Von Messwerten zu Karten

Jedes Satellitenbild, das Sie sehen, ist im Grunde eine Matrix numerischer Messwerte. Bevor eine Luftaufnahme wie ein Fluss, ein Kornkreis oder eine vulkanische Caldera aussieht, existiert sie als quantisierte digitale Zählwerte, die von fotoelektrischen Detektoren erfasst werden, welche 705 Kilometer über der Erde kreisen.

1. Die vier Auflösungen der Erdbeobachtung

Um eine Behauptung auf Grundlage von Satellitendaten zu prüfen, muss man die vier Parameter untersuchen, die jeden Fernerkundungsdatensatz bestimmen:

Räumliche Auflösung

Die räumliche Auflösung bezeichnet die physikalischen Bodenmaße, die in einem einzelnen Pixel erfasst werden. Landsat liefert multispektrale Pixel mit 30 Metern; Sentinel-2 bietet eine Auflösung von 10 Metern im sichtbaren und nahen Infrarot; kommerzielle Sensoren wie WorldView-3 erreichen 0,31 Meter. Ein 30-Meter-Pixel bedeutet, dass ein einzelnes Wohnhaus und sein Vorgarten zu einem einzigen numerischen Mittelwert des reflektierten Lichts verschmelzen.

Spektrale Auflösung

Die spektrale Auflösung gibt die Anzahl und Schmalheit der aufgezeichneten Wellenlängenbänder an. Übliche Smartphone-Kameras erfassen drei breite, sich überlappende Kanäle (Rot, Grün und Blau), während wissenschaftliche Erdbeobachtungssysteme das Spektrum in 13 oder mehr diskrete Kanäle aufteilen. Damit können Computer den Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) oder den Normalized Difference Water Index (NDWI) ohne optische Verzerrung berechnen.

Zeitliche Auflösung (Wiederholungsrate)

Wie oft überfliegt der Satellit exakt denselben Punkt auf der Erde? Landsat kehrt alle 16 Tage zurück (oder alle 8 Tage, wenn Landsat 8 und 9 sich abwechseln); Sentinel-2-Paare bieten am Äquator eine Wiederholung nach 5 Tagen und in mittleren Breiten nach 2 bis 3 Tagen. Behauptungen über ein „plötzliches Verschwinden über Nacht“ müssen stets mit den Kalenderdaten der tatsächlichen Umlaufbahnüberflüge abgeglichen werden.

Radiometrische Auflösung

Die radiometrische Auflösung misst, wie empfindlich ein Detektor feine Unterschiede in der Photonenenergie unterscheidet. Frühe 8-Bit-Sensoren zeichneten Werte zwischen 0 und 255 auf. Moderne 12-Bit- und 14-Bit-Instrumente unterscheiden 4.096 bis 16.384 diskrete Stufen und machen Abstufungen in tiefen Bergschatten oder auf hellen Salzseen sichtbar, die früher als überbelichtete flache Leerflächen erschienen.

„Ohne die räumliche und die radiometrische Auflösung eines Sensors zu kennen, ist jede Behauptung darüber, was ein Bild ‚beweist‘, reine Spekulation.“ Dr. Evelyn Reed, Physical Cartography Review

2. Geometrische Entzerrung und topografische Parallaxe

Rohdaten von Satelliten sind verzerrt. Weil der Sensor aus einer geneigten Umlaufbahn abtastet und sich die Erde unter ihm dreht, werden die Rohpixel durch atmosphärische Brechung und bergiges Gelände verschoben. Ein 4.000 Meter hoher Gipfel neigt sich von der Nadirsicht des Satelliten weg – eine Verzerrung, die als topografische Reliefverschiebung bekannt ist.

Kartografen wenden digitale Höhenmodelle (DEMs) an, die von der Shuttle Radar Topography Mission (SRTM) oder TanDEM-X stammen, um jedes Pixel mathematisch zu entzerren und exakt einem geografischen Koordinatensystem zuzuordnen (etwa WGS 84 / UTM). Erst nach der Orthorektifizierung lassen sich Entfernungen oder Flächen genau berechnen.

3. Die Unsicherheit von Farbkompositen

Da das menschliche Auge keine Infrarotstrahlung sehen kann, bilden Satelliten diese unsichtbaren Wellenlängen auf unsere sichtbaren Farbkanäle (Rot, Grün, Blau) ab, um „Falschfarben“-Komposite zu erstellen. In einem üblichen Falschfarbenbild (Bänder 8, 4, 3 bei Sentinel-2) erscheint dichtes Chlorophyll leuchtend rot, Wasser dunkelblau oder schwarz und trockener, kahler Fels graubraun.