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DLR

Zentrumskolloquium Oberpfaffenhofen27. September 2004

Die Mission MOS-IRS

- 8 erfolgreiche Jahre für die Ozeanfernerkundung -

Oder: Die Geschichte eines verwirklichten Traums

Dr. Andreas Neumann

Institut für Methodik der Fernerkundung

Abteilung Gewässerfernerkundung

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DLRAnfang und Rückblick

• Ende der 1980er Entwicklung eines abbildenden Spektrometers MOS-PRIRODA für den Einsatz auf der MIR-Station im Rahmen des Interkosmos-Programms

• gleichzeitig lief eine gemeinsame Studie von DLR und ISRO für einen Ozean-Atmosphären-Forschungssatelliten (OASIS)

• vor diesem Hintergrund 1992 Anfrage von ISRO zur Beistellung eines Ocean-Colour-Instrumentes für gemeinsamen Experimentalsatelliten

• 1993 offizieller Beginn der Arbeiten am DLR zur Entwicklung von MOS-IRS

• Start von IRS-P3 am 21. März 1996, geplante Lebensdauer ca. 2 Jahre

• Beginn der Arbeit im Orbit am 23. März 1996

8 Jahre, 2 Monate und 10 Tage aktive Missionsdauer!

• offizielle Beendigung der Mission zum 31. Mai 2004

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DLRAnfang und Rückblick

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DLRAnfang und Rückblick

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DLRZielstellung der Mission

• Bestandteil des Kooperationsabkommens D-I im Bereich Raumfahrt

• gemeinsame Experimentalmission zur Demonstration neuer Technologien

• Experiment und Datenquelle zur Vorbereitung von MERIS auf ENVISAT (ESA) und OceanSat-1 (ISRO)

• zielgerichtetes Wissenschaftsprogramm:

4 Demonstration neuer Auswerteverfahren für Superspektraldaten für Land-und Gewässeranwendungen aus dem Erdorbit

4 Demonstration der Nutzbarkeit der O2A-Bande zur Ableitung von Aerosol-Höheninformation und Wolkenparametern

4 Demonstration der Ableitung von atmosphärischem Wasserdampfgehalt

4 deutsches MERIS-Precursor-Programm

• wesentlich für DLR: Aufbau eines Netzwerkes von Bodenstationen und offene Datenpolitik für wissenschaftliche Nutzung

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DLRWarum ein abbildendes Spektrometer?

Vermessung der Wasserfarbe

⇒ Quantifizierung der Stoffe im Wasser:

• Chlorophyll als Maß für Phytoplankton• suspendiertes anorganisches Material• gelöste organische Substanzen

⇒ als Grundlage zur Beurteilung derWasserqualität und Rolle im CO2-Kreislauf

Quelle: Süddeutsche Zeitung, Magazin Nr. 27, 7.7.2000, Fotos: Peter Schanz

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DLR

Prinzip des abbildenden Spektrometers

• Eingangsoptik (bei Scanner mit Scanspiegel)

Im a g e r

G ra t in g

C o l l im a to r

F ie ld S to p

O b je c t iv eF O V

IF O V

λ...λ

1

n

F o c a lp la n e - C C D -A r ra y s

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F o c a lp la n e - C C D -A r ra y s

Beispiel: abbildendes Spektrometer

• Eintrittsspalt

• Kollimator

• Polychromator (Gitter, Prisma)

• Abbildungsoptik

• Fokalebene (Zeilen- oder Flächendetektoren)

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DLRAbbildendes Spektrometer MOS - Optikblock

1 quartz plate2 quarter wave plate3 objective "Tevidon" 1,4/254 shutter5 glass prism6 filter glass FB 1207 mini lamp8 entrance slit 0,041mm x 6.140 mm9 adjustment mirror

10 collimator "Pancolar" 1,8/8011 grating 325 l/mm12 imager "Pancolar" 2,8/12013 filter glass RG 514 focal plane assembly15 peltier cooler

1 2 3

4 5 6 7 8

9 10

13

14

15

12

11

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DLRIn-Orbit Kalibrierung

• Die radiometrische und spektrometrische Kalibrierung sind essentielle Voraussetzung für die Nutzung der Daten in quantitativen Auswerteverfahren:

4 Überwachung von Alterungsprozessen und Kontamination der optischen Baugruppen

4 Überwachung der Parameter der elektronischen Signalverarbeitung

• zwei Kalibrationsverfahren wurden bei MOS realisiert

4 „interne“ Kontrolle mittels Lampen zur Prüfung von Empfindlichkeit und Dynamikbereich bei jeder Einschaltung (= 1 mal pro Orbit)

4 Absolutkalibration durch Messung der extraterrestrischen Sonnenstrahlung über eine Streuscheibe etwa 1 mal pro Monat, liefert ebenso die „Normierung“ auf die Bestrahlungsquelle

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DLRIn-Orbit Kalibrierung

EntranceOptics

CollimatorOptics

Grating

EntranceSlit

Focal Plane

ImagerCal.

Lamp

Cal.Lamp

λ1 λ

4

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DLRIn-Orbit Kalibrierung - Interne Kontrolle

Kanal 6Kanal 10

1 , 0 0

1 , 0 1

1 , 0 2

1 , 0 3

1 , 0 4

1 , 0 5

1 , 0 6

1 , 0 7

1 , 0 8

1 . 1 . 9 6 3 1 . 1 2 .9 6 3 1 . 1 2 . 9 7 3 1 . 1 2 . 9 8 3 1 .1 2 . 9 9 3 0 .1 2 . 0 0

M O S - IR S - B ; i n t e r n a l c a l i b r a t i o n ; a c t u a l / r e f e r e n c e d a t a ; a v e r a g e d o v e r a l l p i x e l s o f a c h a n n e l ; l a m p 1 ; l e v e l 4

d a t e

B 2

B 1 0

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DLRIn-Orbit Kalibrierung zur Sonne (I)

objective

diffuser

nadirdirection

tube withbaffles

fixedhousing

rotatingdrum

Nadir Position

sundirection

Sun Calibration Position

Dark Position

MOS-IRSSonnenkalibrier-einheit

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DLRIn-Orbit Kalibrierung zur Sonne (II)

Sonnenmessung währenddes Terminatorüberflugsam Nordpol

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DLRIn-Orbit Kalibrierung zur Sonne (III)

sun

nadirsun

sun

S1 S2 S3 S4 S5

Illumination of the sun diffuser during terminator overfly

-

variation of incident angle on the diffuser plate-resulting irradiance and sensor response(2)

(1)

sun

sun

(1)

(2)

nadir

nadir

nadir

nadir

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DLRIn-Orbit Kalibrierung zur Sonne (IV)

IRS-P3 MOS-B: Sun calibration, relative variations with time (mean of unsaturated pixels, sun incidence angle 40°, distance sun-earth not taken into account), ref. to 16.5.96 (day137)

0,90

0,92

0,94

0,96

0,98

1,00

1,02

1,04

1,06

1,08

1,10

1,12

1,14

1,16

1,18

1,20

1.1 31.12 31.12 31.12 31.12 30.121996

ratio

B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12B13E0 Sun

channel

1997 1998 1999 2000 Abb. 9

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DLRMOS-IRS und IRS-P3

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DLRWie wird die Erdoberfläche aufgenommen?

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DLRDie Empfangsstationen für MOS-IRS

DLR-DFD

ISRO-NRSA

ESA-ESRINNASA-GSFC

• Zentralarchiv aller MOS-Daten am DFD

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DLRWarum interessieren uns die Ozeane?

SeaWiFS Data: NASA SIMBIOS Project

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DLRWarum interessieren uns die Ozeane?

• Mit 70% der Erdoberfläche sind die Ozeane das größte Ökosystem, hochdynamisch und von globaler Bedeutung

• Wichtiger Faktor für das Klima als Temperaturspeicher und über den Wasserkreislauf

• Kohlenstoffumsatz der Weltozeane etwa gleich groß wie der aller Regenwälder

• Entscheidende Bedeutung für den Menschen (Nahrungsmittel, Transport, Erholung, Rohstoffe, Energie, ...)

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DLRMOS-IRS Ergebnisse - Beispiele

• Was „sehen“ wir vom Erdorbit beim Blick auf das Wasser?

4 Streuung des Lichtes in der Atmosphäre (Luftmoleküle, Aerosole)

4 Chlorophyll und andere Farbstoffe im Phytoplankton (Streuung und Absorption)

4 Variation der Wasserfarbe auf Grund von Absorption und Streuung des Lichtes durch das Wasser selbst und die Inhaltsstoffe:

4 Suspendiertes anorganisches Material, „Sediment“ (Streuung)

4 Gelöste organische Substanzen, Gelbstoff (Absorption)

4 Die Effekte wirken in unterschiedlichen Spektralbereichen („Farben“) und lassen sich daher mit ensprechenden Auswerteverfahren separieren

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DLRMOS-IRS Beispiele - Straße von Gibraltar

⇒ Trennung der Signalanteile aus der Atmosphäre und dem Wasserkörper

MERIS „Precursor-Produkt“

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DLRMOS-IRS Beispiele - Schwarzmeer

⇒ Trennung verschiedener Wasserinhaltsstoffe

µg/l b (550 nm) /mS-1

300 15Colour CompositeChlorophyll Sediments

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DLRMOS-IRS Beispiele - Deutsche Bucht

⇒ höhere spektrale Auflösung verbessert Ergebnisse im Vergleich mit SeaWiFS

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DLRMOS-IRS Beispiele - Mobile Bay/Golf v. Mexico

0.10 0.10 0.30 1.00 0.30 1.00 3.25 3.25 10.0 10.0

Stu mpf Chlorophyll - a Stu mpf Chlorophyll - a (mg/m (mg/m33))

0 .05 0.20 0 .80 3.00 10.00.05 0.20 0.80 3.00 10.0

Arnone backscattering (mAr none backsca ttering (m- 1-1))

MOS-IRS SeaWiFS

Data processing by Naval ResearchLab., Stennis Flight Centre

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DLRMOS-IRS Beispiele - Blaualgenblüte in der Ostsee

Blaualgen in derOstsee

Farbkomposit SeaWiFS, 27. Juli 2001 Schwebstoff MOS, 26. Juli 2001

low high

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DLR

Blaualgen in derOstsee

Aufnahmen vonMOS (links) undMODIS (rechts)am 17. Juli 2002

abgeleitete Schwebstoff-Konzentation

50 bs(550)nm

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DLRMOS-IRS Beispiele - operationelles Chl-Produkt Ostssee

MERIS „Precursor-Produkt“

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DLRMOS-IRS Beispiele - Schwebstofftransport

Vergleich des Modells mitSchwebstoff abgeleitet aus MOS

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DLR

Multitemporale Landnutzungsklassifikation

für Deutschland

MERIS „Precursor-Produkt“

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DLRMOS-IRS Beispiele - Saharastaub über den Kanaren

True Colour Composit MOS-C Aerosoloptical Thickness

low high

Fuerteventura

Lanzarote

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DLR

MOS-IRS Beispiele - Aerosolparameter bei Waldbränden in Malaysia

SeaWifs Colour Composite

MOS-Swath

low high large smallAerosolcontent

Particle size

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DLRMOS-IRS Beispiele - Aerosolparameter

MERIS „Precursor-Produkt“

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DLR

Atmosphärischer Wasserdampfgehalt über Ostdeutschland

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DLRMOS-IRS Beispiele - Wasserdampfgehalt

MERIS „Precursor-Produkt“

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DLRMOS-IRS Beispiele - Wolkenobergrenzen

MERIS „Precursor-Produkt“

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DLRDie Mission und ihre Ergebnisse

• Technologische Demonstration:

4 Erstes abbildendes Spektrometer im Erdorbit

4 nach 10 Jahren Pause erstmals wieder Daten zum biologischen und ökologischen Zustand der Ozeane

4 Demonstration einer neuen Generation von Kleinsatellitenbus mit flexiblem Missionszenario(Erdbeobachtung und Röntgenastronomie, Pointing-Operationen des Satelliten)

4 Demonstration neuer Techniken der in-Orbit Kalibration(intern, Sonne, Mond)

4 erfolgreicher Betrieb eines internationalen Netzwerkes von Bodenstationen (DLR-ISRO-ESA-NASA)

4 Langzeitrekord für ein deutsches Instrument im Erdorbit

4 MOS-IRS diente als in-Orbit-Referenz zur Interkalibrationvon 5 weiteren Ocean-Colour-Missionen

4 erstmals spektral hochauflösende Satellitendaten zur Entwicklung neuer Verfahren für optisch komplexe Gewässer

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DLRDie Mission und ihre Ergebnisse

• Erfolgreiches Konzept einer gezielten Mission für Küstengewässer mit angepaßtem Instrument und Auswertealgorithmen

• Demonstration neuer Auswerteverfahren für Superspektraldaten für Land- und Gewässeranwendungen aus dem Erdorbit

• Demonstration der Nutzbarkeit der O2A-Bande zur Ableitung von Aerosol-Höheninformation und Wolkenparametern

• Demonstration der Ableitung von atmosphärischem Wasserdampfgehalt

• Demonstration der Synergie mit SAR-Daten zur Modellentwicklung für Stofftransportprozesse

• >100 Nutzer in Europa, Indien und USA

• erweiterte Möglichkeiten des Vorbereitungsprogramms für MERIS in D und bei ESA

• wichtige Beiträge zum internationalen SIMBIOS-Programm der NASA

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DLRDie Mission und ihre Ergebnisse

• In Zahlen:

4 insgesamt rund 40.000 Orbits

4 mehr als 12.000 aktive Pässe über den Empfangsstationen

4 rund 350.000 Szenen über Europa, Indien, Nordatlantik/Nordafrika sowie den westlichen USA/Kanada

4 rund 5000 Eichzyklen (intern)

4 100 Sonnenmessungen

4 10 Mondmessungen

4 Insgesamt rund 3000 Gbyte Daten (entspricht ca. 500 Video-DVDs)

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DLRDie Mission und ihre Ergebnisse

Die wissenschaftlich-methodischen Ergebnisse finden ihre Fortsetzung mit MERIS:

0.01

1.00

0.10

10.0

60.0

C in µg/l

Monatsmittel Chlorophyll für die Ostsee

Mai 2004

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DLR

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Unter Verwendung von Beiträgen der Kollegendes MOS-Teams:

OS: H. Schwarzer, K.-H. SümnichMF: G. Zimmermann, H. Krawczyk, T. Walzel,

B. Gerasch, B. Pflug, H. Witt, B. Piesik

Sowie von:K. Günther, B. Fichtelmann, E. Borg, S. Meier (DFD)W. Rosenthal, J. Horstmann (GKSS)J. Fischer, R. Preusker (FU Berlin)R. Arnone (Stennis Space Flight Centre)

Dank an die vielen Ingeneure und Techniker, diedas Instrument MOS-IRS Wirklichkeit werdenließen und wichtige Freunde, durch derenUnterstützung es überhaupt möglich wurde.

Hervorragenden Dank an die Kollegen der ISRO ...