satelliten und deren Anwendungsmöglichkeiten gegeben werden.

Da der größte Teil der Literatur über die Radarerkundung in englischer Sprache erschienen ist, wurden hier die englischen Fachausdrücke übernommen, wenn keine adäquate deutsche Übersetzung vorhanden war. Auch die Handhabung der Begriffe ist in der Literatur nicht immer einheitlich. Im wesentlichen wurde sich hier an dem Buch "Pinciples & Applications of Imaging Radar" (Henderson & Lewis 1998a) orientiert, da dort die Begriffe m.E. nach durchweg am sinnvollsten verwendet wurden. Besondere Schwierigkeiten bereitete das Einlesen der SIR-C Daten, welche vom EROS Data Center (EROS_Int) auf high density Exabyte Tapes ausgeliefert werden. Dieses Format hat sich in Europa kaum gegen die hier üblichen DAT Formate durchgesetzt. Entsprechend kompliziert gestaltete sich die Suche nach einem geeigneten Gerät (siehe 6).

Bei der Angabe der Quellen wurde zwischen der konventionellen Literatur und Quellen aus dem Internet differenziert. Alle Quellen aus dem Internet sind mit der Endung "_Int" gekennzeichnet und unter 11.1 zu finden. Das bei den Internet-Quellen angegebene Datum bezieht sich immer auf den Tag, an dem die Web Seiten aufgesucht wurden. Dadurch, daß die Internet Seiten in vielen Fällen einer ständigen Veränderung unterworfen sind, werden sich viele Angaben im Nachhinein nicht mehr überprüfen lassen. Deshalb habe ich, wann immer es mir möglich war, auf die gedruckte Literatur zurückgegriffen. Bei der Aktualität der SIR-C/X-SAR Mission waren viele Informationen allerdings ausschließlich über das Internet erhältlich.

2. Radarerkundung

Radarsysteme erzeugen aktiv elektromagnetische Strahlung und messen deren Reflexion. Bei der dabei verwendeten elektromagnetischen Strahlung handelt es sich um Mikrowellen, deren Spektralbereich sich von ca. einem Millimeter Wellenlänge bis zu über einem Meter erstreckt.

!! Abbildung in dieser Vorschau nicht verfügbar !!

Abbildung 2.1: Das elektromagnetische Spektrum mit der atmosphärischen Durchlässigkeit und den Einsatzmöglichkeiten von Fernerkundungssystemen in den verschiedenen Wellenlängenbereichen (aus: Löffler 1994).

Der große Vorteil der Radarerkundung gegenüber den optischen Aufnahmesystemen liegt in der relativen Unempfindlichkeit gegenüber den Witterungsverhältnissen . Des weiteren ist dieses aktive Verfahren unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen, wodurch eine zeitliche Kontinuität der Aufnahmen garantiert ist. Sekundäre Effekte, die mit den Beleuchtungsverhältnissen zusammenhängen, wie z.B. die Taubildung in den Morgenstunden, beeinflussen allerdings die Rückstreuung der Mikrowellen. Besonders bei ökologischen Fragestellungen ist deshalb unbedingt auf den Zeitpunkt der Aufnahme zu achten.

Dadurch, daß die Parameter der erzeugten elektromagnetische Strahlung bekannt sind, stehen den Anwendern neue Möglichkeiten der Datenverarbeitung offen, wie z.B. die Polarimetrie (2.2.4.1.2) oder Interferometrie (2.2.7). Mikrowellen liefern generell andere Informationen über die Objekte der Erdoberfläche als der optische Spektralbereich und tragen so zum besseren Verständnis unserer Umwelt bei.

Im folgenden sollen die wichtigsten Funktionsweisen und Begriffe der Radarerkundung erklärt werden. Zum weiteren Studium ist aus der angegebenen Literatur besonders das Buch "Principles & Applications of Imaging Radar" (Henderson & Lewis 1998a) hervorzuheben. Es bleibt zu hoffen, daß sich die in diesem umfangreichen Werk verwendeten Fachtermini allgemein in der Radarerkundung durchsetzen werden. Bis jetzt gibt es leider keine offiziellen Konventionen. Weitere empfehlenswerte Gesamtdarstellungen sind bei Ulaby (1981, 1982, 1986), Elachi (1988), Schreier (1993a), Campbell (1996), Bähr & Vögtle (1998) und Hildebrandt (1996) zu finden.