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Algenblüte im Trinkwasser

Algenblüten sind eine Bedrohung für die Gesundheit aller, die sich im betroffenen Gebiet aufhalten. In Süßwasserreservoirs gefährden Sie die Trinkwasserversorgung, aber auch den Tourismus und die Fischerei. Ausgelöst werden sie sie zum einen von landwirtschaftlichen Praktiken, andererseits werden sie von den Folgen des Klimawandels noch verstärkt.

Spezielle Satellitenbilder, sogenannte Hyperspektraldaten, können dabei helfen, verschiedene Algenarten zu identifizieren und zu quantifizieren. In diesem Lernmaterial wird am Beispiel der Rekord-Algenblüte im Eriesee in 2011 dargestellt, wie Algenblüten mit den Hyperspektraldaten des ISS-Sensors HICO untersucht werden. Die Schüler*innen lernen sowohl, die Hyperspektraldaten zu interpretieren, als auch auf deren Basis Maßnahmen für den kurz- und den längerfristigen Schutz der Bevölkerung und Umwelt zu ermitteln.

Die Algenblüte-App ist Teil der Columbus-Eye-App. Erhältlich kostenlos bei Google Play (Part “Algenblüte”)

Ziele: Die Schüler*innen lernen…

• Hyperspektrale Bilder zu beschreiben, zu analysieren und zu interpretieren,
• spektrale Signaturen und Indizes zur Identifikation von Schwebstoffen zu nutzen,
• natürliche und anthropogene Veränderungen von Ökosystemen zu unterscheiden,
• Ökosystem-Veränderungen im Klimawandel zu diskutieren

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Vulkane unterm Radar

Mit dem Radar-Satelliten Sentinel-1 werden aktive Vulkane beobachtet.

Rund um den Erdball gibt es zahlreiche aktive Vulkane, an deren Hängen – oder sogar in deren Kratern – Menschen siedeln. Um Frühwarnprogramme zu verbessern, müssen diese Vulkane ständig beobachtet werden. Neben verschiedensten
Bodenmessungen kommen dabei auch Satelliten zum Einsatz, zum Beispiel Sentinel-1.
Mit seinem Radar-Sensor kann Sentinel-1 nicht nur durch die Wolken blicken, sondern auch kleinste Veränderungen des Bodens aufspüren. So können Bewegungen der aktiven Vulkane, die auf baldige Ausbrüche hindeuten, beobachtet werden. Die Campi Flegrei, oder Phlegräischen Felder, bei Neapel sind noch immer aktiv. Neueste Forschung zeigt, dass sie sich eine Magmakammer mit dem Vesuv teilen – und, dass sich in ihrer Mitte der Boden hebt. Das Arbeitsblatt vermittelt mit der anschaulichen Augmented-Reality-App, wie Sentinel-1-Radar-Daten benutzt werden, um diese Hebung zu verfolgen, und diskutieren die Abwägungen der Bewohner dieser möglicherweise hochexplosiven Region am Beispiel der Geothermie.

Die “Vulkane unterm Radar”-App ist Teil der ColumbusEye-App

App “Columbus Eye” kostenlos im Google Play Store

Ziele:

Die Schüler*innen sollen…
• die Entstehung eines Vulkans beschreiben und verschiedene Vulkantypen darstellen,
• die Funktionsweise von Radarfernerkundung als Wissenschaft einordnen und anwenden,
• Interferometrie-Abbildungen erklären und analysieren,
• Geothermie als erneuerbare Energiequelle erörtern und in einer Diskussion beurteilen.

Bearbeitungszeit: 2-4 Stunden (Modulauswahl) Themen: Geländemodelle, Geothermie, Naturgefahren, Radar, Radar Niveau: fortgeschritten

Autoren: Claudia Lindner, Frederike Krahn

 
 
 
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Die spektrale Aulösung

Spektrale Satellitensensoren sehen die Erde grau. Dies liegt daran, dass sie jeden Wellenlängenbereichen getrennt voneinander in so genannten Spektralkanälen aufnehmen. Die spektrale Auflösung, also die Anzahl der Spektralkanäle, ist eine wichtige Eigenschaft von Satellitensensoren. Doch welche spektrale Auflösung sollte ein Sensor haben und warum können nicht alle Bereiche des elektromagnetischen Spektrums gemessen werden?

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Die räumliche Auflösung

Wie genau wir unsere Umwelt mit Hilfe von Satelliten beobachten können, hängt maßgeblich von verschiedenen Eigenschaften ihrer Sensoren ab, denn diese entscheiden darüber, wie detailliert Informationen über die Erdoberfläche aufgezeichnet werden. Aber warum verwendet die Fernerkundung nicht einfach nur Sensoren mit einer hohen Auflösung, um uns eine detailgenaue Abbildung der Erdoberfläche zu ermöglichen?

Die räumliche Auflösung

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Die Welt in Infrarot

Den meisten Menschen ist Infrarot aus dem Alltag ein Begriff. Wärmebildkameras, Infrarotlampen, aber auch Fernbedingungen oder die Körperscanner am Flughafen verwenden Infrarot. Wir Menschen können Infrarot nicht sehen, nehmen es aber teilweise als Wärme wahr. Also was genau ist Infrarot und wie wird es in der Erdbeobachtung eingesetzt?

Die Welt in infrarot

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Erdbobachtung von der ISS

Ganze 400 km von unserer Erde entfernt, befindet sich die Internationale Raumstation, die ISS. Binnen 92 min umkreist die fußballfeldgroße Station unseren Planeten und ist seit dem Jahr 2000 ständig bewohnt. Sie bietet ein einzigartiges Potential für die Forschung in verschiedensten naturwissenschaftlichen Gebieten – und auch für die Erdbeobachtung! Werfen wir also einen kurzen Blick auf einige wichtige Sensorsysteme, die sich auf der ISS befinden und mit ihren Missionen die Beobachtung und die Erforschung unseres Planeten vorantreiben.

Erdbeobachtung von der ISS

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Das Video mit Quizfragen
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Satellitensysteme

Diese App ist eine interaktive Einführung in die spannende Welt der Satelliten: Mikrowellen im Weltraum? Ein Tandem umkreist die Erde? Pflanzen werden hyperspektral beobachtet? Die Internationale Raumstation ISS ist auch noch der größte Erdbeobachtungssatellit im Weltraum?
Die App behandelt eine ganze Reihe sehr unterschiedlicher Satelliten und ihre Einsatzmöglichkeiten. Sie reichen von der Wetterbeobachtung bis hin zum Katastrophenschutz. Jeder hat hier die Möglichkeit, selbst die Erde zu umkreisen und auf seinem Flug die Satelliten zu beobachten, die die Erde ins Visier nehmen. Während sich unter Namen Terra-SAR-X, RapidEye oder den Sentinels nicht jeder sofort etwas vorstellen kann, wird einem anhand von Hurrikanen und Ölteppichen schnell klar, wozu Satellitenaugen gut sein können!
In der App umkreisen die Satelliten die Erde in 3D, aber ihre Bahnen lassen sich auch auf der Weltkarte verfolgen. Beim Antippen der Satelliten oder der Untersuchungsgebiete werden zusätzliche Informationen gezeigt.
Die App ist nicht in ein Arbeitsblatt integriert und benötigt lediglich einen Ausdruck des Markers im Download. Sie kann als Ergänzung zu den anderen Arbeitsblättern verwendet werden, um sich näher über die Satelliten zu informieren, als Einstieg in die Erdbeobachtung im Allgemeinen, oder auch als 3D-/2D-Visualisierung von Orbitalmechaniken von Satelliten.

Die App kostenlos im Google Play Store

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10-13 AR-Apps Fach Informatik Material

Bildverarbeitung

Bilder lassen sich im RGB-Farbraum leicht manipulieren, in dem Helligkeit, Sättigung und Kontrast geändert werden. Bei Satellitenbildern geht dies sogar über RGB hinaus. In der App lässt sich ein Bild des Ätna, geschossen vom ISS-gebundenen DESIS-Sensor, nicht nur in seinem Aussehen verändern, sondern auch in seiner Kanalkombination – denn Satelliten sehen mehr!

Im Arbeitsblatt wird u.a. mit Pseudocode und Programmierung in Java die funktionale und objektorientierte Programmierung geübt, die Manipulation eines RGB-Bildes implementiert und im Kontext der Data Literary analysiert.

Die App kostenlos bei Google Play (Part “Bildverarbeitung”)

Die Schüler*innen…

  • beschreiben digitale Bilder im RGB-Farbraum,
  • implementieren Veränderungen in Bezug auf den Kontrast, die Sättigung und die Helligkeit erklären und dazugehörige Funktionen,
  • vertauschen Kanäle,
  • nehmen Bildverarbeitungen von Hyperspektralbildern in Form des NDVIs vor,
  • bewerten Daten im Rahmen von Data Literacy kritisch.

Jahrgangsstufe 10-13

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Landnutzungswandel

Wir Menschen verändern die Landoberfläche unserer Erde aktiv – und das, in einem viel größeren Maßstab und mit dramatischeren Folgen als jemals zuvor. Wozu führen die Veränderungen bei der Landnutzung? Und wie lassen sich diese global verfolgen und darstellen?
Satellitenaufnahmen ermöglichen uns die Veränderungen in der Landnutzung sehr genau zu dokumentieren. Sie machen das Erfassen der Landbedeckung möglich und liefern Informationen über die Landnutzung auf globaler Ebene. Sie ermöglichen uns Prozesse des Landnutzungswandels und die damit verbundenen Entwicklungen zu verstehen und zu begleiten.

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Landnutzungswandel
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Daten-
kompression

Auf der ISS befinden sich zahlreiche Bildsensoren, also Kameras, die die Erde auf verschiedene Arten aufnehmen. Diese Bilddaten müssen aber auch zur Erde gesendet, dort empfangen und gespeichert werden. Um Speicherplatz zu sparen, können die Bilddaten auf verschiedene Weisen komprimiert werden.

In diesem Arbeitsblatt, App und Programmieraufgabe geht es beispielhaft um die Kompressionsverfahren Farbreduktion, Redundanz-/Ähnlichkeitssuche, und Farbunterabtastung, die auf DESIS-Hyperspektralbilder angewendet werden. Somit werden verlustfreie und verlustbehaftete Bildkompression diskutiert und verglichen. Ein Beispiel wird als rekursiver Algorithmus in einer Python-Programmieraufgabe implementiert und mit seiner iterativen Alternative verglichen.

Die App kostenlos bei Google Play (Part “Datenkompression”)

Ziele: Die Schüler*innen…

  • beschreiben die Übertragung eines Satellitenbildes zur Erde,
  • erklären verschiedene Kompressionsverfahren,
  • beurteilen die Eignung der verschiedenen Kompressionsverfahren vor dem Hintergrund des Anwendungsbereichs und nehmen Stellung,
  • implementieren den Median-Cut als rekursive Möglichkeit zur Farbreduktion in Python,
  • und vergleichen ihn mit einem iterativen Verfahren.
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