Report 2 / 1974 - AERO-INFRAROTTECHNIK


PRAKLA-SEISMOS Report 2 / 1974

AERO-INFRAROTTECHNIK

Dr. H. Chr. Bachem Unter Fernerkundung sind alle Verfahren zur Bild-und Datenaufnahme in den sichtbaren und nichtsichtbaren Bereichen des elektromagnetischen Spektrums zu verstehen, bei denen der Beobachter mit dem Aufnahmeobjekt in keinen direkten Kontakt tritt. Der Begriff " Remote Sensing of Environment" wurde erstmals um 1960 verwendet, als es den Amerikanern gelungen war, emittierte und reflektierte elektromagnetische Strahlung außerhalb des optischen Bereiches im Flugzeug aufzunehmen und abzubilden. Heute werden außer den abbildenden Verfahren (z. B. Luftbildtechnik, Strahlungsmessung mit Scannern, Seitensichtradar) auch nicht abbildende Verfahren der Aerogeophysik (Messungen des Erdmagnetfeldes, der Bodenleitfähigkeit und der Radioaktivität) und Messungen zur Luftüberwachung (Schwefeldioxid, Stickoxide, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Ozon, Kondensationskerne) in den Begriff Fernerkundung einbezogen. Klimatologie (Wärmebilanz der Industriegebiete, regionale Strukturplanung) Geologie und Hydrologie (Bodenforschung und Grundwasserforschung) Gewässerüberwachung (Nachweis von Kühl-und Abwassereinleitungen, Aufstellung von Wärmelastplänen). Die PRAKLA-SEISMOS GMBH führt Infrarotmessungen seit etwa zwei Jahren aus. Unsere Auftraggeber sind im wesentlichen Behörden, die u. a. für den Umweltschutz zuständig sind. Infrarot-Line Scanner Die Erkenntnis, daß Wärmestrahlung von allen Körpern emittiert wird, die eine höhere Temperatur als -273° C (absoluter Nullpunkt) haben, führte zur Entwicklung von Wärme-Detektoren. Sie bestehen aus Halbleiterelementen von weniger als 1 mm² Fläche. Während der Messung werden sie mit flüssigem Stickstoff auf -196° C gekühlt, um die störende Eigenstrahlung weitgehend auszuschalten. Die Meßstrahlung wird über einen mit 80 Hz rotierenden Planspiegel und ein spiegeloptisches System dem Detektor zugeführt (Fig. 1). Fig. 1: Schema eines Scanners Diagram of a scanner Dieser setzt sie in elektronische Signale (Videosignale) um, die verstärkt und codiert auf Magnetband gespeichert werden, damit sie analog oder digital weiterverarbeitet werden können. Die Drehachse des Scanspiegels liegt parallel zur Flugzeuglängsachse. Die Abtastung der Erdoberfläche (Fig. 2) erfolgt dazu senkrecht, wobei durch die Fortbewegung des Flugzeugs Zeile neben Zeile gelegt und bei der Wiedergabe ein photoähnliches Bild erzeugt wird. Das von PRAKLA-SEISMOS verwendete Scannersystem der US-Firma Daedalus Enterprises vom Typ OS 1230 besitzt zwei Infrarot-Detektoren für die Wellenlängenbereiche, für welche die Atmosphäre durchlässig ist, nämlich die "atmosphärischen Fenster" 3-5 µm und 8-12 µ.m . Die Registrierung der Meßdaten (Videodaten) erfolgt auf Analog-Magnetband. Bei jeder Umdrehung des Scanspiegels wird die Strahlung von zwei kontrollierten Schwarzkörpern als Temperaturreferenz mitregistriert. Fig. 2: Schema einer Scannerbefliegung Scanner survey (schematic) Wiedergabe der Scanneraufnahmen Für die Darstellung der Scanneraufnahmen bestehen, je nach der Zielsetzung, mehrere Möglichkeiten. Die Abspielung wird als Umkehrung des Aufnahmevorganges ausgeführt. An die Stelle des Scanners tritt ein Kathodenstrahlrohr. Die Horizontalablenkung des Kathodenstrahis in der X-Richtung entspricht der Rotation des Scanspiegels, die Helligkeit des Lichtpunktes wird durch die vom Magnetband abgespielten Videosignale gesteuert. Währenddessen läuft der Film in der V-Richtung am Kathodenstrahlrohr vorbei. Ein 2,5 Zoll oder 5 Zoll breiter Film wird hierbei so belichtet, daß stärkere Schwärzung einer höheren Temperatur entspricht. Feldabspielung Direkt im Anschluß an eine Befliegung wird eine Feldabspielung vorgenommen. Man benutzt dazu eine relativ einfache Apparatur, welche die Referenzstrahlung der Schwarzkörper nicht berücksichtigt. Ergebnisse solcher nicht quantitativer Abspielungen mit kontinuierlichen Grauwerten zeigen die Figuren 3 bis 5. Die Schwärzung der Objekte steigt mit ihrer Temperatur. Schon kleine Temperaturänderungen von 0,20 C rufen unterschiedliche Grauwerte hervor. Da mit dem einfachen Gerät jedoch keine Eichwerte (Grau keil) darstellbar sind, kann man die Feldabspielungen nicht quantitativ ausmessen. Sie werden auch als Kontrollmessung für das fehlerfreie Arbeiten der Apparaturen und als erste Überprüfung der Scannermessungen benutzt.			ein wichtiger Zweig der Fernerkundung The Airborne Infrared Technique an Important Branch for Remote Sensing of the Environment With Remote Sensing we mean all methods of data acquisition in the visible and non-visible ranges of the electromagnetic spectrum, whereby the observer has no direct contact with the target object. The term " Remote Sensing of Environment" was used for the first time in 1960 when the Americans succeeded in airborne recording and imaging the emitted and reflected electromagnetic radiation beyond the visible range. Nowadays the term " Remote Sensing" is used for imaging methods (e. g. aerial photography, scanning methods, side-Iooking radar) as weil as for non-imaging methods of airborne geophysics (magnetometry, soil conductivity and gamma radiation surveys) and air pollution surveys (sulfur dioxide, nitrogen oxides, carbon monoxide, carbon dioxide, ozone, condensation nuclei). This article only concerns airborne infrared scanning which produces thermographic imagery of the earth's surface. They are increasingly applied in different fields of research, like climatology (heat balance of industrial areas, urban and regional planning) geology and hydrology (soil and groundwater research) supervision of surface waters (detection of cooling and waste water influx, design of heat load plans). PRAKLA-SEISMOS has been active in infrared scanning for about 2 years. Our contractors are mostly government agencies responsible for environmental affairs. Infrared Line Scanner Heat radiation is emitted by all bodies whose temperature is above -273° C (absolute zero). This realization led to the development of heat radiation sensors. They consist of semi-conducting elements less than 1 square millimeter in size. During the survey they are cooled to -196° C by liquid nitrogen, in order to eliminate disturbing radiation of the sensor itself. The radiation detected is fed to the sensor by a plane scanning mirror, rotating with 80 cps, and a parabolic mirror system (Fig. 1). The sensor converts the radiation into electronic (video) signals, which are amplified, coded and recorded on magnetic tape for subsequent analog or digital data processing. The rotation axis of the scanning mirror is parallel to the aircraft's longitudinal axis. The earth's surface is scanned normal to it line by line (Fig. 2) j due to the movement of the aircraft the individual scans are combined to an image, looking similar to a photograh. Fig. 3 Thermogramm des Rheins bei Duisburg, aufgenommen nachts Flughöhe 1250 m ü. Grund Maßstab 1 : 30 000 Geometrische Auflösung 3 m Temperaturauflösung 0,20° C Thermogram of the River Rhine near Duisburg recorded at night fljght altitude 3800 ft scale 1 : 30 000 target resolution 10 ft thermal resolution 0.20° C Fig. 4 Münster/Westf. - Thermogramm eines Gebietes mit gemischter Bebauung Stadtgebiet - Erholungs-und Sportgelände - offene Wohnbebauung aufgenommen bei Sonnenuntergang Flughöhe 290 m ü. Grund Maßstab 1 : 7000 Geometrische Auflösung 0,75 m Temperaturauflösung 0,20° C Münster/Westf. -Thermogram of a miscellaneously built up area: town area - recreation area and sporting grounds - lightly built up residential area recorded at sunset flight altitude 900 ft scale 1 : 7000 target resolution 2.5 ft thermal resolution 0.20° C Fig. 5 Thermogramm einer Agrarlandschaft bei Münster/Westf., aufgenommen bei Sonnenuntergang Flughöhe 290 m ü. Grund Maßstab 1 : 7000 geometr. Auflösung 0,75 m Temperaturauflösung 0,20° C Thermogram of an agricultural area near Münster/Westf., recorded at sunset flight altitude 900 ft scale 1 : 7000 target resolution 2.5 ft thermal resolution 0.20° C Scanner-Befliegung durchgeführt von der Arbeitsgemeinschaft PRAKLA-SEISMOS/HANSALUFTBILD, betr. Fig. 3 und Titelbild, Auftraggeber: Siedlungsverband Ruhrkohlenbezirk (SVR), Essen Freigabe der Aufnahmen durch Reg. Präs. Münster, Nr. 402/73 Scanner survey executed by the joint venture PRAKLA-SEISMOS / HANSA LUFTBILD, concerning Fig. 3 and front cover in contract with Siedlungsverband Ruhrkolenbezirk (SVR) I Essen Recordings released by Reg. Präs. Münster, nr. 402/73 PRAKLA-SEISMOS is using the scanner system OS 1230, which is manufactured by the US company DAEDALUS ENTERPRISES. It is equipped with two infrared detectors, sensitive to the wave length ranges of atmospheric transparency, the "atmospheric windows" 3-5 µm and 8-13 µm. The (video) data are recorded on analog magnetic tape. The radiation of two controlled blackbodies is recorded as temperature reference source during each rotation of the scanning mirror.

Quantitative Abspielungen Quantitativausmeßbar wird eine Abspielung durch Hinzufügen eines geeichten Graukeils, so daß mit Hilfe eines Densitometers Temperaturmessungen im Bild vorgenommen werden können. Dieses Verfahren ist jedoch sehr mühsam und nur für kleinere Meßgebiete tauglich. Eine Alternative ist die Äquidensitendarstellung (Flächen gleicher Grauwerte). In einem Analogrechner werden die Videosignale nach ihrer Intensität klassifiziert. Die mitregistrierten Referenzstrahler ermöglichen die Bildung von Temperaturklassen, denen man in einem speziellen Abspielgerät jeweils einen Grauwert oder eine Farbe zuordnet. Auf der Titelseite dieses Heftes ist ein Ausschnitt aus einer Farbäquidensiten-Abspielung wiedergegeben. Die Erfahrung hat gezeigt, daß ein übersichtliches, leicht lesbares Bild nicht mehr als etwa acht Äquidensiten enthalten darf. Im Vergleich mit den kontinuierlichen Grauwerten der Feldabspielung gehen in der Äquidensitendarstellung natürlich viele Details verloren. Aus technischen Gründen ist hier nur die Wiedergabe von Schwarzweißbildern möglich, welche wir in Form von Feldabspielungen abgebildet haben. Figur 3 zeigt ein Beispiel für die Untersuchung der Wassertemperaturen des Rheins. Die Aufnahme fand während einer Winternacht statt, daher weisen die Wasserflächen wegen der höheren Wärmekapazität des Wassers allgemein höhere Temperaturen auf als das Land. Figur 4 und 5 zeigen Ausschnitte aus einer Tiefbefliegung (290 m) bei Münster/Westf. um die Zeit des Sonnenuntergangs. Sehr deutlich hebt sich die städtische Bebauung mit ihren höheren Temperaturen ab. Rieselfelder (Fig. 5, oben) sind wegen ihrer hohen Feuchtigkeit abends wärmer als das übrige Ackerland. Es ist von großem Interesse, die prozessierten Meßdaten automatisch zu interpretieren und in thematischen Karten darzustellen bzw. sie in Listen oder Diagrammform auszugeben. Dazu sind numerische Filterungen und die weitgehende Entzerrung der Meßdaten erforderlich. Zur Zeit ist es üblich, den Scanner starr ins Flugzeug einzubauen. Schwankungen der Flugzeuglängsachse und ein durch Querwind verursachter Driftwinkel führen jedoch zu Verzerrungen in den Aufnahmen wie man sich anhand der Figur 2 klarmachen kann. Diese Verzerrungen rechnerisch zu eliminieren, würde einen viel zu hohen Aufwand bedeuten. In Zukunft soll daher die Montage des Scanners auf einer kreiselstabilisierten Plattform erfolgen wie sie bei PRAKLA-SEISMOS seit vielen Jahren als Träger für Navigationsgeräte im Einsatz ist. Das System Daedalus ist bisher allein auf Registrierung und Verarbeitung der Daten in analoger Form ausgerichtet. Der analogen Datenverarbeitung sind Grenzen gesetzt, die nur die Digitaltechnik überwinden kann. Da es jedoch nicht immer erforderlich sein wird, die wesentlich kostspieligere digitale Datenverarbeitung einzusetzen, werden von PRAKLA-SEISMOS beide Techniken angeboten (Fig. 6). Fig. 6: Datenfluß einer Scannerbefliegung Data processing flow chart of a scanner survey Alternativ zum Analog-Processing können von ausgewählten Befliegungsabschnitten Digitalmagnetbänder hergestellt werden. Ihre Verarbeitung wird im Kleinrechner pdp 11/45 erfolgen. Als Wiedergabegerät dient dann der PRAKLA-SEISMOS-Universalplotter KPU, über den schon im PRAKLA-SEISMOS-Report 2/73 berichtet wurde.			Display of the Scanner Data The display of scanner data is, depending on the aim, possible in different ways. The processing is just the reverse of the acquisition procedure. The scanner is replaced by a cathode ray tube (CRT). The horizontal deflection of the CRT-beam in the X-direction corresponds to the rotation of the scanning mirror, the intensity of the beam is controlled by the video signals as stored on magnetic tape. Simultaneously a film passes the CRT in Y-direction. 2.5 or 5 inch film is exposed, a higher temperature corresponding to a darker grey shade. Field Processing Field Processing immediately follows a survey flight. A comparatively simple equipment is used, wh ich does not take into account the reference blackbody radiation. The outcome of such non-quantitative processing with continuous grey tone is shown in figures 3-5. The density of the objects increases with temperature. Even tiny temperature changes of 0,20 C cause changes in the grey level. As the simple processing unit does not permit the display of a calibration wedge, it is impossible to interpret the field processing films quantitatively. They are used chiefly for checking the correct operation of the scanner system and as a first result of the survey. Quantitative Processing Quantitative processing includes the display of a calibration wedge ; temperature is measured from the imagery by means of a densitometer. This technique is, however, very laborious and only suitable for smaller survey areas. An alternative is the presentation of equidensities (areas of equal grey level). An analog computer classifies the video data by signal level slicing. By incorporating the blackbody radiation recorded, temperature classes are produced which are assigned grey levels or are colorcoded by a special processor. The front cover of this Report-issue shows part of a color-coded display. Experience has shown that not more than about 8 grey levels or colors should be used to obtain a clear and easily readable picture. As compared to the continuous grey shades of the fjeld processing display, the equidensity presentation loses many details of the object. Due to technical reasons only black and white images can here be reproduced, presented as field processing results. Fig. 3 shows an example from an investigation of temperature distribution in the river Rhine. The survey was carried out at night-time in winter, so that the water shows up -because of its higher thermal capacity -higher temperatures than the land. Fig. 4 and 5 show parts of a low altitude survey (900 ft) near Münster/Westf. at sunset. The urban area is elearly recognisable due to its higher temperatures. Sewage treatment fields (Iower half in Fig. 5) are warmer in the evening than the surrounding fields because of their greater moisture content. It is of great interest to interprete the processed scanner data automatically and, either, to draw thematic maps or to present the data numerically or in the form of a diagram. For that purpose numerical filtering and extensive rectification of the scanner data is required. Conventional scanners are fixed-mounted in the aircraft. Oscillations of the longitudinal axis of the aircraft and drifting, due to cross-winds, lead to distortions in the recording of the data as is apparent upon perusal of Fig. 2. To eliminate these distortions numerically wouldn't be worth the effort. The scanner will in future, therefore, be mounted on a gyro-stabilized platform, which has been employed by PRAKLA-SEISMOS for many years to support navigation instruments. The DAEDALUS System is so far only set up to record and process data in analog form. There is, however, a elose limit to analog processing techniques, which are surmountable only by digital computer techniques. As it will not be required to utilize the more expensive digital processing in every case, PRAKLA-SEISMOS ofters both methods (Fig. 6). Alternatively to analog processing, digital magnetic tapes can be produced for certain survey areas. For processing the small computer pdp 11/45 will be used. The PRAKLA-SEISMOS digital RASTER plotter KPU is employed for data presentation which has already been described in the PRAKLA-SEISMOS-Report 2/73.