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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
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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:
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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 ...