Vergleich der Aussagekraft von SAR- und anderen Fernerkundungsdaten für Landnutzung und Geologie im humiden und ariden Klimabereich

Aufgrund der Allwettertauglichkeit, der Unabhängigkeit von Sonnenlicht sowie der - wenn auch beschränkt - Eindringfähigkeit stellt das Radar-Verfahren, das ursprünglich für Lokalisierung und Entfernungsmessung entwickelt wurde, eine hochwertige Fernerkundungsmethode dar. Besonders seit dem Start des SEASAT im Jahre 1978 hat sich der Mikrowellen-Fernerkundung rasch entwickelt und Immer mehr an Bedeutung gewonnen. Die bisherigen Untersuchungen zeigen jedoch, daß sich die Anwendung der Radar-Verfahren in der Fernerkundung noch im Anfangsstadium befindet. In diesem Zusammenhang wurde in der vorliegenden Arbeit versucht, die Aussagekraft von Radar- und anderen Fernerkundungs-Daten, einschließlich Luftbild, FMP-, Landsat-MSS- und Landsat-TM-Daten, für Probleme der Landnutzung und Geologie zu vergleichen. Zwei geeignete Testgebiete wurden ausgesucht: Donaueschingen (SW-Deutschland) und ein Teil der Western Desert (SW-Ägypten). Beide Gebiete werden von einer Schichtenstufenlandschaft geprägt, und ähnliche, jedoch unterschiedlich alte Gesteine bestimmen das Landschaftsbild: im Testgebiet Donaueschingen sind es Kalkstein, Tonschiefer und Sandstein von triassischem bis jurassischem Alter; im Testgebiet Western Desert, die gleichen Gesteinstypen mit einem Alter vom Jura bis ins Alttertiär. Ein weiterer Unterschied zwischen beiden Gebieten liegt darin, daß sie sich In ganz unterschiedlichen Klimabereichen befinden: das erste In der ektropischen Zone und das zweite in der warmen Trockenzone.

Als Basis des Vergleichs dient eine kurze Darstellung der Eigenschaften von verschiedenen Fernerkundungs-Verfahren sowie -Aufnahmen. Das Radar-Verfahren unterscheidet sich im wesentlichen durch die Ausstrahlung von Impulsen im Mikrowellenbereich von den anderen Verfahren; es wird infolgedessen als "aktives Verfahren" bezeichnet. Je nach der Arbeitsweise lassen sich zwei Arten von Radar- Verfahren unterscheiden: RAR (Real Aperture Radar) und SAR (Synthetic Aperture Radar). Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich lediglich mit SAR-Daten. Ein wichtiges Merkmal der SAR-Aufnahmen (wie allen Radar-Aufnahmen) ist, daß die Radarrückstrahlung wenig materialspezifisch ist, sondern vor allem von der Rauhigkeit und der dielektrischen Konstante der "beleuchteten" Fläche abhängt. Ein weiteres Merkmal ist die Aufnahmegeometrie, die durch die Seitensichtperspektive verursacht wird und sich im Bild als perspektivische Verkürzung (foreshortening), Oberkippen (layover) und Schatten bemerkbar macht. Das Auftreten von "speckle" ist wegen der monochromatischen Strahlung auch eine Inhärente Eigenschaft der Radaraufnahme. Bei den passiven Verfahren, deren spektrale Reflexion materialbezogen ist, können drei verschiedene Verfahren unterschieden werden: photographische Verfahren, Scanner-Verfahren und Mikrowellen-Radiometer. Nur auf die ersten zwei Verfahren wird in dieser Arbeit eingegangen.

Im Arbeitsablauf war der erste Schritt die Anwendung der allgemeiner Auswertemethoden, einschließlich visueller Interpretation und digitaler Bildverarbeitung. Dann wurden wichtige Aufnahmeparameter von jedem einzelnen benutzten Datensatz zusammengestellt. Anschließend wurden die Daten mit entsprechenden Verfahren ausgewertet.

Luftbilder wurden als Unterlagen für "ground truth" benutzt. Von Donaueschingen wurden nur CIR-Luftbilder im Hinblick auf die Unterscheidung der landwirtschaftlich genutzten Flächen interpretiert. Verwendet wurde dabei eine "Photoschlüssel-gestützte" Methode.

Die FMP-Daten im Testgebiet Donaueschingen mit elf verfügbaren spektralen Kanälen wurden in zwei Phasen digital bearbeitet; Auf eine radiometrische Entzerrung folgte die digitale Klassifizierung. Hierbei ließen sich 11 Klassen aus zwei Kanälen unterscheiden.

Landsat-MSS-Daten standen für beide Testgebiete zur Verfügung. Aus den Daten im Testgebiet I wurden die Landnutzungszustände digital klassifiziert, während im Testgebiet II nur ein Kompositenbild von 4 Kanälen für die geologische Untersuchung visuell Interpretiert wurde.

Im Vergleich mit den Landsat-MSS-Daten zeigen die sogenannten Landsat-Daten der zweiten Generation, die TM-Daten, viele Vorzüge, die sie auch bei der Landnutzungsanalyse auf weisen: hohe Auflösung und erweiterte spektrale Empfindlichkeit.

SAR-Daten des Testgebietes Donaueschingen wurden sowohl visuell als auch digital ausgewertet. Bei der visuellen Interpretation erwies sich das "tree classifier"-Verfahren als die geeigneteste Methode für die Landnutzungsanalyse. Eine digitale Bearbeitung der SAR-Daten aus diesem Testgebiet zeigte, daß die normalerweise für die Bildverarbeitung von passiven Fernerkundungsdaten geeigneten Programme für SAR-Daten nicht ohne weiteres nutzbar sind. Wesentlich sind hierbei folgende Punkte:

1. Grauwertanpassung
2. Geometrische Entzerruung
3. Radiometrische Korrektur
4. Reduktion des "speckle"
5. Unterdrückung der topographischen Einflüsse
6. Extraktion der Texturinformation
7. Eventuelle Klassifizierung.

Die vorliegende Untersuchung zeigt# daß fast jeder dieser Punkte einige speziell dafür geschriebene Programme benötigt. Anhand von den bei GEOMAPS (SCHOELE, 1983) verfügbaren Programmen wurden u.a. eine Median-Filterung und eine anschließende digitale Klassifizierung für ein kleineres Gebiet durchgeführt.

SIR-Daten sind nur aus dem Testgebiet II vorhanden. Die optisch aufgenommenen Originaldaten wurden visuell interpretiert und zur Erkennung von Lineamenten und Gesteinsunterschieden verwendet.

Unter Zugrundelegung der Auswertung der einzelnen Datensätze wurde die Aussagekraft dieser Datensätze für Fragen der Landnutzung sowie der Geologie gegenübergestellt.

Ein Vergleich im Hinblick auf Landnutzung wurde mit den Daten vom Testgebiet Donaueschingen durchgeführt. Angewandt wurde dabei das Klassifizierungssystem von ANDERSON et al.(1976). Die Klassifizierungsgenauigkeit auf verschiedenen Ebenen und von verschiedenen Datensätzen wurde dadurch festgestellt, daß zuerst 50 Pixel für Jede Klasse zufällig ausgewählt wurden und die Richtigkeit Ihrer Zuordnung statistisch ausgewertet wurde. Damit konnte eine Kontingenz-Tabelle erstellt werden, welche die Klassifizierungsgenauigkeit Jedes Datensatzes für Jede Objektklasse verdeutlicht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, daß sowohl passive (Luftbilder, FMP-, Landsat-MSS-, und TM-) als auch aktive (SAR-) Daten für die Landnutzungsanalyse auf der 1. und 2. Ebene geeignet sind. Die SAR-Daten von nur einem Aufnahmedatum erscheinen nicht zur Unterscheidung verschiedener Getreidetypen verwendbar zu sein, während CIR-Luftbilder dafür sehr geeignet sind.

Für den Vergleich der Aussagekraft für geologische Fragestellungen wurden SIR-A- und Landsat-MSS-Daten aus dem Testgebiet Western Desert herausgezogen. Den Interpretationsergebnissen zufolge sind im allgemeinen die Landsat-MSS-Daten besser für die Erkennung lithologischer Unterschiede geeignet als die SIR-A-Daten.

Am Schluß der Arbeit wird über die Anwendungsmöglichkeit sowie Auswertemethode Jedes benutzten Datensatzes diskutiert. Es wird betont, daß ein speziell für digitale Bearbeitung der Radardaten geeignetes Softwaresystem nötig ist. Die wichtigsten Prinzipien eines solches Systems werden beschrieben.

Because of Its all-weather usefulness» its independence of solar illumination and its even though limited penetration utility radar, which was originally developed for detection and ranging, has become a sofisticated remote sensing method. Especially since the start of SEASAT (1978) the microwave remote sensing has been swiftly developed and gained increasingly significance. Nevertheless the Investigations up to now show that the application of radar remote sensing is still in its Initial phase. In this respect it will be attempted in the present paper to compare the capabiliy of SAR and other remote sensing data as aerial photographs, airborne scanner (FMP), Landsat-MSS and Landsat-TM data for problems in land use and geology. Two test-sites were selected: Donaueschingen (SW Germany) and Western Desert (SW Egypt). Both sites have the same cuesta landscape built up of rocksequence with similar lithology but of different age: in the test-site Donaueschingen it is a intercalation of limestone, shale and sandstone from Triassic to Jurassic, whereas in the test-site Western Desert, it is the same kind of rintercation but ranging in age from Jurassic to lower Terltiary. Another difference between two sites is their distinctive climates: the former in an exotropic zone and the latter in a warm dry zone.

As a basis an Introduction to the different remote sensing systems and remotely sensed Imagery is given. The radar system differs from other remote sensing systems in Its impulse radiation in the microwave range and is consequently called an "active system". According to the mode of operation two kinds of radar can be distinguished: Real Aperture Radar (RAR) and Synthetic Aperture Radar (SAR). The present paper deals only with SAR data. Like all radar imagery it is an Important characteristics of a SAR Image that the back scattered radar radiation mainly depends on the roughness and dielectric constant of the irradiated surface. Another property of SAR imagery is the particular Image geometry as a results of the side-looking perspective, which generally introduces an image foreshortening, layover and shadow. The appearence of speckle is also an inherent charatcteristic of radar image. As to the passive remote sensing system, at which the recorded reflectance substantially depends on the chemical composition of the viewed material. Three different kinds of systems are distinguished in the present study: photograpglc camera, opto-electronic scanner and mocrowave radiometer. Only the former two kinds will be discussed in this paper.

Initially methods used for visual Interpretation and digital processing of remotely sensed data are reviewed. Subsequently important aquisition parameters for each data set are compiled, immediately followed by the evaluation of the data by means of the most promsing procedures, only.

Aerial photographs were mainly used as the base for ground truth purpose. The CIR aerial photographs from test-site Donaueschingen were Interpreted for Identification and classification of land use applying photo-keys.

The FMP data in test-site Donaueschingen have eleven spectral channels available. They were processed in two steps: a digital classification succeeded a radiometric rectification. Using the data of two channels eleven classes have been Identified and classified.

Landsat-MSS data were avail ible for both test-sites. Based on the data in test-site I a digital classification of the land use state was carried out, whereas in test-site II only an Image summed from 4 channels was Interpreted for geological Investigation.

In comparison with the Landsat-MSS data the so-called second generation Landsat data, TM data, have shown more advantlges: higher resolution and extended spectral range, which were presented too during the land use analysis.

Both visual and digital evaluation were carried out using SAR data of test-site Donaueschingen. A tree classifier has been proved to be the best method used for land use analysis. The digital processing of SAR data from this test-site depict that the available image processing programs, generally suitable to the evaluation of passive remotely sensed data, could not directly be used to evaluate SAR data. The following points are of major relavence:

1. Grey value matching
2. Geometric rectification
3. Radiometric correction
4. Reduction of speckle
5. Surpress of the topographic effect
6. Extraction of texture Information
7. Possible classification.

This paper shows that almost each of those points require a few special software programs. By means of the programs available with GEOMAPS (SCHOELE, 1983) a median filtering and a subsequent classification were readly accomplished in a smaller area.

The SIR-A data were in test-site II available. The original data present as film only, were Interpreted for identifying lineaments and different kinds of rocks.

Based on the evaluation of these individual data sets their Utility for land use and geology were compared.

The data from test-site Donaueschingen were used for the comparison related to land use. A classification scheme, recommended by ANDERSON et al. (1976) was applied. In order to determine classification accuracy at different levels and of different data sets, contingency tables have to be established, which represented the assignment of the fifty pixels that had been previously selected. These tables illustrate the classification accuracy of each data set and for each class. According to the accuracy analysis both passive (aerial photographs, FMP, Landsat-MSS and Landsat-TM) and active data are suitable to the land use analysis at the first and second level. The SAR data present from single date seem to be not so useful for crop discrimination. However, the CIR aerial photographs are more suitable for that purpose.

SIR-A and Landsat-MSS data from testsite Western Desert were used for the comparison of their utility in geology. The interpretation results have shown, that the Landsat-MSS data are better for the identification of different kinds of rocks than the SIR-A data.

Finally, the potential of application possibilities and evaluation methods of the used data sets were discussed. It is emphasized that for the digital processing of radar data a special software package is required. Its important principles are also represented.