Optische Fernerkundungstechnologie für die Luft- und Raumfahrt: Das universelle „Selfie-Werkzeug“ der Erde

Die Anwendung optischer Fernerkundungstechnologie in der Raumfahrt ist für die Satellitenbildaufnahme unerlässlich. Optische Fernerkundungssatelliten lassen sich als speziell für die Erde entwickelte „Selfie-Kameras“ beschreiben, und mit dem Einzug optischer Fernerkundungssatellitenbilder in zivile und kommerzielle Systeme werden diese „Selfies“ der Erde in vielen Bereichen eine noch größere Rolle spielen.

Weltraumoptische Fernerkundungstechnologie: Erfassung von Erd- oder Himmelskörpern aus großen Höhen.

Die Technologie der optischen Fernerkundung im Weltraum bezeichnet allgemein die Technologie zur Erkennung von Bodenzielen aus einer Höhe von mehr als 100 Kilometern oder darüber oder zur Erkennung von Himmelskörpern aus großen Höhen, um relevante Informationen zu erhalten.

Die optische Fernerkundung in der Raumfahrt nutzt künstliche Satelliten, Raumstationen oder Space Shuttles als Trägerraketen und optische Fernerkundungsgeräte wie Weltraumkameras, Scanner oder abbildende Spektrometer, die sichtbares Licht oder ultraviolette und infrarote Strahlung als Nutzlasten verwenden. Dabei werden optische Systeme eingesetzt, um die von Objekten auf der Erde reflektierte und in den Weltraum emittierte Strahlung zu erfassen. Diese Strahlung wird anschließend von Fotodetektoren in elektrische Signale umgewandelt und durch Speicherung und Datenanalyse weiterverarbeitet, um räumliche, zeitliche und spektrale Informationen über Objekte auf der Erde zu gewinnen. Diese Informationen dienen der Analyse, Überwachung und Identifizierung von Objekten.

Grundlagen der optischen Fernerkundungstechnologie in der Luft- und Raumfahrt

Nachdem die Erdoberfläche von Sonnenlicht bestrahlt wurde, durchdringt das reflektierte Licht, das die Oberflächenbildinformationen enthält, die Atmosphäre und gelangt zum optischen Fernerkundungssensor. Auf der Bildebene des optischen Systems entsteht ein Bild der Zielszene, das vom Empfänger erfasst wird. Nach weiterer Verarbeitung erhält man ein Bildprodukt.

Optische Fernerkundungstechnologien erzeugen im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich gängige optische Bilder wie panchromatische Bilder, Bilder im sichtbaren Licht und multispektrale/hyperspektrale Daten. Bilder im sichtbaren Licht und panchromatische Bilder liefern dank ihrer hohen räumlichen Auflösung klare Informationen zur räumlichen Textur der beobachteten Objekte. Multispektrale/hyperspektrale Daten kombinieren Spektralbilder und zeigen so die wesentlichen Merkmale von Bodenstrukturen. Unterschiedliche Bodenstrukturen weisen aufgrund ihrer unterschiedlichen Empfangs- und Abstrahlungseigenschaften elektromagnetischer Wellen unterschiedliche Spektralkurven auf. Die Klassifizierung optischer Fernerkundungsbilder basiert auf den spektralen Eigenschaften der Pixel und fällt somit unter die Kategorie der Pixelklassifizierung.

Hauptinstrumente für die optische Fernerkundungstechnologie in der Luft- und Raumfahrt

Je nach Art der Bildinformationen werden die in der Luft- und Raumfahrtoptik verwendeten optischen Instrumente in zwei Kategorien unterteilt: Die eine dient zur Aufnahme von Schwarzweißbildern von Bodenzielen und wird als panchromatische Kamera oder Vollspektrumkamera bezeichnet. Diese liefern hauptsächlich die räumlichen Eigenschaften der Ziele. Die andere dient zur Aufnahme von Bildern in mehreren verschiedenen Spektralbändern und wird als hyperspektrale/multispektrale Bildgebung oder spektrale Bildgebungskamera bezeichnet.

• Panchromatische Bildgebungskamera

Eine panchromatische Kamera ist ein Teleskop, das Informationen über Objekte am Boden im sichtbaren Lichtspektrum erfassen kann. Nach der Bündelung durch das Teleskop entsteht auf der Brennebene ein panchromatisches Bild des Zielobjekts, das von verschiedenen Detektoren empfangen und aufgezeichnet werden kann.

• Spektrale Bildgebungskamera

Eine Spektralkamera ist ein Detektionsgerät, das optische Bildgebung und Spektroskopie kombiniert. Sie liefert sowohl räumliche als auch spektrale Informationen von Objekten am Boden. Mithilfe eines Spektrometers erfasst sie diese Informationen in verschiedenen Spektralbändern. Die Kamera besteht im Wesentlichen aus einem nach vorn gerichteten Teleskopobjektiv und einem Spektrometer und nimmt Bilder desselben Objekts in mehreren Spektralbändern auf der Fokalebene auf.

Blick + Scan: Eine gängige Bildgebungsmethode

Gängige Bildgebungsverfahren lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Fixieren und Scannen. Scannen wird weiter in Panorama-, Bürsten- und Schiebekamera-Verfahren unterteilt. Beim Panoramascannen wird mit jeder Belichtung ein zweidimensionales Bild eines lokalen Bereichs des Zielobjekts erfasst. Während sich die Kamera relativ zum Boden bewegt, werden mithilfe des Verschlusses mehrere lokale Bilder aufgenommen. Nach dem Zusammenfügen entsteht ein Gesamtbild. Schiebekameras und Bürstenkameras benötigen lediglich einen eindimensionalen Detektor und optische Linsen, die nur innerhalb des linearen Sichtfelds eine gute Bildqualität liefern. Das optische System und die Detektorstruktur sind relativ einfach. Insbesondere die Schiebekamera-Bildgebung benötigt kein mechanisches Scannen; sie nutzt stattdessen die Flugbewegung der Plattform und die Erdrotation zum Scannen. Ein eindimensionaler linearer Array-Detektor kann die zweidimensionale zeitliche Information des Objekts erfassen. Bei diesem Verfahren erleichtert die Verwendung eines zweidimensionalen Detektors die Erzielung hochauflösender Spektralbildgebung.

Optische Fernerkundungstechnologie für die Luft- und Raumfahrt:  Ein globaler "Selfie-Stick"

Die meisten optischen Fernerkundungssatelliten operieren in einer sonnensynchronen Umlaufbahn und überfliegen denselben Ort stets zur selben Ortszeit. Dies ermöglicht die kontinuierliche Beobachtung desselben Gebiets und die Erfassung von Trends bei Oberflächenveränderungen. Dadurch wird die Effizienz von Naturressourcenerhebungen, der Überwachung ökologischer Umwelten, der Stadtentwicklung sowie der Katastrophenprävention und -bewältigung deutlich verbessert. Darüber hinaus können optische Fernerkundungssatelliten auch zur militärischen Aufklärung eingesetzt werden und ermöglichen die schnelle und präzise Erfassung feindlicher Truppenverlegungen und -bewegungen; sie sind ein gängiger Typ militärischer Satelliten.

In den letzten Jahrzehnten hat sich die optische Fernerkundungstechnologie in der Raumfahrt rasant entwickelt und ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Menschheit geworden, um die Welt zu verstehen, das Verhältnis zwischen Mensch und Natur zu erfassen, die nationale Sicherheit zu gewährleisten und eine nachhaltige Entwicklung zu fördern. Die zivilen optischen Fernerkundungssatelliten meines Landes haben heute die Ära der Submeter-Auflösung erreicht. Es ist zu erwarten, dass mit der kontinuierlichen Verbesserung der Leistungsfähigkeit und der umfassenden Anwendungsmöglichkeiten von Fernerkundungssatelliten der Trend zur Integration von optischer Fernerkundung und Informationstechnologie der nächsten Generation immer deutlicher wird. Die Anwendungsmodelle der Satellitenfernerkundung werden sich weiterhin rasant weiterentwickeln und das Leben der Menschen in eine neue Ära führen.