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Sentinel-2 – das erste Jahr

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Sentinel-2 is eine Satellitenmission zur Erdbeobachtung, deren Bilder als offene Daten zugänglich sind. Der erste Satellit hierfür wurde im Juli letzten Jahres gestartet und die Daten wurden ab November letzten Jahres zugänglich gemacht. Das Konzept von Sentinel-2 ähnelt dem Landsat-Programm und mit einer etwas höheren räumlichen Auflösung von 10m produziert der Satellit die derzeit höchste Auflösung unter den als offene Daten zugänglichen Satellitenbildern.

Dies soll eine Analyse der Sammlung von Satellitenbildern werden, welche Sentinel-2 während des ersten Betriebsjahres produziert hat. Zum Vergleich beginne ich jedoch mit Landsat.

Landsat

Landsat 8 ist nun mehr als drei Jahre in Betrieb und zeichnet wie bereits zuvor erwähnt mittlerweile im wesentlichen ausgewogen die gesamten globalen Landflächen der Erde in einem 16-Tage-Intervall auf. Um das zu illustrieren habe ich hier mal die Aufzeichnungen von der Tagseite vom letzten Jahr dargestellt. Zu sehen sind die WRS2-Kacheln in einer Farbe welche der Anzahl der erfassten Bilder entspricht. Dies lässt sich relativ einfach auf Grundlage der Metadaten-Pakete erstellen, welche der USGS bereitstellt.

Der Zeitrahmen ist dabei nicht willkürlich gewählt, ein Schnitt in der Mitte des Oktobers bedeutet, dass man einen vollen Sommer der Nord- als auch der Südhemisphere abdeckt.

Wie man sieht sind die niedrigen Breiten recht gleichmäßig gefärbt, was bedeutet, dass die Haupt-Landmassen mit größtenteils 21-23 Bildern abgedeckt sind – was dem 16-Tage-Intervall entspricht. Bei hohen Breiten werden nicht alle Aufnahme-Möglichkeiten wahrgenommen, wie aber die dichteren Linien in der Illustration schon andeuten bedeutet das nicht notwendigerweise, dass seltener Bilder aufgezeichnet werden. Um die tatsächliche Aufzeichnungs-Frequenz besser zu veranschaulichen hier eine andere Darstellung, welche die jeweilige Zahl der Bilder für jeden Pixel darstellt, welcher Landflächen beinhaltet.

Hier sieht man, dass die hohen Breiten in den meisten Fällen sogar deutlich öfter erfasst werden – was auch nicht schlecht ist, denn diese Bereiche sind öfter durch Wolken beeinträchtigt als die Subtropen.

Ein paar interessante Beobachtungen lassen sich daran machen. Zunächst sieht man sehr schön, wie die off-Nadir-Aufnahmen im Norden Grönlands und in der Antarktis die Abdeckung vergrößern und das überhaupt nicht abgedeckte Gebiet, welches in blau dargestellt ist, verkleinern. Dies ist natürlich in erster Linie das Innere der Antarktis, es gibt jedoch auch zwei blaue Pixel weiter nördlich:

  • Rockall – nicht wirklich groß genug, um in nützlicher Form auf einem Landsat-Bild dargestellt zu werden.
  • Die Jonas-Insel – ein recht klares Versäumnis, denn andere kleinere Inseln anderswo werden spezifisch von Landsat erfasst.

Hier die Insel auf einem Sentinel-2-Bild:

Was Landsat nicht kennt – die Jonas-Insel gesehen von Sentinel-2

Ansonsten werden die niedrigen Breiten bei jeder Gelegenhet erfasst, so dass es hier nicht wirklich was zu verbessern gäbe. Bei den hohen Breiten gibt es jedoch immer noch einige Unterschiede in der Priorität zwischen besonders bevorzugten Gegenden und eher vernachlässigten Bereichen. Insbesondere die Inseln der Karasee und der Ostsibirischen See sowie die Bäreninsel und Hopen südlich von Spitzbergen sind deutlich seltener erfasst als andere Gegenden auf der selben Breite. In gewisser Hinsicht ist dies natürlich auch eine Effizienz-Frage, denn ein Bild aufzunehmen, welches lediglich eine einzige kleine Insel enthält, ist insgesamt weniger nützlich als eines welches vollständig oder zumindest größtenteils Landflächen abdeckt.

Zum Verglech und zur Vervollständigung hier die selben Illustrationen für die vergangenen Jahre:

Jahr Tagseite Nachtseite Pixel-Abdeckung Tag
2014 LS8, LS7 LS8 LS8
2015 LS8, LS7 LS8 LS8
2016 LS8, LS7 LS8 LS8

Sentinel-2

Nun zum Hauptthema, dem ersten Jahr von Sentinel-2. Die öffentliche Verfügbarkeit der Bilder begann im November, jedoch wurden schon vorher eine ganze Menge Bilder aufgezeichnet und im Nachhinein zugänglich gemacht, so dass ich hier die selbe Grenze ziehe wie bei Landsat (Mitte Oktober), den Startpunkt offen lasse und das Ganze als das erste Jahr auffasse. Im Vergleich zu Landsat bedeutet dies eine etwas stärkere Bedeutung des nordhemisphärischen Sommers, denn hiervon sind sowohl von 2015 als auch von 2016 Bilder dabei.

Technisch ist das Ganze aus mehreren Gründen bei Sentinel-2 deutlich schwieriger also für Landsat:

  • Da die ESA keinen Gesamt-Download der Metadaten anbietet, muss man sich diese aus der API zusammenklauben.
  • Die API liefert – abgesehen davon, dass sie in letzter Zeit recht unzuverlässig ist – nicht immer alle zu einer Abfrage passenden Pakete zurück, zumindest was die ‘search API’ betrifft, die ‘OData API’ ist da anders.
  • Nicht alle Pakete in der Datenbank haben Abdeckungs-Polygone.
  • Pakete, welche sich über den 180-Grad-Meridian erstrecken, haben defekte Polygone.
  • Wie in meinem ersten Bericht über die Sentinel-2-Daten erwähnt haben die frühen Datensätze alle falsche Polygone. Die ESA hat diesen Fehler im Juli korrigiert, jedoch sind viele der frühen Pakete seit dem noch nicht ersetzt worden.
  • Einige der frühen Pakete von 2015 haben eine falsche relative Orbit-Nummer.

All dies zusammen bedeutet, dass man eine ganze Menge Aufwand treiben muss, um eine halbwegs genaue Analyse zu bekommen. Was ich im Folgenden zeige weist deshalb auch noch einige Einschränkungen auf:

  • Es sind nur die Tagseiten-Bilder eingeschlossen. Da Sentinel-2 keine Daten im thermischen Infrarot aufzeichnet, sind Nachtbilder sowieso sehr selten. Aufgrund der Komplikationen hab ich diese deshalb weggelassen.
  • Bilder ohne Abdeckungs-Polygon oder falsche relative Orbit-Nummer sind nicht dabei (insgesamt ein paar hundert).
  • Bilder mit den alten fehlerhaften Polygonen sind an den Seiten entsprechend dem Aufzeichnungs-Streifen beschnitten, jedoch nicht in Umlauf-Richtung. Hierdurch wird die Abdeckung systematisch überschätzt, insbesondere in Bereichen fein granulierter Aufzeichnungen. Dies lässt sich gut bei den kleineren grünen Bereichen in Amerika und Asien beobachten, welche in Wirklichkeit deutlich kleiner sind als dargestellt.

Trotzdem sollte dies insgesamt einen recht genauen Eindruck der räumlichen Verteilung der Bilder und der Aufzeichnungs-Prioritäten von Sentinel-2 im ersten Betriebsjahr bieten:

Wie bereits weitgehend bekannt zielt der Betrieb von Sentinel-2 nicht auf eine gleichmäßige globale Abdeckung ab. Der Schwerpunkt liegt – zumindest für das letzte Jahr – auf Europa, Afrika und Grönland. Mit dem 10-Tage-Intervall könnte Sentinel-2 theoretisch an jedem einzelnen Punkt der Erde 35 Bilder pro Jahr erfassen – vom Volumen her jedoch vermutlich nicht für alle Landflächen zusammen. Verständlicherweise wurde dies im ersten Jahr für keinen Punkt außerhalb der Überlappungs-Bereiche erreicht, wenngleich die Regionen mit Priorität (Europa und Afrika) mit der selben oder sogar einer höheren Frequenz als durch Landsat erfasst wurden. Anderswo war die Aufzeichnung jedoch deutlich unregelmäßiger und die kleinen Prioritätsgebiete scheinen recht willkürlich verteilt zu sein, vermutlich um jeweils Partikular-Interessen zu bedienen. Dies ist besonders auffällig in der Antarktis, wo das Landesinnere weitgehend unerfasst ist, jedoch ein kleines, weitgehend strukturloses Gebiet auf dem Plateau der Ostantarktis aus irgendeinem Grund wiederholt aufgenommen wurde.

Außer der Antarktis und dem äußersten Norden Grönlands sind vor allem kleinere Inseln überhaupt nicht aufgenommen worden.

Was die Illustration nicht hergibt sind Informationen darüber, wie gut die Zuteilung der Zeitfenster in den Bereichen gehandhabt wird, wo nicht jede Möglichkeit zur Aufzeichnung genutzt wird, insbesondere was die Wolken-Bedeckung angeht. Bei Sentinel-2 ist dieses Gebiet deutlich größer (ich würde schätzen etwa zwei Dittel der Landflächen im Vergleich zu etwa einem Drittel bei Landsat). Mein Bauchgefühl sagt, dass der USGS hier etwas besser ist – was in Anbetracht der größeren Erfahrung nicht verwunderlich wäre. Es könnte interessant sein, sich mal die Wolkenbedeckungs-Schätzungen der Bilder im Vergleich anzuschauen obwohl diese recht unzuverlässig sind und durch die unterschiedlichen verwendeten Methoden am Ende vermutlich nicht wirklich ein aussagekräftiges Ergebnis dabei raus kommt. Und wie früher schon mal erwähnt bedeuten die größeren Bilder bei Sentinel-2 auch, dass eine Wolkenbedeckungs-bezogene Aufnahmen-Planung hier schwieriger ist.

Ausblick

Was kann man also vom nächsten Jahr erwarten? Für Landsat scheint sich kaum was zu ändern. Bei Sentinel-2 ist der aktuelle Status

Sentinel-2A is acquiring Europe, Africa and Greenland at 10 days revisit, while the rest of the world land masses defined in the MRD are mapped with a 20 days revisit time.

Wie zuvor schon mal erläutert sind solche Aussagen mit Vorsicht zu genießen, insbesondere in Bezug auf das MRD. Das zitierte würde eine deutlich höhere Aufzeichnungs-Frequenz bedeuten und vor allem eine gleichmäßigere globale Abdeckung – das letzte Jahr wies wie oben dargestellt einen größeren Unterschied als 1:2 zwischen Europa und Afrika auf der einen und Amerika und Asien auf der anderen Seite auf.

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