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Orbitale Brandwache-
Waldbrände im Satellitenbild

Orbitale Brandwache – Waldbrände im Satellitenbild

Europa wird immer wieder von zahlreichen Katastrophen wie Dürren und Überschwemmungen heimgesucht. Diese Katastrophen stellen ein kombiniertes Risiko dar. Trockene Böden nehmen Wasser langsamer auf und bei starken Regenfällen kann das Wasser nicht in die Grundwasserspiegel fließen und könnte daher Überschwemmungen verursachen. Bei steigenden Temperaturen führen trockene Böden und Luft auch zu mehr Waldbränden. Durch die Verwendung von Daten des Satelliten Sentinel-2 auf der Dataspace Copernicus Browser Website können Risiken wie Waldbrände oder Überschwemmungen erkannt werden.

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Brandflächen kartieren

Nutze den Dataspace Copernicus Browser und kennzeichne einen großflächigen Brand in Griechenland bei Alexandropulis der am 23. August 2023 seinen Höhepunkt erreichte. Lokalisiere ihn und stelle die Brandfläche angemessen dar.

  • Schaue das Video und folge der Anleitung. (Anders als im Video beschrieben, kannst du den Browser direkt hier aufrufen. Klicke einfach auf “Karte einblenden” und du kannst loslegen!

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Anleitung zur Kartierung von Brandflächen im Copernicus Browser

Klicke einfach auf   um im Copernicus Browser die Satellitendaten zu suchen und zu bearbeiten. Mit einem Klick auf kommst du zurücck zu dieser Anleitung

Dataspace Copernicus Browser

Zoome zunächst auf Griechenland, unserem Untersuchungsraum für diese Übung. Zoome hinein, bis das orangene Feld verschwindet. Tust Du dies nicht, erscheint das Satellitenbild nicht. Lege nun das Datum für die Abfrage fest. Hinweis: Im Tweet des EU Civil Protection & Humanitarian Aid ist ein Datum angegeben. Klicke auf die Ebene „Benutzerdefiniert“. Unter dem ausgewählten Reiter Komposit, ziehe den Kreis B04 auf das rote Band „R“, B06 auf das grüne Band „G“ und B02 auf das blaue Band „B“. Nachdem das Komposit geladen ist, solltest du ein sogenanntes Falschfarben-Bild sehen, bei dem die Farben etwas unnatürlich aussehen. Mit dieser Kombination von verschiedenen Bändern des Satelliten heben sich verbrannte Flächen besser von der Umgebung ab.

Komposit-Kombination zur besseren Sichtbarkeit der verbrannten Fläche

Du kannst nun bereits sehr deutlich die verbrannte Fläche erkennen. Der Brand ist somit angemessen lokalisiert.

Da eine im Satellitenbild dargestellte Region räumlich schwer vorstellbar ist, wird im nächsten Schritt untersucht, wie groß die verbrannte Fläche ungefähr ist, um das Ausmaß des Brandes besser einschätzen zu können. Dafür wird die verbrannte Fläche angemessen dargestellt. In der oberen rechten Ecke befindet sich ein Button mit einem Fünfeck/Pentagon. Klicke darauf und anschließend auf das Stift-Symbol, um ein Polygon/eine Geometrie zu „zeichnen“. Sobald das Geometriewerkzeug ausgewählt ist, kannst du beginnen, das verbrannte Areal „abzuklicken“ und somit die Fläche zu bestimmen

Abklicken der verbrannten Fläche

Hast du zum Schluss auf die erste Markierung geklickt, ist die Geometrie fertig abgezeichnet. Es erscheint automatisch ein Label innerhalb des Werkzeuge-Reiters in der oberen rechten Ecke mit der genauen Berechnung der soeben abgeklickten Fläche. Die Brandfläche ist nun dargestellt.

Die fertige Geometrie um die Brandfläche

Du hast eine Brandfläche erfolgreich kartiert. Kannst du die Frage aus der Aufgabenstellung beantworten?

Im Kapitel 2 erfährst du wie man abgebrannte Flächen auch noch auf eine andere Art und Weise sichtbar machen kann. 

Normalized Burn Ratio (NBR)

Folge dem Video oder der Anleitung im Kapitel um den Index ” Normalized Burn Ratio” aus dem Satellitenbild zu erzeugen. 

Die Normalized Burn Ratio anzeigen

Als zusätzliche Visualisierung wird häufig ein sogenanntes „Burn Ratio“ dargestellt, eine Verbrennungsrate in Graustufen. Mit dieser Visualisierung wird noch deutlicher, welche Bereiche tatsächlich abgebrannt sind. In Abbildung 7 ist der Unterschied zum Falschfarbenbild zu erkennen.

Vergleich zwischen Falschfarben-Komposit und Normalized Burn Ratio

Für diese Darstellung musst du lediglich auf der linken Seite von dem Reiter Komposit zu dem Reiter Index wechseln. Dort siehst du eine Gleichung, der „Normalisierte Brandindex“ oder „NBR-Formel“. Ziehe dazu lediglich das Band B8A auf das A und B04 auf das B. Nach erneutem Laden wird dir das Graustufenbild angezeigt.

Normalisierter Brandindex

Du hast nun gelernt, erfolgreich einen Brand zu lokalisieren, ihn auf verschiedene Art und Weise darzustellen und seine Größe zu berechnen! Brände sind aufgrund ihrer starken Auswirkungen über mehrere Wege gut zu beobachten. Allerdings sind auch bei diesem Beispiel Wolken des aktiven Brandes ein Hindernis, um das genaue Ausmaß zu erkennen. Satellitenbilder liefern daher mal deutlichere und mal etwas ungenaue Ergebnisse.

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Einführung in die Erdbeobachtung

Bilder aus dem All

Satellitenbilder zeigen unseren Planeten aus neuen Blickwinkeln und in den ungewöhnlichsten Farben. Doch sie sehen nicht nur schön aus! Mit ihrer Hilfe werden vor allem Informationen gesammelt deren Analyse zum Verständnis des Systems Erde und des Wandels in dem es sich befindet einen unschätzbaren Beitrag leisten.
Doch wie geschieht das? Wie sehen diese stillen Beobachter, die Satelliten, aus? Welche Daten liefern sie und wie helfen sie uns dabei die hochdynamischen Prozesse auf unserem Planeten zu verstehen und zu erkennen welche Rolle der Mensch dabei spielt?

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Das elektromagnetische Spektrum- Einführung

Satelliten können Merkmale unserer Umwelt aufzeichnen, die uns Menschen verborgen bleiben. Doch was genau sehen sie denn, was wir nicht sehen?

Einführung in das elektromagnetische Spektrum

Elektromagnetisches Spektrum – Vertiefung

Alle Informationen, die von erdbeobachtenden Satelliten gesammelt werden sind aus den Wellen des elektromagnetischen Spektrums abgeleitet. Grund genug, sich diese elektromagnetischen Wellen und ihre Eigenschaften einmal genauer anzuschauen.

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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?

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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?

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Die spektrale Auflösung

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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Erdbeobachtung 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.

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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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Erde bei Nacht – Lichtverschmutzung in Mitteleuropa

Während Luftverschmutzung in Mitteleuropa gut dokumentiert ist und viele Gegenmaßnahmen eingeführt wurden, wird die Lichtverschmutzung nur von wenigen beachtet und immer stärker. Dieses Lernmaterial bringt den Schülerinnen und Schülern das Thema anhand eines Videos von der ISS und Satellitenbilddaten näher, die zwei Nachbarregionen mit sehr unterschiedlichen Beleuchtungsansätzen und den Gründen hierfür vergleichen. Dabei werden auch die naturräumlichen Gegebenheiten und die Siedlungsstrukturen beleuchtet.

Die App ist Teil der Columbus-Eye-App. Kostenlos erhältlich bei Google Play (Part “Erde bei Nacht”)

Die App ist Teil der Columbus-Eye-App. Kostenlos erhältlich bei App Store (Part “Erde bei Nacht”)

Ziele: Die Schüler*innen sollen…

  • Satellitenbilder interpretieren und räumlich zuordnen.
  • Unterschiede in der Stadtstrukturentwicklung basierend auf naturräumlichen Gegebenheiten erkennen.
  • das Konfliktpotential Mensch-Natur erkennen und analysieren.
  • Nutzen und Probleme extensiver nächtlicher Beleuchtung diskutieren.
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Im Auge des Sturms –
Zyklone statt Pokémons

Die Arbeitsblätter thematisieren die Entstehung von tropischen Zyklonen am Beispiel des Taifun Maysak, der die Philippinen am 5.4.2015 heimgesucht hat. Anhand von schematischen Darstellungen, ISS-Videos und Wetterkarten wird die Entstehung und der Aufbau eines tropischen Zyklons erläutert. Das Arbeitsblatt bedient sich dazu der sogenannten erweiterten Realität, Augmented Reality. In Kombination mit dem Arbeitsblatt ermöglicht es die dafür entwickelte App „Im Auge des Sturms“ den Zyklon live auf dem Smartphone der Schüler*innen darzustellen.

Columbus-Eye-App kostenlos bei Google Play (Part “Im Auge des Sturms”)

Ziele: Die Schüler*innen sollen…

  • die Entstehung von tropischen Zyklonen  verstehen,
  • deren physikalischen Grundlagen (Corioliskraft) erlernen,
  • Wetterkarten interpretieren können,
  • das Smartphone als Erkenntnisinstrument erfahren.

Die ZIP-Datei (1 MB) enthält die Arbeitsblätter und einen Lehrkommentar.

ImAugedesSturmsDownload
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Aralkum- Vom See zur Wüste

Der Rückgang des Aralsees und die Entstehung der Wüste Aralkum ist eines eindrücklichsten Beispiele für Desertifizierungsprozesse unserer Zeit. Das Arbeitsblatt “Aralkum – Vom See zur Wüste” ermöglicht es, die Entwicklung der Region der letzten 10 Jahre anschaulich anhand von ISS-Videos, Satellitendaten sowie Hintergrundinformationen zu den gesellschaftlichen und ökonomischen Prozessen nachzuvollziehen. Mit Hilfe der App “Aralkum” können die Schüler*innen eigenständig in die Rolle der Forscher*innen schlüpfen und selbstständig Prognosen erstellen.

Die App ist Teil der Columbus-Eye-App. Kostenlos erhältlich bei Google Play (Part “Aralkum”)

Ziele: Die Schüler*innen sollen…

  • Satellitenbilder (ISS) interpretieren und räumlich zuordnen,
  • die Aralseeregion und die in ihr stattfindenden Prozesse verorten,
  • das Konfliktpotential Mensch-Natur erkennen und analysieren,
  • die Erde als System mehrerer Teilsysteme verstehen und
  • Prognosen der Wasserflächenentwicklung erstellen und kritisch bewerten

Die ZIP-Datei (2MB) enthält einen Lehrerkommentar und das Arbeitsblatt.

Unterrichtsmaterialien_Aralkum_2020
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Tsunami – wenn Wellen alles ändern

Naturkatastrophen gefährden Lebensräume: Siedlungen werden zerstört, landwirtschaftliche Flächen überflutet, Küstenlinien verändern sich. Besonders eindrucksvoll lässt sich dies anhand von Satellitenaufnahmen nachvollziehen. Indem die Schülerinnen und Schüler diese Bilder interpretieren, sind sie in der Lage, Risiken und Schäden für Natur und Menschen zu erkennen und zu bewerten. Zentrales Thema dieser Unterrichtseinheit ist der Tsunami des Jahres 2004 im Indischen Ozean. Die Schülerinnen und Schüler arbeiten mit einem interaktiven Computer-Modul.

Klassen: 7, 8, 9

Bearbeitungszeit: 3 – 4 Stunden

Niveau: leicht

Voraussetzungen: keine

Themen: Change Detection, Erdbeben, Klassifikation, Naturgefahren, Schadensermittlung, Tsunami

Autoren: Roland Goetzke, Henryk Hodam, Caroline Kraas, Kerstin Voß

Ziele: 

  • Die Bedeutung von Naturgefahren soll erkannt werden.
  • Die Raumwahrnehmung und -bewertung soll geschult werden.
  • Entstehungsmöglichkeiten und Ursachen von Tsunamis sollen beschrieben werden können.
  • Die Fernerkundung als Möglichkeit zur Schadensermittlung soll kennen gelernt werden.
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7 8 Fach Geographie Klasse Lernmodul Material

Oasen – von nah und fern erkundet

Die Schülerinnen und Schüler lernen die grundlegenden Modelle von Oasentypen kennen. Das zentrale Element der Lerneinheit stellt das Beispiel der Flussoase dar. Auf der Grundlage eines Satellitenbildes können die Schülerinnen und Schüler interaktiv eine thematische Karte erstellen. Diese Karte wird anschließend mit dem Modell der Flussoase verglichen, um so die Unterschiede zwischen Modell und Wirklichkeit zu erfassen.

Klassen: 7, 8

Bearbeitungszeit: 1 – 2 Stunden

Niveau: einführend

Voraussetzungen: keine

Themen: Infrarot, Landnutzung/-bedeckung, Oasen, Thematische Karte

Autoren: Roland Goetzke, Henryk Hodam, Florian Thierfeldt, Kerstin Voß

Ziele: 

  • Die Schüler/Innen sollen die grundlegenden Modelle von Oasentypen beschreiben können.
  • Das Modell der Flussoase soll mittels Fernerkundung mit der Wirklichkeit verglichen werden.
  • Die angewendeten Fernerkundungsmethoden sollen anhand der zugrundeliegenden allgemeinen physikalischen und methodischen Grundlagen erklärt werden.
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Inner
tropische Konvergenz
zone

Die Vermittlung des komplexen Wirkungsgefüges der atmosphärischen Zirkulation und insbesondere der tropischen Zirkulation ist in den Lehrplänen deutscher Schulen fest verankert. Am Beispiel des Zusammenhangs zwischen der Vegetationsverlagerung im Laufe eines Jahres und dem Wasserdampf in der Atmosphäre lernen die Schülerinnen und Schüler im Lernmodul „Innertropische Konvergenzzone“ die Hadley-Zelle und die Innertropische Konvergenzzone kennen und bringen sie mit Druck- und Temperaturänderungen in Zusammenhang. Somit befindet sich das Lernmodul „Innertropische Konvergenzzone“ an der Schnittstelle zwischen Physik und Erdkunde in der Sekundarstufe I (Klassen 7-9).

Das Ziel der Unterrichtseinheit „Innertropische Konvergenzzone“ ist es, Schüler/Innen mit einfachen Analysewerkzeugen auszustatten, mit denen sie selbständig Daten erheben und mit Hilfe einfacher Funktionen auswerten können. Als Datenquelle stehen ihnen drei Zeitschnitte von thematisch aufbereiteten Satellitenbildern zur Verfügung, aus dem sie Bildwerte auslesen können. Sie helfen den Schüler/ innen dabei, aus Wasserdampf und Vegetation die Lage der Innertropischen Konvergenzzone abzulesen.

Klassen: 7, 8, 9

Bearbeitungszeit: 1 Stunde

Niveau: aufbauend

Voraussetzungen: keine

Themen: Hadley-Zelle, Innertropische Konvergenzzone, Passatwinde, Vegetationszonen, Zeitreihen

Autoren: Annette Ortwein, Henryk Hodam

Ziele: 

  • Satellitenbilder und Zeitreihen interpretieren können
  • die innertropische Konvergenzzone erklären können
  • die Verlagerung der Vegetationszonen im Jahresverlauf erkennen können
  • den Zusammenhang zwischen Vegetationsverlagerung, atmosphärischem Wasserdampf und innertropischer Konvergenzzone beschreiben können
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7 8 9 Fach Geographie Klasse Lernmodul Material

Hochwasser – Umgang mit einer Naturgefahr

Extreme Hochwasserereignisse und deren Folgen für die betroffenen Anwohner werden immer wieder über die Medien transportiert und folglich auch von Schülerinnen und Schülern wahrgenommen. Aufgrund der wieder verstärkt geführten Diskussion über mögliche Folgen einer anthropogen beeinflussten Klimaveränderung rücken gerade durch das Wettergeschehen hervorgerufene Extremereignisse ins Zentrum des öffentlichen Interesses. Da eine Naturkatastrophe wie ein Hochwasser nicht durch die Natur allein determiniert ist, sondern auch dadurch, wie der Mensch mit der Gefahr umgeht, ergeben sich zahlreiche auch für den Schulunterricht relevante Fragen. Welche Standorte sind besonders gefährdet? Wie beeinflusst menschliches Handeln das Hochwasserrisiko? Welche Schutzmaßnahmen können ergriffen werden? Fernerkundungsdaten und Geoinformationssysteme (GIS) können bei der Beantwortung solcher Fragen einen wichtigen Beitrag leisten.

In der Unterrichtseinheit „Hochwasser – Umgang mit einer Naturgefahr“ arbeiten die Schüler/Innen innerhalb eines computergestützten und interaktiven Lernmoduls mit verschiedenen Fernerkundungsdaten. Im Mittelpunkt der Unterrichtseinheit steht ein digitales Geländemodell.

Klassen: 7, 8, 9

Bearbeitungszeit: 2 Stunden

Niveau: aufbauend

Voraussetzungen: keine

Themen: GIS, Geländemodelle, Hochwasser, Naturgefahren, Standortanalyse

Autoren: Roland Goetzke, Henryk Hodam

Ziele: 

  • Natürliche und anthropogene Ursachen von Hochwasser sollen erkannt und beschrieben werden.
  • Darstellen und Begründen der Möglichkeiten und Notwendigkeiten von Hochwasser-Schutzmaßnahmen.
  • Nutzung eines digitalen Geländemodells als Hilfsmittel für Standortentscheidungen.
  • Die Schüler/Innen sollen das Layer-Prinzip eines GIS verstehen und anwenden können.
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Haiti – Katastrophen
hilfe aus dem All

Anfang des Jahres 2010 hat sich mit dem Erdbeben in Haiti die verheerendste Naturkatastrophe seit dem Tsunami im Indischen Ozean ereignet. Eine Vielzahl an ortsfremden Rettungskräften und Hilfsorganisationen sind bei der Bewältigung der Katastrophe im Einsatz. Um Aussagen über die Folgen des Ereignisses machen zu können und den Hilfskräften möglichst aktuelle und präzise Informationen in Form von Karten und Koordinaten geben zu können, bietet sich der Einsatz von Fernerkundungsdaten an. Indem die Schüler/innen mit GoogleEarth die Lage vor Ort analysieren, können sie Schäden kartieren und geeignete Schadenskategorien erstellen

Klassen: 5, 6, 7, 8

Bearbeitungszeit: 1 – 2 Stunden

Niveau: leicht

Voraussetzungen: keine

Themen: Change Detection, Erdbeben, Kartierung
Naturgefahren, Schadensermittlung

Autoren: Caroline Kraas, Karsten Strätz

Ziele: 

  • Die Schüler/Innen sollen die Schäden der Erdbeben in Haiti ermitteln und einschätzen.
  • Durch den visuellen Vergleich zwischen Bildern sollen Unterschiede benannt werden.
  • Es soll eine Kartierung der Schäden vorgenommen werden.
  • Es sollen eigene gestalterische Vorschläge zur Klassifizierung von Schadenskategorien gemacht werden.
  • Die Grundfunktionen von Google Earth sollen beherrscht werden.
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