Geometrische und thematische rechnergestützte Verarbeitung satellitengetragener SAR-Daten von Island unter Integration topographischer und geowissenschaftlicher Informationen

Diplomarbeit von Bettina Müschen

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden Radardaten der Satelliten SEASAT-A und ERS-1 aus den Jahren 1978 und 1991 von Süd-Island computergestützt bei der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt (DLR), Oberpfaffenhofen, für geowissenschaftliche Fragestellungen verarbeitet.

Die Radarsatelliten beleuchten die Erde aktiv mit Mikrowellen und sind daher unabhängig von Sonnenstand und Tageszeit sowie von Wolken- und Wetterbedingungen. Es können also auch Daten von Gebieten der Erde gewonnen werden, die mit passiven Fernerkundungssensoren bisher nur sporadisch oder überhaupt nicht erfaßt wurden wie z.B. Island, denn aufgrund der geographischen Lage am Polarkreis im Nordatlantik herrschen auf Island häufig ungünstige Witterungsbedingungen und über einen großen Teil des Jahres niedrige Sonnenstände vor.

Zunächst wird eine Einführung in die Grundlagen der Radar-Fernerkundung gegeben. Hierbei werden die Besonderheiten der Aufnahmegeometrie herausgestellt sowie die Einflüsse der Radarsystemparameter und der Einfluß des Objektes selbst auf das rückgestreute Radarsignal beschrieben.

Anschließend erfolgt eine ausführliche physiogeographische Beschreibung der klimatologischen, geomorphologischen und geologischen Gegebenheiten Islands sowie des Testgebietes, das südwestlich des Gletschers Vatnajökull liegt.

Die Satellitenszenen werden geometrisch entzerrt bzw. geocodiert. Hierzu wird beschrieben, wie mit dem Geo-Informationssystem (GIS) ARC INFO aus der topographischen Karte im Maßstab 1 zu 100.000 die Höheninformation digitalisiert und daraus ein digitales Geländemodell erzeugt wird. Nach der Entzerrung der Szenen wird ihre geometrische Genauigkeit überprüft.

Schließlich werden die Radarsysteme hinsichtlich ihres geomorphologischen und geologischen Aussagewertes interpretiert. Dies geschieht zuerst durch eine computergestützte Klassifizierung der Daten mit dem "Evidenz-Basierten Interpretationssystem von Satellitenbilddaten" (EBIS).

Abschließend werden die Radarszenen visuell interpretiert, um Aussagen über Gemeinsamkeiten und Unterschiede zwischen dem L Band SAR des Satelliten SEASAT-A und dem C Band SAR des Satelliten ERS-1 treffen zu können. Aufgrund der Naturraumausstattung des Testgebietes beschränkt sich die Interpretation auf glazial- und periglazialmorphologische sowie geologische Phänomene.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	III
	Tabellenverzeichnis	IV
1.	Einleitung und Aufgabenstellung	1
2.	Grundlagen der Radar-Fernerkundung	4
2.1.	Einführung	4
2.2.	Aufnahmeprinzip und Auflösungsvermögen abbildender Radarsysteme	4
2.3.	Geometrische Eigenschaften von Radaraufnahmen	8
2.3.1.	Winkelreflektion	9
2.3.2.	Radarschatten	9
2.3.3.	Layover und Foreshortening	10
2.3.4.	Speckle	10
2.4.	Einflüsse der Radarsystemparameter auf das rückgestreute Signal	10
2.4.1.	Wellenlänge	10
2.4.2.	Depressionswinkel	11
2.4.3.	Polarisation	12
2.4.4.	Blickrichtung	12
2.5.	Charakteristische Objektparameter	12
2.5.1.	Oberflächenrauhigkeit	13
2.5.2.	Dielektrizitätskonstante	16
2.5.3.	Tiefenrauhigkeit	18
2.5.4.	Komplexer Volumenstreukoeffizient	19
3.	Datenmaterial	20
3.1.	SEASAT-A	20
3.1.1.	Orbit und Nutzlast	20
3.1.2.	L-Band-SAR	21
3.1.3.	Testszene	22
3.2.	ERS-1	23
3.2.1.	Orbit und Nutzlast	23
3.2.2.	ERS-1--Bodensegment	24
3.2.3.	C-Band-SAR	25
3.2.4.	Testszene	25
4.	Beschreibung des Untersuchungsgebietes	27
4.1.	Allgemeine Übersicht zu Island	27
4.1.1.	Klima	27
4.1.2.	Geomorphologie und Geologie	29
4.1.2.1.	Vulkanisches Reliefgefüge	30
4.1.2.2.	Glaziales Reliefgefüge	32
4.1.2.3.	Periglaziales Reliefgefüge	34
4.2.	Beschreibung des Testgebietes	35
5.	Themenbezogene Aufbereitung der Zusatzdaten mit ARC INFO	38
5.1.	Datenmodell, -struktur und -haltung	38
5.2	Digitalisieren von topographischen und geologischen Zusatzinformationen	38
5.3.	Kartentransformation	40
5.4.	Erstellen eines digitalen Geländemodells	40
5.5.	Vektor Raster-Konvertierung	41
5.6.	Genauigkeitsbetrachtung und Diskussion	42
6.	SAR-Bildprozessierung und Geokodierung	43
6.1.	Bildprozessierung mit MSAR	43
6.2.	Geokodierung mit GEOS	45
6.3.	Kritische Beurteilung der geometrischen Genauigkeit der geokodierten Szenen	52
7.	Speckle-Filterung	57
8.	Rechnergestützte Klassifizierung mit EBIS	59
8.1.	Klassifizierungsmethoden	59
8.2.	Evidenzbasierte Klassifizierung	60
8.2.1.	Deskriptoren	60
8.2.2.	Gewichtsfunktionen	61
8.3.	Multinomialverteilung	61
8.4.	Vorbereitung der EBIS-Klassifizierungen	62
8.4.1.	Definition der Objektklassen und ihrer Deskriptoren	62
8.4.2.	Definition des Merkmalsraumes	63
8.4.3.	Definition von Trainingsgebieten	63
8.5.	Ergebnisse und Diskussion	66
9.	Visuelle Interpretation	70
9.1.	Fluvioglaziale Aufschüttungsflächen	71
9.2.	Rezente Laven	71
9.3.	Grundmoränenlandschaft	73
9.4.	Alte Graue Basalte	74
9.5.	Gletscher	76
9.6.	Gletscherseen	76
9.7.	Tektonische Strukturen	77
9.8.	Abschließende Beurteilung und Diskussion	77
10.	Zusammenfassung	78
	Danksagung	82
	Literaturverzeichnis	83
	Erklärung	90