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Wie Satelliten Farben sehen

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Bei meinen Anmerkungen zur spektralen Empfindlichkeit des Sentinel-2-Satellitensystems und den sich ergebenden Implikationen für daraus erzeugte Bilder habe ich festgestellt, dass das Thema eine etwas breitere Behandlung wert ist. Die Produktion von Bildern mit realistischen Farben ist sicher ein Motiv für den Start von Erdbeobachtungssatelliten mit Sensoren im sichtbaren Bereich, jedoch besteht in den meisten Fällen natürlich auch die Absicht, aus den Daten durch quantitative Analyse Informationen abzuleiten. Diese Ziele schließen sich nicht gegenseitig aus, sie stellen jedoch unterschiedliche Anforderungen an die Sensoren. Hier eine Darstellung der spektralen Bereiche, in denen verschiedene Erdbeobachtungssatelliten Daten aufzeichnen. Ich habe mich dabei auf derzeit im Betrieb befindliche und geplante nicht-kommerzielle Systeme beschränkt (mit Ausnahme von Landsat 5, welchen ich zum Vergleich drin habe) – aber natürlich ist dies eine letztendlich willkürliche Auswahl.

Man erkennt den Trend einer wachsenden Lücke zwischen dem roten und grünen Band von Landsat 5 bis Landsat 8, welcher von Sentinel-2 noch deutlich weitergeführt wird. Das DSCOVR-EPIC-Sytem führt dies zum Extrem, obwohl dies natürlich kein typischer Erdbeobachtungssatellit ist. MODIS und VIIRS haben beide recht breite Bänder im roten Bereich, jedoch recht schmale Empfindlichkeiten bei grün und blau, man erkennt dies auch, wenn man mit MODIS-Daten arbeitet, denn die Blau- und Grüntöne sind dort oft relativ kräftig und grell.

Am oberen Rand des Diagramms sieht man drei Instrumente, welche noch nicht in Betrieb sind, deren Start aber für dieses Jahr geplant ist. Der erste Sentinel-3-Satellit soll in den nächsten Tagen starten. Diese Satelliten arbeiten alle im Bereich mittlerer Auflösungen vergleichbar mit MODIS und VIIRS. Sie bieten generell recht schmale Spektralbänder, jedoch in größerer Anzahl, so dass es Möglichkeiten gibt, diese für realistischere Darstellungen zu kombinieren.

Nun stellt sich natürlich die Frage, wie die idealen Empfindlichkeitskurven für eine realistische Farbwiedergabe aussehen würden. Diese Frage ist nicht einfach zu beantworten. Eine möglichst realistische Annäherung der Empfindlichkeitskurven des menschlichen Auges wäre nicht unbedingt der beste Weg, denn überlappende Empfindlichkeiten bieten keinen wirklichen Nutzen. Für digitale Kameras mit Bayer-Sensor ist diese Frage recht umfassend untersucht worden. Dies Situation ist bei Sensoren von Satelliten natürlich etwas anders und unterscheidet sich zusätzlich je nachdem ob pansharpening mit einem Kanal mit höherer räumlicher Auflösung angewandt werden soll. Was jedoch fest steht ist, dass größerer Lücken innerhalb des sichtbaren Bereiches ungünstig sind.

Die hier gezeigten Beispielbilder zeigen Eindrücke der Sahara, wo rote Farbtöne dominieren. Die rote Farbe geht dabei auf das Vorkommen von Eisen-3-Oxiden und Hydroxiden zurück. Eisenoxid-Mineralien weisen generell im kurzwelligen Bereich eine geringe Reflexion auf während sie im roten und infraroten viel Licht reflektieren. Sie unterscheiden sich dabei darin wo genau der Übergang von geringer zu hoher Reflexion erfolgt und diese Unterschiede entgehen einem Sensor mit einer Empfindlichkeitslücke im Bereich zwischen grün und rot. In der Realität jedoch gehen die Farbnuancen in der Sahara weniger auf die Art der Eisen-Mineralien dort zurück, sondern basieren eher auf Unterschieden im Eisengehalt und in der Präsenz anderer Mineralien, welche oft eine gleichmäßigere Reflexion im sichtbarem Bereich aufweisen, sowie dunklem Wüstenlack.

Was jedoch generell zu beobachten ist, wenn der rote Empfindlichkeitsbreich im relativ langwelligem liegt, wo das menschliche Auge in der Empfindlichkeit bereits deutlich abnimmt, wie zum Beispiel bei Sentinel-2, ist eine Überbetonung von Eisenoxid-bedingten Rottönen. In Gegenden wie den hier gezeigten, wo dieser Effekt relativ gleichförmig über das gesamte Bild auftritt, lässt sich dies recht gut durch eine geringere Gewichtung des Rot-Kanals korrigieren – in der Fotografie entspräche dies einer Korrektur des Weißabgleichs. In Bereichen mit neutraleren Farbtönen mit gleichmäßiger Reflexion im Bereich grün-rot würde eine solche Maßnahme jedoch zu einer Verzerrung in Richtung grün und blau führen.

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