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GIS (Fach) / GIS (Lektion)

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• Wozu GIS? Lösungen aus der Geoinformatik werden genutzt von...Professionellen EndanwendernUmweltschutz, Stadtplanung, VerkehrsplanungStandortmarketingKatastrophenvorsorge und Leitplanung, (Rück-) VersichererEnergieversorger, Entsorger, Bergbauunternehmen, Tief- und HochbauArchitektenForscher (Biologen, Geologen, Klimatologen, Soziologen, ...) Anderen EndanwendernTourismusRoutenplanungImmobiliensuche
• GIS Zweck? Sammeln, Bereitstellung, Visualisierung und Analysevon Geoinformationen Analyse und Bewertung von Geoinforma<on (z.B. Umweltverträglich-keitsprüfungen, Schadsto}elastungen, Überschwemmungen)
• Was ist Fernerkundung? Die Fernerkundung (englisch: Remote Sensing) ist die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt zugängliche Objekte durch Messung und Interpretation der von ihnen ausgehenden (Energie-)Felder. Als Informationsträger dient dabei die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung.
• Systematik der Fernerkundung? Systematisch dient uns die Fernerkundung in einem 5-stufigen Prozess: •Entdecken,“reconnaissance” •Abbilden/ Kartieren,“mapping” •Inventarisiere n,“inventorying” •Überwachen,“monitoring” •Vorhersagen,“forecasting”
• Fernerkundung passive oder aktive Systeme? Passive Systeme zeichnen die von der Erdoberfläche reflek=erte Sonnenstrahlung auf sowie die von der Erdoberfläche emigerte Eigenstrahlung (z.B. Thermalkamera). Im Gegensatz dazu senden aktive Systeme Mikrowellen- oder Laserstrahlen aus und empfangen deren reflek=erte Anteile (z.B. Radarsysteme und Laseral=meter).
• Was ist GIS (und Geoinformatik i.w.S) ? 1.Modellieren und Sammeln von Daten über Dinge auf/in/unter/nah der Erdoberfläche -Wie solche Geodaten (Klimadaten, Bevölkerungsdaten, Verkehrsdaten, Vertriebsdaten, Wegerdaten....) modellieren bzw. strukturieren? -Wie mit dem Raum- und/oder Zeitbezug umgehen? 2.Verwalten von Geodatenn-Wie die Geodaten speichern ? -Wie kann möglichst schnell auf gesuchte Geodaten zugegriffen werden ? 3.Analyse von Geodaten zur Ableitung von GeoinformaZonen -Wie Datenlücken schließen? -Wie die Datenflut analysieren, so dass für eine gegebene Fragestellung geeignete Geoinformationen abgeleitet und Schlüsse gezogen werden können (z.B. Wo ist die Schadstoffbelastung oberhalb eines Grenzwerts?). 4.Präsentation von Geoinformationen -Wie können InformaZonen opZmal dargestellt werden? -Wie können Nicht-Experten Analyseergebnisse präsenZert werden?
• Image Resolution – verschiedeneAuflösung? •Spatial resolution (räumlicheAuflösung) •Measure of the smallest angular or linear separation between two objects ; Usually refers to size of one pixel in a remote sensing image •Temporal resolution (zeitlicheAuflösung)•Time interval between image acquisitions of a particular area; Especially important for meteorological observations, natural hazards or other rapidly changing phenomena •Spectral resolution (spektrale Auflösung) •Number of dimensions (or channels) of a specific wavelength to which a remote sensing instrument is sensitive; Ranges from 1 to literally thousands for an instrument Spectral range vs. resolu:on – range concerns full spectrum of all bands – resolu:on refers to width of individual bands  •Radiometric resolution or dynamic resolution (radiometrische Auflösung)Sensitivity of a detector to differences in signal strength; ability to discriminate very slight differences in energy) 
• Radiometric Resolution I? •Sensitivity of a detector to differences in signal strength•A matter of how the sensor’s electronics record a number/value – bits and bytes, or “binary system” •What is a bit? The “atom” of computing systems – a single placeholder which can be 0 (off) or 1 (on) •What is a byte? 8 bits (aka “octet”) – analogous to a molecule: •0 0 0 0 0 0 0 0 – one byte composed of 8 bits
• Electromagnetic Radiation (EMR)? Dominant way energy is transported from the sun to Earth •EMR (short to long wavelength): Gamma rays, x-rays, visible-NIR light, thermal radiation, microwave, radiowaves •Smallest Unit: A photon
• Energy-Matter Interactions in the Atmosphere and on the Earth Surface ? 1.Absorption (Absorption):process by which radiation is absorbed and converted to other forms of energy. 2.Refraction (Refraktion, Brechung): bending of light through mediums of different density. 3.Reflectance (Reflexion, Spiegelung):is the process whereby radiation “bounces off” an object. 4.Scattering (Streuung):reflectance in an unpredictable manner. 5.Transmittance (Transmission, Durchlässigkeit):process by which radiation passes through a material.
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• Absorption? Absorption ist die Aufnahme von Elektromagnetischer Strahlung (EMS) und Umwandlung in eine andere Energieform Ozone (O3), carbon dioxide (CO2), and water vapor (H2O) sind die wichtigsten Molekülein der Atmosphäre, die EMS aufnehmen. The cumulative effect of the absorption by the various constituents can cause the atmosphere to close down in certain regions of the spectrum. This is bad for remote sensing because no energy is available to be sensed.
• Refraction ? Refraction: When light goes from one transparent medium to another with a different index of refraction (n, Brechungsindex), the light is bent.
• Energy-Matter Interactions with the Terrain ? Energy-Matter Interactions with the Terrain I Radiant energy(Q; measured in J) impingent on a surface can have three interactions. Radiation (Energy, E) budget equation (Strahlungsbudget): E(λ)= ER(λ) + EA(λ) + ET(λ) where ER(λ) amount of energy reflectedfrom the surface EA(λ): amount of energy absorbed by the surface ET(λ): the amount of radiant energy transmitted through the surface
• Einführung •die Lage eines Punktes auf der Erde kann durch Koordinaten festgelegt und beschrieben werden Koordinatensystem •diese Koordinaten werden auf ein bestimmtes Schema (Ursprung, Maßstab, Ausrichtung des Systems, Bezugsfläche) eindeutig bezogenReferenzsysteme •jedes Koordinatensystem hat ein bestimmtes Referenzsystem •um die Lage eines Punktes in der Kartezu verwirklichen, muss der Punkt von der sphärischen Erdoberfläche in die Kartenebene projiziert werden Projektion
• Koordinatensysteme? Ebene Koordinaten •z.B. kartesische Koordinaten Sphärische Koordinaten -z.B. geographische Koordinaten Projizierte Koordinaten •UTM, Gauß-Krüger (GK)
• Kartesische Koordinatensysteme? •Ein kartesisches Koordinatensystem ist ein orthogonales (rechtwinkliges Koordinatensystem), dessen Koordinatenlinien (Geraden) in einem konstantem Abstandsind•Die horizontale Achse wird als x-Achse, Abszisse oder Rechtsachse bezeichnet. •Die vertikale Achse heißt entsprechend y-Achse, Ordinate oder Hochachse. • Die räumliche Achse heißt Applikate oder Kote(z-Achse).
• Projektionen? •eine Projektion ist eine Übertragung von dreidimensionalen räumlichen Koordinaten auf zweidimensionale ebene Koordinaten •drei grundsätzliche Projektionen: •Ebene•Zylinder(z.B.: Gauß-Krüger, UTM) •Kegel
• UTM - Universales-Transversales-Merkator-System? •Bezug auf interna<onales Erdellipsoid von Hayford(1924) •konforme (winkeltreue) Abbildung des Erdellipsoides in die Ebene •Zylinderprojek<onin transversaler Lage längentreue Abbildung zweier Schnigkurven •6° breite Meridianstreifen
• UTM ? Das UTM-Koordinatensystem(UTM englisch Universal Transverse Mercator, universale transversale Mercator-Projek<on) ist ein Koordinatensystem, das es ermöglicht, jeden Punkt der Erde mit einer UTM-Koordinate (Zonennummer, Hoch- und Rechtswert) eindeu<g zuverorten
• Gauß-Krüger-Koordinaten? •Beruht auf der Transversalen Mercator-Projek<on. •Das Koordinatensystem der Projek<on ist rechtwinklig mitRechtswertund Hochwert. •Die Hauptmeridiane liegen im Abstand von jeweils 3° östlich von Greenwich. Die Hauptmeridiane werden bei Greenwich (0°) in östlicher Richtung numeriert. •Nullpunkt der Abszisse ist der Schnigpunkt von Hauptmeridian mit dem Äquator. •Um keine nega<ven Ordinaten zu erhalten, wird ein Zuschlag von 500 000 m auf alle Ordinatenwerte gesetzt.
• Referenzsystem und Referenzrahmen ? •alle Koordinatensysteme besitzen eine bes<mmte Bezugsfläche und ein Datum, d.h.sie sind als verschiedene Referenzrahmen bzw. Referenzsysteme definiert •dabei ist ein Referenzrahmen die konkrete Realisierung des Koordinatensystems •dagegen ist ein Referenzsystem die theoretisch ideale Definition des Koordinatensystems
• Bezugsfläche ? ist die definierte Ersatzfläche der Erdoberfläche•für Lagekoordinaten: •im Allgemeinen: Ellipsoid •für kleinere Länder: Kugel •für Messgebiete: Ebene •für Höhenkoordinaten: Geoid
• Geoid_? •The Geoid is a figure that adjusts the best ellipsoid and the varia=on of gravity locally. It is the most accurate, and is used more in geodesy than GIS and cartography
• Satellitenumlaufbahnen (Orbits) ? Satellitenorbits werden nach Art und Höhe des Orbits in vier Klassen eingeteilt:•GEO: geostationärer Orbit in etwa 36.000 km Höhe •LEO(Low Earth Orbit): in 700 - 2000 km Höhe •MEO(Medium Earth Orbit): oder ICO (Intermediate CircularOrbit) in 6000 – 20.000 km Höhe •HEO(highly Elliptical Orbit): elliptische Orbits
• Geostationäre Satelliten (GEO) ? Umlaufzeit beträgt ~1 Tag, Satellit bewegt sich synchron mit Erddrehung •hohe Sendeleistungen nötig •durch große Entfernung lange Laufzeit, ca. 275 ms•Geeignet für Wettersatelliten •ungeeignet für flächendeckende Mobilfunkversorgung
• Medium Earth Orbit Satelliten (MEO) ? Orbit in 6000 – 20.000 km HöheIm Vergleich mit LEO-Systemen:•Geschwindigkeit des Satelliten langsamer •weniger starker Doppler-Effekt •längere Laufzeiten, etwa 70 - 80 ms•höhere Sendeleistung nötig •stärker bündelnde (= größere) Antennen für kleine Ausleuchtungsgebiete nötig
• Low Earth Orbit Satelliten(LEO) : Orbit in 500 - 2000 km Höhe •Die meisten Earth-Observation Satelliten (EOS, Sentinel) sind in dieser Höhe. •Sichtbarkeitsdauer eines Satelliten 10 - 40 Minuten •Laufzeit vergleichbar mit terrestrischen Weitverkehrs-verbindungen, etwa 5 - 10 ms•kleinere Ausleuchtungsgebiete, bessere Frequenznutzung •Frequenzänderung wegen Satellitenbewegung (Doppler-Effekt)
• Across-Track Scanning (Whiskbroom) ? •gescannten Querstreifen werden in eine Abfolge von räumlichen Elementen (ground resolu=on cell) untergliedert•von jedem Element aus gehende elektromagnetische Strahlung wird nacheinander entlang des Querstreifens aufgenommen•Dies wirderreicht durch die Verwendung eines oszillierenden Spiegels, der die elektromagne=sche Strahlungauf die Sensorgeräte richtet•Jedem Element ist im Sensor ein mikroelektronischer Detektor zugeordnet, der die Messung als Einzelwert für einen Bildpunk tausdrückt.
• Along-Track (Pushbroom) ? •linearen Anordnung vieler Detektoren(CCDs), die jede Scanlinie zur selben Zeit aufnimmt. •wird gleichermaßen für optische, als auch für Radarsysteme verwendet- Along-track Scanner können hohe spektrale Auflösungenbesitzen(# der CCDs, Charge Coupled Device, dt.ladungs(träger)gekoppelte(s) Bauelement/Schaltung) •Jedes CCD kann in einem anderen Spektralbandsehen, folglichlässtsichdurchdie Erhöhung der Anzahlder Sensorelementedie spektrale Auflösungerhöhen •Problemekönnensichergeben wenn jedes CCD kalibriert werden muss. •Die Vorteilevon CCDs liegen in ihrem geringen Gewicht, ihrer starrenPosi=on, ihrem geringenStromverbrauch, ihrer Verlässlichkeit und langen Lebensdauer
• Whiskbroom versus Pushbroom? Whiskbroom Sensor (1D array or across track) +Each pixel in each spectral image is acquired with the same detector +Artifacts are relatively simple and easier to correct +Robust - Short dwell -Relatively low spatial and spectral resolution Pushbroom Sensor (2D linear array, along track) +Higher spatial, spectral and radiometric resolution possible +Long dwell time -Each column of each spectral image is acquired with a different detector (may lead to striping artifacts)
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• Signal-to-Noise-ratio (SNR)? The ratio between the current produced by the incoming light/EMR wave striking the detectors (signal) to the current produced by the electronics of the sensor (noise):
• Sensor Type 5: Digital Frame Camera •Sensors are only available airborne •Sacrifice spectral resoluNon to maximize spaNal and maintain SNR (radiometric resoluNon) •Emerge Digital Sensor Systems (DSS) –4 band VNIR; 0.15-3m –Area array –4000x4000 image size
• Brightness values (BV) or Digital Numbers (DN)? •“BrightnessValue” (BV) oder Helligkeit: Intensität der Elektromagnetischen Strahlung für eine bestimmte Wellenlänge •Niedriger BV = niedrige EMS aufgenommen •Hoher BV = hohe EMS aufgenommen Bei der Betrachtung von Satellitenbilder werden hohen BV helle Farben und niedrigen BV dunkle Farben zugeordnet: •high BVs assigned bright/light color value•low BVs assigned dark/dim color value
• RGB color mode? Das Kombinieren von Farben ergibt Sekundärfarben und erlaubt die Darstellung von verschiedenen Farben. Die Kombination von rot, grün, blau in mit derselben Intensität ergibt weiße Farben.
• Active Remote Sensing III ? •active sensors emit EMR in certain wavelengths and then detect the returning signal •Active sensors are much more complex than passive sensors, both in their technology and the interpretation of the signal. •RADAR (Radio Detection and Ranging) use pulses of long wave EMR in the radio spectrum (~1 mm – 1 m) to illuminate the terrain to determine the distance and angular position of objects •LIDAR(Light Detection and Ranging) measures the time for a laser pulse (usually visible or near IR) to return to generate distance measurements and highly detailed 3-d models •SONAR(SOundNavigation and Ranging)
• Advantages of RADAR Remote Sensing? •Active microwave energy passes through clouds and serves as an all-weather remote sensing system •Synoptic view of large area •Coverage can be obtained at user-specified times (even at night) •Permits imaging at shallow look angles, resulting in different perspectives that cannot always be obtained using aerial photography •Senses in wavelength outside the visible and infrared region of the EM spectrum, providing information on surface roughness, dielectric properties, and moisture content •May penetrate vegetation, sand, and surface layers of snow •May operate simultaneouslyin several wavelength (frequencies) and thus has multi-frequency potential •Supports inter ferometricoperation using two antennas for 3-D mapping an land-elevation changes
• Radar principles? •Slant range Pulse parameters•Azimuth direction or Flight Path: the direction the airplane/satellite is moving •Range direction: direction of radar illumination and is perpendicular to the azimuth direction •Depression angle(γ) or Look angle (90-γ): the angle (gamma) between the horizontal plane formed by azimuth and range, and a the direction of the EMR pulse to a point on the ground. The angle can vary between the near-range γand far-range γ, with an average γbetween the two. •Incident angle(θ): the angle between the EMR pulse and a line perpendicular to the surface. For a flat surface, θ= 90 - γ.
• Polarization I ? •EMR vibrates in all directions, but polarized EMR vibrates in only one plane •RADAR systems transmit and receive polarized EMR, typically either vertical (V) and/or horizontal (H) •Polarization send/receive designations can be VV, HH, HV or VH.
• Aktive und Passive Satellitensensoren? Passive Satellitensensoren: ●Sonne ist Energiequelle ●Nehmen nur natürliche EMS auf Aktive Satellitensensoren: ●Haben eine eigene Energiequelle ●Nehmen die gestreute/zurückgestrahlte EMS auf
• Interferometry ? •Interferometry: The use of interference phenomena for purposes of precise distance measurements •Uses two or more SAR radar images to generate spatial patterns (maps) of surface deformation or digital elevation by using the phase differences of the waves returning to the instrument.
• What does the term GPS and GNSS mean? •GPS: Global PosiGoning System •Developed by the U.S. Department of Defense in 1973 •GNSS: Global NavigaGon Satellite System •Term for all satellite navigaGon systems in addiGon to GPS, there exists: •GLONASS (Russia) •Galileo (European Union) •Compass (China), expanding Beidou(Big Dipper) •IRNSS Indian Regional NavigaGonal Satellite System •QZSS: Quasi-Zenith Satellite System (Japan)
• What is a GPS? Orbiting navigational satellites •Transmit position and time data •Handheld receivers calculate •latitude •longitude •alGtude •velocity •Developed by Department of Defense (DoD)
• GPS- Selective Availability (S/A)? The Defense Department dithered the satellite time message, reducing position accuracy to some GPS users.
• GPS- Sources of Error? •Gravitational effects •Atmospheric effects •Obstruction •Multipath •Satellite geometry •Selective Availability
• Klassifizierung (Classification) ? Es gibt 3 Haupttypen von Klassifizierungen: •Überwachte Klassifizierung (supervisedclassification) •Unüberwachte Klassifizierung (unsupervisedclassificiation) •Hybride Klassifizierung (hybrid classification)
• Supervised classification ? In a supervised classification, the identity and location of some of the land-cover types (e.g., urban, agriculture, or wetland) are known beforehand (a priori)through a combination of fieldwork, interpretation of aerial photography, map analysis, and personal experience. •Distinguishing task: collect training sites which are used to determine spectral characteristics of known areas à train the classification algorithm for eventual land-cover mapping of the image •Multivariate statistical parameters (means, standard deviations, covariance matrices, correlation matrices, etc.) are calculated for each training site
• Unsupervised classification ? In an unsupervised classification, the identities of land-cover types to be specified as classes within a scene are generally unknown (ground reference information lacking or surface features within the scene are not well defined) •The computer is instructed to group pixels with similar spectral characteristics into unique clusters according to some statistically determined criteria. •Then re-label and combine the spectral clusters into classes.
• Unsupervised vs. Supervised classification ? Unsupervised Classification •Patterns are discovered in the data (no training) •Classes are identified after classification •Can be used in combination with supervised classification (apply supervised classification to unsupervised output) Supervised Classification •Classes are predetermined •Training sites are established, used to train the classifier •Class statistics are entered into a variety of classifiers to generate a map
• Supervised Classification: Algorithms? •Density slicing •Minimum distance to the mean •Parallelipiped•Maximum likelihood
• Accuracy Assessment: Sampling Scheme ? There are basically five common sampling designs used to collect ground reference test data for assessing the accuracy of a remote sensing–derived thematic map:1. random sampling,2. systematic sampling, 3. stratified random sampling, 4. stratified systematic unaligned sampling, and 5. cluster sampling. The location of the sample locations must be selected randomly without bias.

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