POLAR 5 mit Spezialkamera: Derzeit ist ein MACS-Kamerasystem (Modular Aerial Camera System) des Deutschen Zentrums für Luft– und Raumfahrt (DLR) am Polarforschungsflugzeug POLAR 5 des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung (AWI) montiert.
Die Einsatzbedingungen sind ungewöhnlich und das Beförderungsfahrzeug nicht alltäglich. Die Kombination soll die Region um das kanadische Inuvik aufnehmen. Mit der Messkampagne, die vom AWI durchgeführt wird, sollen die Klimaprozesse in der Arktis untersucht und besser verstanden werden. Die Ingenieure und Wissenschaftler des DLR testen mit dem Einsatz nördlich des Polarkreises die eigens entwickelte und gebaute MACS-Polar Luftbildkamera. „Wir freuen uns, dieses Kamerasystem nun auch erstmals für die Fernerkundung in der Arktis einsetzen zu können“, erläutert Projektleiter Jörg Brauchle vom DLR-Institut für Optische Sensorsysteme.
Um die Auswirkungen der Klimaerwärmung besser zu verstehen, werden die Veränderungen des Permafrostbodens gemessen, denn große Mengen des klimarelevanten Gases Methan sind darin gebunden und werden zunehmend freigesetzt. Auf dieser Feldkampagne messen Wissenschaftler der drei Helmholtz-Einrichtungen Geoforschungszentrum Potsdam (GFZ), AWI und DLR mit unterschiedlichsten Sensoren. Die Kamera des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme steuert dabei hochaufgelöste Aufnahmen im sichtbaren sowie im nahen Infrarot-Bereich bei.
Höhenmodelle und Klassifikationen
Auch die Küstenerosion, die durch das Auftauen des Permafrostbodens voranschreitet, soll mit dem Luftbildkamerasystem aufgezeichnet werden. Bisher wurde dies ausschließlich mit einem laserbasierten System durchgeführt. Bei einem Überflug in einem Kilometer Höhe erfasst dieses LIDAR (light detection and ranging) zwei bis vier Messpunkte pro Quadratmeter. „Ein Kamerasystem wie MACS hingegen bildet aus derselben Flughöhe 120 Punkte pro Quadratmeter ab“, erläutert Jörg Brauchle. Mit dieser Auflösung können insbesondere 3D-Strukturen deutlich detaillierter abgebildet und somit die Veränderung der Oberfläche sehr viel genauer bestimmt werden.
Auch die automatische Trennung von Wasserflächen und Tundra-Boden ist mit optischen Sensoren einfacher zu treffen. „Die verschiedenen Vegetationsbedeckungen und die Wasserflächen lassen sich auf unseren Aufnahmen gut unterscheiden“, erläutert Matthias Geßner, Wissenschaftler am DLR-Institut für Optische Sensorsysteme. Neben der Klassifikation der Vegetation und dem dreidimensionalen Höhenmodell bieten die Aufnahmen der MACS-Kamera zudem auch die Möglichkeit, dass die Daten anderer Instrumente mit denen der Kamera verglichen und validiert werden können.
Messungen aus dem All, aus der Luft und am Boden
In einer weiteren Untersuchung werden Flugzeug- und Bodenmessungen durchgeführt sowie gleichzeitig Satellitendaten aufgenommen. Ziel der Wissenschaftler des AWI, der Universität Würzburg und der Carleton University (Kanada) ist es dabei, Zusammenhänge zwischen den mit Hilfe von Satellitendaten wahrnehmbaren Veränderungen der Oberfläche – beispielsweise in der Vegetationszusammensetzung – mit den Änderungen der oberen Bodenschicht – wie zum Beispiel die Tiefe der sommerlichen Auftauschicht – in Verbindung zu bringen. Da es sich dabei um weitläufige Regionen mit einer geringen Bevölkerungsdichte handelt, spielt die Nutzung von Fernerkundungsdaten für das Umweltmonitoring eine wichtige Rolle.
Katastrophenfall und Mt. Everest-Kartierung
Eingesetzt wurden die Luftbildkamerasysteme des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme bereits bei den unterschiedlichsten Missionen, für Aufgaben der Sicherheit bis zur Fernerkundung: So wurden 2015 gemeinsam mit dem Zentrum für satellitengestützte Kriseninformation (ZKI) MACS-Daten genutzt, um Einsatzkräfte nach dem schweren Erdbeben in Kathmandu zu unterstützen. Auch bei der 3D-Kartierung anspruchsvoller Gebiete und beim Monitoring von maritimen Einsatzlagen in Echtzeit konnten MACS-Kameras an Jets, Hubschraubern und Segelflugzeugen erfolgreich eingesetzt werden.
Selbst in mehr als 9.000 Metern Höhe flog eine MACS-Kamera bereits über die Erdoberfläche und lieferte 2014 Daten für die hochaufgelöste Kartierung des Mount Everest und des angrenzenden Khumbu-Gletschers. Bewährt sich die MACS-Kamera nun auch bei den Überflügen über Kanada, ist ein erneuter Einsatz im kommenden Jahr bei Messkampagnen über Grönland oder Spitzbergen angedacht. Dann würde die Kamera der DLR-Wissenschaftler nicht auf Tundra und Tümpel blicken, sondern vielmehr schneebedeckte Oberflächen und Gletscher erfassen und kartieren.
Polar 5 Auf den Fotos
Ausgerüstet für Polarflüge: Das Polarforschungsflugzeug POLAR 5 des Alfred-Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung (AWI) ist für Flüge unter den extremen Umweltbedingungen der Polargebiete speziell ausgerüstet. Auf Beton-, Schotter- und Schneepisten kann der Flieger mithilfe eines kombinierten Ski- und Radfahrwerks starten und landen. Enteisungssysteme, Heizmatten für Batterien und Triebwerke sowie erweiterte Navigationssysteme erlauben Kampagnen bei sehr schwierigen Wetterbedingungen und Temperaturen von bis zu -54 Grad Celsius. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) hatte im August 2018 ein MACS-Kamerasystem (Modular Aerial Camera System) zur optischen Fernerkundung an Bord installiert.
Vorbereitungen für die Messungen: Die Ingenieure des DLR testeten die eigens entwickelte und gebaute MACS-Polar-Luftbildkamera mit einem Einsatz nördlich des Polarkreises. Erstmals führten sie dabei aus der Luft optische Fernerkundung in der Arktis durch. Um die Auswirkungen der Klimaerwärmung besser zu verstehen, wurden die Veränderungen des Permafrostbodens gemessen, denn große Mengen des klimarelevanten Gases Methan sind darin gebunden und werden zunehmend freigesetzt. Die Kamera des DLR-Instituts für Optische Sensorsysteme steuerte dabei hoch aufgelöste Aufnahmen im sichtbaren sowie im nahen Infrarot-Bereich bei.
Farbaufnahme der MACS-Kamera: Die Aufnahme wurde während eines Fluges nähe Inuvik im Nordwesten Kanadas erstellt. Sie hat eine Auflösung von unter zehn Zentimetern.
Nahinfrarot-Bild der MACS-Kamera: Die Aufnahme wurde während eines Fluges nähe Inuvik im Nordwesten Kanadas erstellt. Sie zeigt dasselbe Motiv wie die vorherige Farbaufnahme und hat eine Auflösung von 15 Zentimetern.
