Einsatz von Design Based Research in der Fernerkundungsdidaktik

Inhaltsverzeichnis

Danksagung

Zusammenfassung

Abstract

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1. Einleitung und Problemstellung

2. Theoretischer Hintergrund und aktueller Forschungsstand
2.1 Theoretischer Hintergrund
2.1.1 Neue Medien
2.1.2 Fernerkundung
2.1.3 Satellitenbilder
2.1.4 Fernerkundungsdidaktik
2.2 Aktueller Forschungsstand und daraus resultierende Forschungsfragen
2.2.1 Überblick über den Forschungsstand
2.2.2 Aktuelle Studien in Bezug auf das Forschungsfeld
2.2.3 Fernerkundungsdidaktische Ansätze in internationalen und nationalen Einrichtungen
2.2.4 Beitrag der Deutschen Gesellschaft für Geographie (DGfG)
2.2.5 Der neue Bildungsplan in Baden-Württemberg
2.2.6 Aktuelle Forschungsarbeiten im Forschungsfeld
2.2.7 Daraus resultierende Forschungsfragen

3. Forschungsdesign im Sinne des DBR-Ansatzes
3.1 Der Forschungsansatz Design Based Research (DBR)
3.2 Vorstellung des Forschungsdesigns
3.3 Vorstellung der Untersuchungsgruppe
3.4 Testinstrumente der Untersuchung im ersten Testzyklus
3.4.1 Konzeption des leitfadengestützten Experteninterviews
3.4.2 Konzeption des Lernmoduls (Prototyp A)
3.4.3 Konzeption der Schülerevaluation
3.4.4 Konzeption der Lehrerevaluation
3.4.5 Konzeption der teilnehmenden Beobachtung
3.4.6 Zusammenfassung
3.5 Testinstrumente der Untersuchung im zweiten Testzyklus
3.5.1 Optimierung des Lernmoduls (Prototyp B)
3.5.2 Optimierung der Schülerevaluation
3.5.3 Optimierung der Lehrerevaluation
3.5.4 Optimierung der teilnehmenden Beobachtung
3.5.5 Zusammenfassung

4. Vorstellung der Ergebnisse aus zwei Testzyklen
4.1 Vorstellung der Ergebnisse aus den leitfadengestützten Experteninterviews
4.1.1 Lernsetting
4.1.2 Dauer
4.1.3 Kompetenzen
4.1.4 Theorie- und Praxisanteil
4.1.5 Themenwünsche
4.1.6 Geographische Fachmethoden
4.1.7 Medieneinsatz
4.1.8 Lernmodul
4.1.9 Art des Lernmoduls
4.2 Vorstellung der Ergebnisse aus der Konzeption des Lernmoduls
4.2.1 Das Lernmodul in Version Prototyp A
4.2.2 Das Lernmodul in Version Prototyp B
4.3 Vorstellung der Ergebnisse aus der Schülerevaluation (Online-Evaluation)
4.3.1 Angaben zur Person (A)
4.3.2 Fragen zum Lernmodul (B)
4.3.3 Fragen zum Lernen mit Satellitenbildern €
4.3.4 Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Fach Geographie (D)
4.3.5 Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Umgang mit dem Computer €
4.3.6 Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Umgang mit Satellitenbildern (F)
4.4 Vorstellung der Ergebnisse aus der Lehrerevaluation
4.4.1 Angaben zur Person (A)
4.4.2 Vorerfahrungen mit digitalen Geomedien (B)
4.4.3 Bewertung der GIS-Station €
4.4.4 Eindrücke (D)
4.4.5 Bewertung des Lernsettings €
4.4.6 Verbesserungsvorschläge (F)
4.5 Vorstellung der Ergebnisse aus der teilnehmenden Beobachtung
4.6 Zusammenfassung der Ergebnisse

5. Diskussion der Ergebnisse und Methoden aus zwei Testzyklen
5.1 Diskussion der leitfadengestützten Experteninterviews
5.2 Diskussion des Lernmoduls und des Lernsettings
5.3 Diskussion der Evaluation
5.4 Diskussion der teilnehmenden Beobachtung
5.5 DBR – ein sinnvoller Ansatz?
5.6 Zusammenfassung

6. Fazit und Ausblick

Literaturverzeichnis

Danksagung

Ich möchte auf diesem Weg einigen Menschen danken, die maßgeblich dazu beigetragen haben, dass diese Masterarbeit verfasst werden konnte. Großer Dank geht an meine Gutachter Prof. Dr. Alexander Siegmund und Dr. Raimund Ditter, die mir während des gesamten Studiums mit Rat und Tat zur Seite standen. Herrn Prof. Dr. Siegmund danke ich sehr für die letzten sechs Jahre, da er mir Einblicke in die Physische Geographie und die Tätigkeit als studentische und wissenschaftliche Hilfskraft ermöglichte. Dr. Raimund Ditter danke ich für das „Casting“ im dritten Semester. Er brachte mich in die Abteilung Geographie und überzeugte mich, wissenschaftlich weiterzudenken und das Masterstudium aufzunehmen. Ebenso verlor er nie den Blick für die Schulpraxis und das Wesentliche und schaffte es immer wieder, mich aufs Neue zu motivieren und für die Geographie und die Schule zu begeistern. Herrn Prof. Dr. Ulrich Michel gebührt großer Dank, da ich ohne seine Überzeugungskraft das Masterstudium wohl nie aufgenommen hätte. Für die Beratungen in den ersten beiden Mastersemestern danke ich sehr. Ich danke Dr. Nils Wolf, Vera Fuchsgruber (M.Sc.) und Guido Riembauer (M.Sc.) für die Einbindung in ihr Forschungsprojekt und die wissenschaftliche, sowie kollegiale Begleitung durch den Masterprozess. Danke für die hilfreichen Tipps zur Umsetzung des Lernmoduls und die tatkräftige Unterstützung in jeder Hinsicht. Ich danke Herrn Dipl.-Geoökol. Daniel Volz für seine Motivation, für seine Arbeit und für seine Wertschätzung an jedem einzelnen Tag. Ich danke Dr. Simone Naumann für die liebevolle Fürsorge bei meiner Tätigkeit in der GIS-Station und die tatkräftige Unterstützung, was die Verfügung von Räumlichkeiten zu jeder Tages- und Nachtzeit betrifft. Dr. Thomas Kisser danke ich für seine tatkräftige und herausragende Unterstützung bei der Konzeption der Leitfadeninterviews. Ebenso gebührt großer Dank für die Seelsorge und die Ausleihe von Fachliteratur. Ich danke Cagla Kart für das Testinterview. Marion Schütz und Marie-Luise Kohl gebührt an dieser Stelle sehr großer Dank, da ohne sie das Forschungsprojekt und die Masterarbeit wohl nicht hätten durchgeführt werden können. Sie haben sich für die Interviews bereit erklärt und kamen insgesamt zwei Mal mit ihren Klassen in die GIS-Station, um das Lernmodul zu testen und zu evaluieren. Ich danke meinem Mentor David Haß, M.A. aus der Schule, dass er mir zur Erstellung dieser Masterarbeit so viel Freiräume im Referendariat einräumte und mich immer wieder motivierte, weiter zu machen. Ich danke dem gesamten rgeo-Team, meinen lieben Hiwi-Kollegen und Kommilitonen für die Unterstützung, Freundschaft und Beratung. All meinen Freunden, meiner Freundin und meiner Familie gebührt für die Geduld der letzten Jahre großer Dank und dass sie trotz der Vernachlässigung in den letzten Monaten immer noch für mich da sind. Zum Schluss danke ich Gott dafür, dass es mir ermöglicht wurde, gar ein Masterstudium aufzunehmen. In meiner Jugend hätte ich im Traum nicht daran gedacht, jemals hier zu sitzen. Eine sechsjährige Studienzeit geht mit dieser Masterarbeit zu Ende.

Danke für alles!

Tobias Gehrig

Zusammenfassung

Die vorliegende Masterarbeit „Einsatz von Design Based Research in der Fernerkundungsdidaktik – wissenschaftlich fundierte Entwicklung eines webbasierten Lernmoduls zur Förderung des Satellitenbildeinsatzes in der Schule“ ist im Rahmen des Masterstudienganges Bildungswissenschaften im Profil Fachdidaktik mit dem Schwerpunkt Naturwissenschaften im Wintersemester 2015/2016 an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg entstanden.

Im Zeitalter von „Google Earth & Co.“ Ist es nahezu jedem Menschen möglich, die Erde mit „anderen Augen“ zu sehen. Um in Zukunft jedem Menschen die Fähigkeit zu ermöglichen, Satellitenbilder „lesen“ zu lernen, bedarf es einer Sonderstellung der Schulen, die diese Fähigkeit kompetenzorientiert an die Schülerinnen und Schüler weitergeben. Da allerdings viele Lehrkräfte über nur wenig bis mangelnde Erfahrung im Bereich der digitalen Geomedien verfügen, kommt es zu erheblichen Problemen bei der didaktischen Aufbereitung dieser Themenstellungen. Daher ist es ein besonderes Ziel dieser vorliegenden Masterarbeit, ein Lernmodul zu entwickeln, das den Lehrkräften die Arbeit an den Schulen erleichtert. Hierfür wurde in einem Zeitraum von über einem Jahr das Lernmodul „Leben am Vulkan“, im Zusammenhang mit dem Projekt „Die Erde verstehen lernen – Einsatz moderner Satellitenbildtechnologie zur Erdbeobachtung für Jugendliche (Space4Geography)“ in der Abteilung Geographie an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg, entwickelt. Durch leitfadengestützte Experteninterviews konnten vorab Erkenntnisse gewonnen werden, die in die Konzeption des Lernmoduls mit eingebunden wurden. Für den Test des Lernmoduls wurden Schülerinnen und Schüler mit ihren Lehrkräften in die GIS-Station, dem Klaus-Tschira-Kompetenzzentrum für digitale Geomedien eingeladen, um das Lernmodul in seinen Prototypen zu testen und zu evaluieren. Eine teilnehmende Beobachtung diente der Erfassung des Schülerverhaltens und den eingesetzten Unterrichtsmedien, um Rückschlüsse auf deren Wirkung im Hinblick auf den Einsatz des Lernmoduls zu ziehen. Mit Hilfe des Einsatzes von Design Based Research war es möglich, das Lernmodul bedarfsgerecht zu optimieren und weiterzuentwickeln. Mit dem „Einsatz von Design Based Research in der Fernerkundungsdidaktik“ konnte die „wissenschaftlich fundierte Entwicklung eines Lernmoduls zur Förderung des Satellitenbildeinsatzes in der Schule“ eingeleitet werden. Dem digitalen Zeitalter wird damit weiterhin Rechnung getragen. Der Forschungsansatz Design Based Research ermöglichte einerseits die Entwicklung des Lernmoduls „Leben am Vulkan“ und andererseits dessen wissenschaftliche Begleitung, wobei theoriegestützte Ansätze dabei halfen, das Lernmodul zu evaluieren und zu optimieren. Die vorliegende Masterarbeit wurde mit Hilfe von qualitativen Forschungsanteilen innerhalb des DBR-Ansatzes durchgeführt und möchte dazu beitragen, Lernprozesse von Schülerinnen und Schülern zu optimieren.

Abstract

This master thesis "Use of Design Based Research in remote sensing teaching - science-based development of a web-based learning module for promoting satellite image use in school" is part of the Master's program Educational Sciences in profile didactics focusing on the natural sciences in the winter semester 2015/2016 at the University of Education Heidelberg emerged.

In the age of "Google Earth & Co." Is it almost every man able to see the earth with "different eyes". To test the ability to allow in the future every person, satellite imagery "Read" to learn it, requires a special position of schools, the competence-oriented this ability to pass on to the pupils. However, as have many teachers have little to lack of experience in the field of digital Geomedia, there are significant problems in the didactic presentation of these topics. Therefore, it is a particular object of this present thesis to develop a learning module that facilitates the work of the schools teachers. For this was a period of over one year, the learning module "life at the volcano", "Understanding the Earth - using modern satellite imaging technology for Earth observation for teenagers (Space4Geography)" in relation to the project in the Department of Geography at the University of Education Heidelberg, developed. Through expert interviews advance insights have been gained, which were involved in the conception of the learning module. For the test, the learning module students have with their teachers in the GIS station, the Klaus Tschira competence center for digital invited Geomedia to test the learning module in its prototype and evaluate. A participant observation was used to detect the pupil behavior and teaching media used to draw conclusions about its effect in terms of the use of the learning module. With the help of the use of Design Based Research it was possible to optimize and develop the learning module as needed. By "use of Design Based Research in remote sensing didactics" was the "science-based development of a learning module for promoting satellite image use in school" are introduced. The digital age is therefore still taken into account. The research approach Design Based Research allowed the one hand the development of the learning module "life at the volcano" and on the other hand its scientific monitoring, with theory-based approaches have helped to evaluate the learning module and optimize. This master thesis was carried out by means of qualitative research units within the DBR approach and would help to optimize learning processes of students.

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Digitale Geomedien im Geographieunterricht (Quelle: mebis.bayern.de [01.04.16])

Abbildung 2: Schema eines Fernerkundungssystems (Quelle: fis.uni-bonn.de [01.04.16])

Abbildung 3: Nadar im Ballon, nach: Honoré Daumier, 1869 (Quelle: de.wikipedia.org [01.04.16])

Abbildung 4: Die wichtigsten Satelliten und ihre Kanäle (Quelle: satgeo.zum.de [01.04.16])

Abbildung 5: Einsatzbereiche von Fernerkundung (Quelle: fe-lexikon.info [01.04.16])

Abbildung 6: Zeitleiste des Landsat-Programms (Quelle: de.wikipedia.org [01.04.16])

Abbildung 7: Instrumente der Landsat-Serie 1-8 (Quelle: de.wikipedia.org [01.04.16])

Abbildung 8: Prinzip von Landsat (Quelle: eijournal.com [02.04.16])

Abbildung 9: Das elektromagnetische Spektrum und die Bereiche verschiedener Sensoren (Quelle: Albertz 2009, S. 11)

Abbildung 10: Entstehung von Farbe (Quelle: blif.de [02.04.16])

Abbildung 11: Das Pixelprinzip (Quelle: GIS-Station)

Abbildung 12: Spektraler Fingerabdruck (Quelle: GIS-Station)

Abbildung 13: Kanalkombinationen Landsat 8 am Beispiel des Ätna-Ausbruchs 2013 (Quelle: BLIF)

Abbildung 14: Modell einer fernerkundungsdidaktischen Gesamtkonzeption (Quelle: Siegmund 2011, S. 158)

Abbildung 15: Didaktischer Mehrwert von Satellitenbildern im Unterricht (Quelle: eigene Darstellung nach Ditter)

Abbildung 16: Schritte bei der Auswertung von Satellitenbildern im Unterricht (Quelle: eigene Darstellung nach Brucker 2012, S. 179)

Abbildung 17: Terra-Satellitenbildaufnahme Vulkanausbruch Ätna vom 17. Juli 2001 (Quelle: NASA)

Abbildung 18: Computerverfügbarkeit pro Schüler an Schulen (Quelle: Ditter, Michel, & Siegmund, 2012, S. 217)

Abbildung 19: Index zur computerbezogenen Selbsteinschätzung, differenziert nach Geschlecht (Quelle: Ditter, Michel, & Siegmund, 2012, S. 218)

Abbildung 20: Geräte-Ausstattung im Haushalt 2015 (Quelle: JIM-Studie 2015, S. 6)

Abbildung 21: Medienbeschäftigung in der Freizeit 2015 (Quelle: JIM-Studie 2015, S. 11)

Abbildung 22: Nutzung verschiedener Handy-Funktionen 2015 (Quelle: JIM-Studie 2015, S. 49)

Abbildung 23: Modell geographischen Lernens (Quelle: Landesinstitut für Schulentwicklung)

Abbildung 24: Teilkompetenzen in drei Niveaustufen im Bereich Fernerkundung (Quelle: Bildungsplan Geographie 2016, S. 39)

Abbildung 25: Konzeption und Arbeitsschritte im Rahmen des Projekts "Space4Geography" (Quelle: Wolf, Fuchsgruber, Viehrig, Naumann, & Siegmund, 2015, S. 74)

Abbildung 26: Spezifische Merkmale von Design Based Research (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 27: Forschungsstrategisches und methodisches Vorgehen im DBR-Ansatz (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 28: Design-Zyklen (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 29: Untersuchungsgruppe aus 2 Testzyklen (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 30: Testinstrumente im ersten Testzyklus (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 31: Beispieltranskript eines Experteninterviews (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 32: Screenshot von f4 (Quelle: f4 [24.06.15])

Abbildung 33: Codesystem in selektiver Ansicht (Quelle: f4analyse [07.07.15])

Abbildung 34: Konzeption des Lernmoduls Prototyp A (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 35: Hauptinterface der webbasierten Fernerkundungssoftware BLIF 1.1 (Quelle: BLIF [01.05.16])

Abbildung 36: Zielfunktionen einer Evaluation (Quelle: eigene Darstellung nach Stockmann 2002, S. 3)

Abbildung 37: Das Kontinuum der Selbstbestimmung (Quelle: Deci & Ryan, 2002, S. 16)

Abbildung 38: Testinstrumente im zweiten Testzyklus (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 39: Optimierung des Lernmoduls Prototyp B(Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 40: Prototypische Startseite der Lernplattform (Quelle: rgeo.de [18.05.16])

Abbildung 41: Ausschnitt aus der PPT-Präsentation von Prototyp A (Quelle: Gehrig, 2015)

Abbildung 42: Ausschnitt des Arbeitsblattes zum Lernmodul Prototyp A (Quelle: eigene Darstellung nach Vorlage der GIS-Station)

Abbildung 43: Vergleich von Echtfarbenbild und Falschfarbenbild Ätna 2013 (Quelle: BLIF, stark vergrößert)

Abbildung 44: Screenshot der webbasierten Lernsoftware BLIF (Quelle: BLIF)

Abbildung 45: Aufbau eines Lernmoduls (Quelle: Siegmund et al, 2014)

Abbildung 46: Auswahl der Lernmodule in Space4Geography (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 47: Menüführung des Lernmoduls (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 48: Quizfrage innerhalb eines Lernabschnitts (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 49: Entstehung von Vulkanen (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 50: Verteilung der Vulkane auf der Erde (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 51: Arbeitsanweisungen im Lernmodul zur Ausführung der Satellitenbildanalyse (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 52: Zuordnungsquiz in Prototyp B (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 53: Quizfrage zum Vegetationsindex (Quelle: ebenefuenf.de [19.05.16])

Abbildung 54: Geomedien, die SuS vor dem Kurs kannten, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 55: Geomedien, die SuS vor dem Kurs kannten, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 56: Das Arbeiten mit BLIF, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 57: Das Arbeiten mit dem Programm BLIF, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 58: Erklärungen des Dozenten, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 59: Erklärungen des Dozenten, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 60: Gesamtdauer des Kurses, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 61: Gesamtdauer des Kurses, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 62: Erwartungen an das Lernmodul, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 63: Erwartungen an das Lernmodul, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 64: Spaßfaktor des Lernmoduls, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 65: Spaßfaktor des Lernmoduls, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 66: Das Lernmodul war selbsterklärend, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 67: Das Lernmodul war selbsterklärend, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 68: Einstufung des Lernmoduls, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 69: Einstufung des Lernmoduls, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 70: Erfassung intrinsischer Regulation in beiden Testgruppen (Quelle: Google Forms)

Abbildung 71: Erfassung extrinsischer Regulation in beiden Testgruppen (Quelle: Google Forms)

Abbildung 72: Erfassung der introjizierten Regulation im ersten Testlauf (Quelle: Google Forms)

Abbildung 73: Erfassung der identifizierten Regulation im ersten Testlauf (Quelle: Google Forms)

Abbildung 74: Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Fach Geographie, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 75: Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Fach Geographie, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 76: Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Umgang mit dem Computer in Auswahl, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 77: Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Umgang mit dem Computer in Auswahl, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 78: Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Umgang mit Satellitenbildern, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 79: Einschätzung der eigenen Fähigkeiten im Umgang mit Satellitenbildern, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Abbildung 80: Probleme und Interesse bei der Arbeit mit Satellitenbildern, Testgruppe I (Quelle: Google Forms)

Abbildung 81: Probleme und Interesse bei der Arbeit mit Satellitenbildern, Testgruppe II (Quelle: Google Forms)

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Entwicklungen der Fernerkundung (Quelle: eigene Darstellung nach enso.info)

Tabelle 2: Unterschiedliche Kanalkombinationen (Quelle: BLIF)

Abkürzungsverzeichnis

a.a.O am angegebenen Ort

Aufl. Auflage

Abb. Abbildung

Abs. Absatz

bspw. beispielsweise

bzw. beziehungsweise

B Blauer Kanal

BLIF Blickpunkt Fernerkundung

CD Compact Disc

CD-ROM Compact Disc Read Only Memory

DGfG Deutsche Gesellschaft für Geographie

ebd. Ebendort

etc. et cetera

evtl. eventuell

EWG Erdkunde-Wirtschaftskunde-Gemeinschafskunde

G Grüner Kanal

Geo Geographie

ggf. gegebenenfalls

GIS Geographisches Informationssystem

GPS Global Positioning System

GWG Geographie-Wirtschaft-Gemeinschaftskunde

Hg. Herausgeber

Hrsg. Herausgeber

i.S.v. im Sinne von

i.V.m. in Verbindung mit

o.J. ohne Jahr

No. Nummer

Nr. Nummer

NWA Naturwissenschaftliches Arbeiten

p. Page

PC Personal Computer

PH Pädagogische Hochschule

R Roter Kanal

S. Seite

s. siehe

S4G Space4Geography

SLC Scan Line Corrector

Tab. Tabelle

usw. und so weiter

vgl. vergleiche

W-LAN Wireless Local Area Network

z.B. zum Beispiel

1. Einleitung und Problemstellung

„Dank Google Maps hat man die Möglichkeit, die ganze Welt zu entdecken. Und was machen 99% aller Nutzer? Das eigene Haus suchen…“ (webfail.com).

Um diesem Webfail entgegenzuwirken, stellt der Einsatz von Design Based Research in der Fernerkundungsdidaktik die wissenschaftlich fundierte Entwicklung eines webbasierten Lernmoduls zur Förderung des Satellitenbildeinsatzes in der Schule vor. Die vorliegende Masterarbeit ist im Rahmen des Masterstudiengangs Bildungswissenschaften im Profil Fachdidaktik und dem Schwerpunkt Naturwissenschaften in der Abteilung Geographie an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg im Wintersemester 2015/16 entstanden.

In dieser Masterarbeit wurde ein Lernmodul über das Leben am Vulkan mit Hilfe des neuen Forschungsansatzes Design Based Research (DBR) entwickelt, erprobt, evaluiert und optimiert. Dabei wurde das Lernmodul über ein Jahr lang in einem Forschungsprozess mit Hilfe von Schulklassen und Experten entwickelt und getestet, sowie aufgrund von Vorschlägen der Schulklassen und Experten erweitert, digitalisiert und optimiert, sodass am Ende des Forschungsprozesses ein Prototyp des Moduls online zu Verfügung stand. Dieser Forschungsprozess soll in der vorliegenden Masterthesis ausführlich beschrieben werden, um den Einsatz von Design Based Research in der Fernerkundungsdidaktik genauer zu erläutern und in Zukunft in die Forschung und Schulen des Landes auszuweiten. Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht der Forschungsansatz Design Based Research, der noch sehr jung in den Bildungswissenschaften und der Geographiedidaktik ist. Zentraler Gegenstand dieses Forschungsansatzes ist die Verknüpfung zwischen Fachdidaktik, empirischer Forschung und schulischer Praxis. Der Praxisanteil dieser Arbeit stellt das webbasierte Lernmodul dar, das zur Förderung des Satellitenbildeinsatzes in der Schule entwickelt wurde, um Satellitenbilder alltagstauglich im Unterricht einzusetzen. Die bedeutende Fragestellung der Thesis war, inwiefern Lernprozesse von Schülerinnen und Schülern¹ der Sekundarstufe I durch den Einsatz eines Lernmoduls in der Fernerkundungsdidaktik optimiert werden können und wie dabei ein Lernsetting in der Fernerkundungsdidaktik aufbereitet werden kann, damit Lernprozesse optimiert werden können. Der Forschungsansatz war dabei stets qualitativ mit quantitativen Anteilen angelegt.

In der Schulpraxis wurde vermehrt festgestellt, dass Fernerkundung nur selten schulischer Bestandteil im Unterricht der Lehrkräfte war (vgl. Ditter, Michel & Siegmund, 2012). Die neuen Bildungspläne 2016 in Baden-Württemberg² wollen diesem Missstand entgegenwirken. Der Fächerverbund Erdkunde – Wirtschaftskunde –Gemeinschaftskunde (EWG) wird aufgelöst und Geographie wird ab Klasse 5 sukzessive eigenständiges Unterrichtsfach. Deshalb war es ein relevantes Anliegen des Autors und des Forschungsteams, die Masterthesis in diesem Bereich zu schreiben und in der Fernerkundungsdidaktik zu forschen. Dies liegt auch daran, dass der Autor seit 2011 das Interesse an der Fernerkundungsdidaktik durch seine Tätigkeit und sein Studium in der Abteilung Geographie an der Pädagogischen Hochschule Heidelberg gefunden hat und aus diesem Grund die Fernerkundung in die Schulen des Landes bringen möchte.

Die vorliegende Masterarbeit knüpft an der nach wie vor aktuellen Problemlage³ an, dass Lehrkräfte nur vermindert Satellitenbilder und Fernerkundungsdaten in ihrem Unterricht einsetzen. Dabei ist es unabhängig, ob dies im Geographieunterricht oder anderen Fächern stattfindet bzw. eben nicht stattfindet. Diesem Problem möchte diese Arbeit entgegenwirken, indem sie ein wissenschaftlich fundiertes Lernmodul beschreibt, das über ein Jahr lang entwickelt und in der Schulpraxis erprobt wurde, sodass ein Einsatz dieses Lernmoduls auch von Lehrkräften genutzt werden kann, die bisher keine oder nur wenigen Erfahrungen und Vorkenntnisse im Bereich der Fernerkundung aufweisen können.

Mit dieser Thesis wird das Ziel verfolgt, Fernerkundung sukzessive und vermehrt in einen klassischen Schulalltag zu integrieren. Dabei sollen die aktuellen Bildungspläne mit zieldifferentem Unterricht stets Beachtung finden und neue Medien im Geographieunterricht ihren Stellenwert erfahren. Dabei soll jedoch keineswegs die klassische Lehrkraft durch Lernmodule ersetzt werden, sondern die Lehrkraft findet hier Anreize, Fernerkundungsdaten kinderleicht im Unterricht zu integrieren und so den Unterricht um neue Medien zu erweitern und zu ergänzen. Weitere Ziele der Masterthesis sind, die Lernprozesse von Schülerinnen und Schülern zu optimieren und sie spielend leicht in die komplexe Thematik der Fernerkundung heranzuführen, damit diese einen motivierenden Einstieg in die Welt von Oben erfahren und sich ggf. selbstständig weiterhin mit der Thematik der Fernerkundung beschäftigen. Dabei stehen die aktuellen Gesichtspunkte der Schülerinnen und Schüler im Mittelpunkt.

Im weiteren Teil der Masterarbeit wird zunächst der theoretische Hintergrund geklärt, um Begrifflichkeiten, welche die Thematik der Arbeit betreffen, besser zu verstehen. Dort wird auch der aktuelle Forschungsstand hinreichend erläutert und die daraus entstandenen Forschungsfragen formuliert und erklärt. Nachdem die theoretischen Grundlagen gebildet wurden und der Forschungsstand aufbereitet wurde, folgt ein Kapitel zum Forschungsdesign im Sinne des DBR-Ansatzes. Dort wird zunächst noch einmal ausführlich erklärt, was der Autor und das Fachpublikum unter Design Based Research verstehen und wie dieser Forschungsansatz innerhalb der Geographiedidaktik verankert werden kann. Der Forschungsansatz im Sinne des DBR-Ansatzes umfasst dabei zwei Testzyklen, in denen die Testinstrumente, die Untersuchungsgruppe, das Lernmodul, die Evaluation und die Optimierung Platz zur Darbietung finden. Im Anschluss an dieses Kapitel werden die zentralen Testergebnisse aus beiden Testzyklen zunächst ohne Wertung dargestellt. Die Charakteristik, Interpretation und Diskussion der Ergebnisse folgt in einem weiteren Kapitel. Am Ende der Masterthesis werden die Forschungsfragen erneut aufgegriffen und beantwortet. Zum Abschluss wird ein Fazit der Forschungsarbeit gezogen und ein Ausblick für weitere Forschungsansätze und Forschungsfragen gegeben.

2. Theoretischer Hintergrund und aktueller Forschungsstand

In diesem Kapitel wird zuerst der theoretische Hintergrund dargestellt, um ein besseres Verständnis über die zentralen Begrifflichkeiten dieser Arbeit zu bekommen. Anschließend wird der aktuelle Forschungsstand in Bezug auf das Thema dargestellt. Die daraus resultierenden Forschungsfragen werden am Ende dieses Kapitels erläutert.

2.1 Theoretischer Hintergrund

Für das bessere Verständnis im Zusammenhang dieser Forschungsarbeit, werden in diesem Kapitel zunächst theoretische Grundlagen gebildet, die für die weitere Auseinandersetzung mit der Arbeit unabdingbar sind. Die Begriffe Design Based Research (DBR) und Lernmodul werden unter Kapitel 3 im Zusammenhang mit dem Forschungsdesign erläutert.

2.1.1 Neue Medien

Medien werden in diesem Unterkapitel in fünf Kategorien unterschieden: erstens klassische Medien, zweitens Neue Medien, drittens Digitale Medien, viertens die Sonderform Digitale Geomedien und fünftens die Medienerziehung.

1 Medien:

Nach Rinschede sind Medien Träger von subjektiv ausgewählten und gespeicherten Informationen. Im Unterricht haben sie eine Mittlerfunktion zwischen der Wirklichkeit und den Lernenden (Rinschede, 2003, S. 288). Im Alltag fällt dabei häufig der Begriff „Massemedien“ oder „Massenkommunikationsmittel“. Unter „Massenmedien“ fallen Bücher, Zeitungen, Zeitschriften, Rundfunk, Fernsehen, Filme, Internet usw., die mit Hilfe der Technik eine große Anzahl von Adressaten erreichen. Werden diese Medien als Zeitungsartikel oder Videoaufzeichnung im Unterricht eingesetzt, werden sie zu „Unterrichtsmedien“ (Rinschede, 2003, S. 288). In diversen Fachliteraturen ist der Begriff „Medien“ sehr weit gefasst. Daher bietet es sich an, eine Klassifikation der Medien nach verschiedenen Kriterien vorzunehmen, jedoch sind diese empirisch nicht gesichert (Rinschede, 2003, S. 288). Die Bundeszentrale für politische Bildung (bpb) schlägt für den Begriff Medien folgende Definition vor: „Medien ist ein Sammelbegriff für alle audiovisuellen Mittel und Verfahren zur Verbreitung von Informationen, Bildern, Nachrichten etc. zu den Massenmedien. Zählen insbesondere die Presse (Zeitungen, Zeitschriften), der Rundfunk (Hörfunk, Fernsehen) und das Internet.“ (Klaus & Klein, 2001). Das Wörterbuch der Geographiedidaktik (Böhn & Obermaier, 2013) definiert Medien wie folgt: „Medien sind Träger von Informationen oder von Eindrücken, über die sich Anschauung vermittelt.“ (Hasse, 2013, S. 186). Unter Medien versteht man im fachdidaktischen Sinne beispielsweise Wahrnehmungsmedien (also Sinne), Verstehens-Medien (Körpersprachen, Zeichensprache), Verbreitungsmedien (Massenmedien wie die Zeitung, Fernsehen und das Internet). Medien können Arbeitsmittel im Sinne von Karten, Atlanten, originale Gegenstände oder Computerprogramme sein. Ein Bild kann als Arbeitsmittel je nach didaktischem Einsatz Motivations-, Informations-, Kommunikations-, Wahrnehmungs- oder Erkenntnismedium sein. Medien können gleichwohl nach dem Grad der Abstraktion klassifiziert werden, z.B. originale Medien, welche der sinnlichen Wahrnehmung dienen oder abstrakte Medien der Imagination. Es gibt lineare Medien, die vom Sender zum Empfänger führen, sogenannte „interaktive“ Medien und fachspezifische Medien, wie z.B. die Karte, der Globus oder der Atlas. Zuletzt wird zwischen fachspezifischen Medien, z.B. Geste, Stimme, Sprache, sich artikulierende Person, Zeitung und Fernsehen differenziert (Hasse, 2013, S. 186-187).

2 Neue Medien:

Der Begriff Neue Medien⁴ ist längst nicht mehr neu, sondern bereits sehr alt, was für die schnelle Etablierung der Medien steht. Ratzke bezeichnete „alle Verfahren und Mittel (Medien), die mit Hilfe neuer oder erneuerter Technologien neuartige, also in dieser Art bisher nicht gebräuchliche Formen von Informationserfassung und Informationsbearbeitung, Informationsspeicherung, Informationsübermittlung und Informationsabruf ermöglichen“ als Neue Medien (Ratzke, 1982). Als neues Medium wurde Anfang des 20. Jahrhunderts das Radio bezeichnet, dann der Fernseher gefolgt vom Videotext. Den Terminus Neue Medien verwendet man derzeit vor allem als Sammelbezeichnung für elektronische, digitale und interaktive Medien, also z.B. für E-Mails, das World Wide Web, DVDs, Blue-Rays oder CD-ROMs. Die Kommunikation hat seit Menschengedenken eine große Rolle gespielt. Im Laufe der Zeit wurde die Art miteinander zu kommunizieren immer globaler, komplexer, technischer und ausgefeilter. Einen wichtigen Schritt auf diesem Weg stellte dabei 1450 die Erfindung des Buchdrucks durch Gutenberg dar, da Informationen besser zugänglich wurden. Mit der Einführung von Rundfunk und Fernsehen in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts erreichten Informationen viele Menschen gleichzeitig und schneller. Doch was unterscheidet Neuen Medien von den Massenmedien ? Neue Medien haben die Einbahnstraßen-Kommunikation der Massenmedien durch komplexe Computersysteme überwunden. Die folgenden drei Begriffe verdeutlichen den Unterschied zwischen neuen und traditionellen Medien: Interaktivität, Hypertext und Virtualität. Interaktivität bezeichnet dabei das wechselseitige Agieren zwischen Menschen und hochkomplexen technischen Systemen wie dem Internet. Der Hypertext bezeichnet, im Gegensatz zu einem einfachen Text mit geradliniger Textabfolge, ein Netz von Texten, die miteinander verbunden sind. Die Virtualität bezeichnet eine künstliche, beeinflussbare Welt im Gegensatz zur primären Wirklichkeit (vgl. http://www.wissen.de/neue-medien [01.04.16]).

3 Digitale Medien:

Im Gegensatz zu Neuen Medien versteht man unter Digitalen Medien „computerbasierte Medien, die als Träger oder Mittler von Informationen fungieren […]. Sie stellen eine Subkategorie der Medien dar. Als eine Sonderform sind die digitalen Geomedien (siehe unten) anzusehen.“ (Ditter & Siegmund, 2013, S. 54) Durch Unterstützung des Computers als technisches Hilfsmittel können Schülerinnen und Schüler im Zusammenhang digitaler Lernsettings folgende geographische und fächerübergreifende Arbeitsweisen durchführen: Erstens die Informationsbeschaffung über spezielle Datenbanken, lokale Datenträger wie z.B. CD-ROM, DVD, Blue-Ray-Disc und das Internet; zweitens die Informationsaufbereitung und Informationsdarstellung als Text, Tabelle, Grafik oder Karte; drittens die Präsentation von Informationen, entweder auditiv, visuell oder audiovisuell; viertens die Informationsdeutung und Informationsübung via Animationsprogramme, Simulationsprogramme oder Lernprogramme (Ditter & Siegmund, 2013, S. 54-55).

4 Digitale Geomedien:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: Digitale Geomedien im Geographieunterricht (Quelle: mebis.bayern.de [01.04.16])

Als Sonderform der Digitalen Medien stellen Digitale Geomedien „digital codierte raumbezogene Daten über geographisch relevante Sachverhalte dar sowie die zu deren Verwaltung, Analyse und Visualisierung notwendigen technischen Geräte und Software.“ (Siegmund & Michel, 2013, S. 53). Digitale Geomedien werden dabei durch ähnliche Begriffe, wie z.B. „Geomedien“, „Geoinformation“ oder „Geokommunikation“ geprägt. Hauptkategorien digitaler Geomedien stellten digitale Globen (Globus), webbasierte geographische Informationssysteme (GIS) und die Fernerkundung dar (Siegmund & Michel, 2013, S. 53).

5 Medienerziehung:

Die Medienerziehung ist ein angewandter Teilbereich der Medienpädagogik. „Sie hat die Hinführung der Schüler als Mediennutzer zu einem kompetenten, d.h. kritischen und verantwortungsvollen Umgang mit Medien inner- und außerhalb der Schule zum Ziel.“ (Schneider, 2013, S. 187). Grundlegende Hauptziele der Medienerziehung sind dabei das Kennenlernen der Vielfalt an Medien, ihrer unterschiedlichen Ausprägungen und spezifischen Ausdrucksformen; das Erkennen der Wirkungs- und Einflussnahme-Möglichkeiten von Medien auf persönlicher und gesellschaftlicher Ebene; die Fähigkeit zu kritischer Betrachtung der Inhalte, Aussagen und Zielsetzungen von Medien und zur eigenständigen Meinungsbildung auf der Grundlage eines vielfältigen Medienangebots und die Beherrschung des Einsatzes von Medien, um Meinungen und Sachverhalte zum Ausdruck zu bringen und die Beherrschung eines Instrumentariums zur Erstellung selbst gefertigter Medien (Schneider, 2013, S. 187-188).

2.1.2 Fernerkundung

Die Fernerkundung (engl. Remote sensing) ist ein Sammelbegriff für zahlreiche Verfahren zur Messung von Erdoberflächen und sonstigen Daten, ohne dass zwischen Objekt und Sensor ein Direktkontakt besteht. Fernerkundung wird inzwischen mit Satellitenfernerkundung gleichgesetzt, obwohl auch „konventionelle“, also nicht satellitengestützte Aufnahmeverfahren dazu gehören, wie z.B. die Aufnahme von Luftbildern durch Flugzeuge oder Ballons. Die Methoden werden dabei entsprechend den Fragestellungen eingesetzt und haben als Hintergrund die Theorie der geographischen Dimensionen, wie Maßstäbe oder Maßstabsstufen. Die Fernerkundung wird in fast allen Geowissenschaften und in den raumbezogenen Biowissenschaften eingesetzt. Die „geographische“ Fernerkundung fokussiert auf geographische Fragestellungen der Landschaftsökosysteme und Umweltsysteme, z.B. der Landnutzung, der Naturgefahren oder des Umwelt- und Kulturlandschaftswandels (Leser, et al., 2011, S. 236). Das Wörterbuch der Geographiedidaktik beschreibt die Fernerkundung als „Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von quantitativen oder qualitativen Informationen über die Erdoberfläche durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden Energiefelder. Als Informationsträger dient dabei die reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung“ (Michel & Voß, 2013, S. 82-83). Zu unterscheiden sind dabei Aufnahmeverfahren (wie aktiv, passiv, Kamera, Multispektral-Scanner, Radar, Laser), Auswerteverfahren (wie visuell, rechnergestützt), Auflösungsarten (wie temporal, räumlich, spektral, radiometrisch) und digitale Bildverarbeitungsverfahren (wie z.B. Bildverbesserung/Kontrast, radiometrische Verfahren/Atmosphärenkorrektur oder Entzerrung) (Michel & Voß, 2013, S. 83).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Schema eines Fernerkundungssystems (Quelle: fis.uni-bonn.de [01.04.16])

Jedes abbildende Fernerkundungssystem besteht aus drei Teilen: der Datenaufnahme, der Datenspeicherung und der Datenauswertung (vgl. Abbildung 2). Während der Datenaufnahme wird die von den Gegenständen der Erdoberfläche ausgehende elektromagnetische Strahlung durch einen „Sensor“ empfangen und in Bilddaten umgesetzt. Gleichzeitig werden diese Daten gespeichert, sodass direkt bzw. indirekt „Luftbilder“ oder „Satellitenbilder“ entstehen, die man anschließend auswerten kann. Dieser Vorgang setzt voraus, dass die empfangene elektromagnetische Strahlung von den Objekten an der Erdoberfläche in charakteristischer Weise beeinflusst wird, da sonst keine Objektinformationen daraus abgeleitet werden können (Albertz, 2009, S. 2). Als „Luftbilder“ werden in erster Linie fotographische Bilder eines Teils der Erdoberfläche bezeichnet, die von Luftfahrzeugen (Flugzeuge, Ballons, Drohnen) aufgenommen werden. Als „Satellitenbilder“ werden Bilder der Erdoberfläche bezeichnet, die von Satelliten aus dem Weltall aufgezeichnet werden. In diesen Bilddaten ist eine Menge an Informationen über das abgelichtete Gelände gespeichert, die für die Wissenschaft und Technik von großer Bedeutung sind. Diejenigen Verfahren, die dafür eingesetzt werden, das Informationspotenzial nutzbar zu machen, nennt man „Auswertung“. Dabei unterscheidet man die geometrisch orientierte „Fotogrammmetrie“ (Ausmessung der Bilder), die zum großen Teil zur Herstellung topographischer Karten eingesetzt wird und die inhaltlich orientierte „Interpretation“, die sich mit den Eigenschaften der Erdoberfläche und den darauf liegenden Objekten befasst und für die Geowissenschaften von zentraler Bedeutung ist, z.B. in Form von Planung, Umweltüberwachung (Albertz, 2009, S. 2-3). Eine Trennung zwischen Messung und Interpretation gibt es allerdings strenggenommen nicht, da in der Fotogrammmetrie abgebildete Objekte (z.B. topographisch) erkannt und damit interpretiert werden. Bei der Interpretation werden wiederum des Öfteren Messungen benötigt (Baumkronendurchmesser, Böschungshöhen, Längen von Wasserläufen). Des Weiteren wird mit Hilfe der Interpretation versucht, aus erkenntlichen Einzelheiten Rückschlüsse auf nicht direkt Erkennbares zu ziehen, z.B. kann aufgrund der Vegetation auf Bodeneigenschaften geschlossen werden (Albertz, 2009, S. 3). Allerdings setzt die positive Interpretation von Luft- und Satellitenbildern voraus, dass der Bearbeiter notwendige Sachkenntnisse mitbringt, wie z.B. die Anwendungsdisziplin (z.B. forstwissenschaftliche Kenntnisse) oder die Region (z.B. landeskundliche Kenntnisse). Ebenso sind Kenntnisse über die Entstehung der Bilder und ihre Eigenschaften nötig, um die Potenziale der Informationsgewinnung voll auszuschöpfen und Fehlinterpretationen zu vermeiden (Albertz, 2009, S. 3).

Als Geburtsstunde der modernen Fernerkundung können die fotographischen Bilder von Gaspar F. Tournachon alias Nadar bezeichnet werden, die er im Jahre 1858 aus einem Ballon (vgl. Abbildung 3) in 80 Metern Höhe von Paris aufnahm (Siegmund A. , 2011, S. 7).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Nadar im Ballon, nach: Honoré Daumier, 1869 (Quelle: de.wikipedia.org [01.04.16])

Die ersten Luftbilder zum Zwecke allgemeiner geographischer Fragestellungen wurden bereits im 19. Jahrhundert aufgenommen. Dies geschah zunächst für militärische, später auch für wissenschaftliche Zwecke. Dabei konzentrierte sich die Luftbildauswertung hauptsächlich auf geologische, bodenkundliche, hydrologische und vegetationskundliche Perspektiven. Der Meilenstein der Satellitenbildaufnahme begann mit dem Start der EXPLORER 6, einem US-amerikanischen Satelliten mit dem Ziel, den Geomagnetismus und die Ausbreitung von Radiowellen in der Atmosphäre zu untersuchen. Dieser Satellit nahm das erste Foto der Erde auf. Seit dem 7. August 1959 wird der Begriff Fernerkundung verwendet, welcher als geographisches Hilfsmittel eine markante Entwicklung in der geographischen Forschung erfahren hat (Siegmund A. , 2011, S. 7-9). In Tabelle 1 unten finden sich die wichtigsten Entwicklungen der Fernerkundung.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tabelle 1: Entwicklungen der Fernerkundung (Quelle: eigene Darstellung nach enso.info)

Es befinden sich eine Menge von Satelliten im Weltall. Diese werden nach Umweltsatelliten und Wettersatelliten unterschieden, die sowohl für aktive als auch für passive Systeme Verwendung finden. Die gängigsten Sensortypen sind dabei die Multispektralkamera⁵, Thermalbildkameras⁶, Radarsysteme⁷, Hyperspektralsensoren⁸, Mikrowellenradiometer⁹, Laseraltimeter¹⁰, Interferometer¹¹ und die Luftbildkamera¹² (Albertz, 2009).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Die wichtigsten Satelliten und ihre Kanäle (Quelle: satgeo.zum.de [01.04.16])

Die wichtigsten Satelliten und ihre Kanäle werden in Abbildung 4 oben dargestellt. Abbildung 4 zeigt den für die Fernerkundung relevanten Ausschnitt des elektromagnetischen Wellenlängenspektrums mit der atmosphärischen Durchlässigkeit und die in der Fernerkundung genutzten Spektralbereiche der einzelnen Satelliten. Die sogenannten Kanäle der Satelliten nutzen die atmosphärischen Fenster, d.h. sie messen die reflektierte Strahlung in den Bereichen des Spektrums, in denen die Durchlässigkeit der Atmosphäre besonders groß ist. Für jeden einzelnen Kanal ist ein spezifischer Sensor zuständig. Neben den Satelliten werden auch Flugzeuge, Raumschiffe und Raumstationen als Postamente für Fernerkundungssensoren verwendet. Bevor die Satellitenbilder mit einem Computerprogramm ausgewertet werden können, müssen die Satellitendaten noch aufbereitet werden. In der thematischen Satellitenbildauswertung macht man sich den Faktor zunutze, dass Objekte, wie Vegetation, Boden oder Wasser individuelle Reflexionseigenschaften aufweisen. Aus der Kombination unterschiedlicher Kanäle (Kanalkombination) kann man beispielsweise den NDVI (= Normalized Difference Vegetation Index) berechnen, der den Biomassegehalt angibt und damit Aussagen über den Zustand der Vegetation (vgl. http://satgeo.zum.de/satgeo/methoden/physik_fernerkundung/sensoren/passive_sens.htm [01.04.16]). Die Bilddaten der Satelliten Landsat und TerrarSAR-X, und RapidEye dienten zur Grundlage des Lernmoduls in diesem Forschungsprojekt.

Die Informationen, die Luft- und Satellitenbilder bieten, lassen sich in vielfältiger Art und Weise nutzen. Die Abbildungen 5 unten zeigt die unterschiedlichen Einsatzbereiche von Fernerkundung. Diese kann für Kartographie, Geographie, Katastrophenvorsorge, Geologie und Geomorphologie, Bodenkunde und Altlastenerkundung, Forst- und Landwirtschaft, Tierkunde, regionale Planung, Siedlungen und technische Planung, Archäologie, Gewässerkunde und Ozeanographie, Meteorologie und Klimaforschungen, Planetenforschung, aber auch für militärische Zwecke eingesetzt werden (Albertz, 2009, S. 173-226).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Einsatzbereiche von Fernerkundung (Quelle: fe-lexikon.info [01.04.16])

Die Erderkundungssatelliten LANDSAT sollen hier noch einmal genauer erläutert werden, da diese Satellitenreihe der NASA das kostenfreie Bildmaterial für das Lernmodul Leben am Vulkan u.a. lieferte.

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Abbildung 6: Zeitleiste des Landsat-Programms (Quelle: de.wikipedia.org [01.04.16])

Das amerikanische Landsat-Programm (EOS = Earth Observing System) wurde 1972 mit Landsat 1 gestartet (siehe Abbildung 6). Die Satelliten sind mit optisch-mechanischen Scannern ausgestattet. Die Spektralbereiche sind für die Beobachtung der Landoberflächen ausgelegt. Für die systematische Aufnahme wurden kreisförmige, polnahe und sonnensynchrone Umlaufbahnen gewählt, von denen praktisch die ganze Erdoberfläche¹³ aufgenommen werden kann (Albertz, 2009, S. 241).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Instrumente der Landsat-Serie 1-8 (Quelle: de.wikipedia.org [01.04.16])

Abbildung 7 (oben) zeigt die verschiedenen Instrumente der Satelliten aus der Landsat-Serie 1-8. Landsat 8 weist dabei den neuesten Satelliten der Serie auf, der 2013 gestartet ist. Landsat 1 startete 1972 als Earth Resources Technology Satellite-1 (ERTS-1). Landsat 4,5 (1-3), seit 1972, weist lediglich vier Spektralkanäle (1 = grün, 2 = rot, 3 + 4= nahes Infrarot) auf. Landsat 4,5, seit 1982, weist zusätzlich noch mittleres Infrarot (5+7) und einen Thermalkanal (6) auf. Landsat 1-5 sind mittlerweile außer Betrieb. Landsat 7 ging 1999 an den Start der Aufnahmen und kann 8 Kanäle aufweisen (1 = blau-grün, 2 = grün, 3 = rot, 4 = nahes Infrarot, 5+7 = mittleres Infrarot, 6 = Thermalkanal, 7 = Panchromatischer Kanal¹⁴ ). Landsat 8 ist seit 2013 in Betrieb. Er ist mit den Sensoren OLI¹⁵ und TIRS¹⁶ ausgestattet, die Bilder in verschiedenen Spektralbereichen des sichtbaren Lichts und Infrarots mit Pixelauflösungen von 15–100 m (am Objekt Erde) liefern. Der Satellit verfügt über 10 Sensoren (vgl. Abb. 7) zur passiven Aufnahme (Messung) der Erdoberfläche, darunter acht Spektralkanäle (1 = Küste und Aerosol, 2 = blau, 3 = grün, 4 = rot, 5 = nahes Infrarot, 6+7 = mittleres Infrarot, 9 = Cirrus), zwei Thermalkanäle (10+11) und einem panchromatischen Kanal (8).

Die Satelliten der Landsat-Serie umkreisen die Erde auf einer Bahn, die einen Winkel von circa 90° mit dem Äquator bildet (vgl. siehe Abbildung 8 unten). Mit Ausnahme der Polargebiete kann damit jeder Punkt der Erde überflogen werden. Die Satelliten erreichen dabei eine bestimmte geographische Breite immer zur gleichen Tageszeit (sonnensynchrone Satelliten). Die Landsat-Satelliten haben eine Umlaufzeit von 98 Minuten. Damit sind sie schneller als geostationäre Satelliten und fliegen dementsprechend tiefer (ca. 705 km). Dadurch verbessert sich auch die räumliche Auflösung (30x30 m ab Landsat 4,5). So sind auch kleine Objekte und Strukturen auf der Erdoberfläche erkennbar. Ein bedeutender Nachteil ist dabei, dass sonnensynchrone Satelliten immer nur einen kleinen Ausschnitt der Erdoberfläche erfassen können und deshalb den gleichen Punkt der Erde erst nach wenigen Tagen wieder abdecken können (Glaser, et al., 2010, S. 189-191).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Prinzip von Landsat (Quelle: eijournal.com [02.04.16])

2.1.3 Satellitenbilder

Eine Satellitenbildaufnahme (satellite image) ist eine durch Fernerkundung gewonnene, bildhafte Darstellung der Erdoberfläche, die an die Bodenstationen übermittelt werden, um sie einer visuellen oder automatischen Interpretation zu unterziehen (Leser, et al., 2011, S. 800). Ein Luftbild (aerial photograph, aerial view) ist allgemein aus der Luft aufgenommene fotographische Aufnahme von Teilen der Erdoberfläche und neben der Karte ein wichtiges Arbeitsinstrument der Geographie sowie der Geowissenschaften, Raumwissenschaften und Umweltwissenschaften. Luftbilder im engeren Sinne sind schwarzweiße oder farbige (Echt- und Falschfarben) Fotos in unterschiedlichen Maßstäben, die man in der Geographie auf verschiedene Sachverhalte hin auswerten kann, z.B. Boden, Vegetation, Landnutzung, Naturgefahren etc. Luftbilder im weiteren Sinne sind auch die sogenannten Satellitenbilder (Satellitenbildszene), die mittlerweile äquivalent den Luftbildern verwendet wird (Leser, et al., 2011, S. 534). Hier sollte aber unterschieden werden, dass ein Luftbild (areal photo) ein von einem Luftfahrzeug (Hubschrauber, Flugzeug, Ballon, Drohne), aufgenommenes analoges oder digitales Bild der Erdoberfläche darstellt (Leser, et al., 2011, S. 534), beispielsweise Bilder aus Google Earth. Ein Satellitenbild wird dagegen von Satelliten oder Raumstationen aufgenommen, dabei befindet sich das Aufnahmegerät außerhalb der Erdatmosphäre, beispielsweise Satellitenbilder der NASA oder der LANDSAT-Reihe. Leser definiert eine Satellitenbildszene (satellite photograph, satellite aerial view) als eine aus großer Höhe von einer Satellitenplattform aus genommene „Aufnahme“, die teils fotographisch, teils Daten, die durch Bearbeitung als „Satellitenbild“ sichtbar gemacht werden, von Teilen der Erdoberfläche. Die bei der Datengewinnung mittlerweile erreichte hohe Datenauflösung erlaubt den Anwendern ein fast punktgenaues Arbeiten in verschiedensten Maßstäben (Leser, et al., 2011, S. 800). Zusammenfassend kann man sagen, dass Luft- und Satellitenbilder bildhafte Momentaufnahmen von Ausschnitten der Erdoberfläche, die von Flugzeigen (folglich Luftbilder) oder aus dem Weltall (folglich Satellitenbilder) aufgenommen werden (Pingold, 2013, S. 183).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Das elektromagnetische Spektrum und die Bereiche verschiedener Sensoren (Quelle: Albertz 2009, S. 11)

Satellitenbilder sind tatsächliche Aufnahmen der Erdoberfläche, die sich nach verschiedenen Kriterien unterscheiden lassen (vgl. Pingold, 2013, S. 183f.):

- Nach der räumlichen Auflösung, d.h. Satellitenbilder zeigen meistens größere Ausschnitte der Erde und besitzen daher häufig eine gröbere räumliche Auflösung. Dabei deckt ein Bildpunkt eine größere Fläche am Boden ab. Luftbilder zeigen dagegen nur kleine Ausschnitte der Erdoberfläche und besitzen daher meistens eine sehr hohe und feine räumliche Auflösung.
- Nach dem Aufnahmewinkel, d.h. Senkrecht- oder Schrägluftbilder, die vor allem bei Luftbildern relevant sind.
- Nach der Art der elektromagnetischen Strahlung (vgl. Abb. 9), die das Aufnahmegerät erfasst und dem damit verbundenen Realitätscharakter der Farbdarstellung.

Die elektromagnetische Strahlung ist eine Art der Energieausbreitung. Sie wird in aller Regel als Wellenstrahlung aufgefasst, d.h. als ein sich periodisch änderndes elektromagnetisches Feld, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Die Gesamtheit der vorkommenden Wellenlängen bei der elektromagnetischen Strahlung wird im elektromagnetischen Spektrum in Abbildung 9 oben dargestellt. Das gesamte Spektrum wird nach Art und Wirkung der Strahlung in unterschiedliche Bereiche eingeteilt, die jedoch ohne klare Grenzen ineinander übergehen und sich teilweise sogar überlappen. Am ehesten ist man mit dem sichtbaren Licht vertraut, das zwischen 400 und 700nm Wellenlänge verläuft. Betrachten man die Abbildung oben, fällt sofort auf, dass dies ein sehr kleiner Ausschnitt des gesamten elektromagnetischen Spektrums darstellt. Nach den kurzen Wellenlängen schließt sich das nahe und anschließend das Ultraviolett an, noch weiter dann die Röntgenstrahlen, die Gammastrahlen und die sehr kurzwellige kosmische Strahlung. Auf der langwelligen Seite sieht man das sichtbare Licht und weiter die Infrarotstrahlung, die wiederum in nahes Infrarot (bis ca. 1µm), mittleres Infrarot (ca. 1 bis 7µm) und das ferne Infrarot¹⁷ (ab ca. 7µm). Danach folgen die Mikrowellen (bei 1mm bis 1m) und schließlich die Radiowellen. Die Fernerkundung nutzt allerdings nicht alle Wellenlängenbereiche, sondern nur den Teil zwischen dem nahen Ultraviolett, mittleren Infrarot und den Mikrowellenbereich (Albertz, 2009, S. 10-11).

Jeder Körper befindet sich durch elektromagnetische Strahlung in Wechselwirkung mit seiner Umgebung. Die Strahlung wirkt von dort auf ihn ein und der Körper gibt Strahlung an die Umgebung ab. Die gesamte Fernerkundung beruht auf den objekt- und materialspezifischen Eigenschaften dieser Wechselwirkung (Albertz, 2009, S. 12). Die elektromagnetische Strahlung, welche auf den Körper trifft, wird zum Teil an seiner Oberfläche reflektiert und zum Teil von ihm absorbiert (siehe Abb. 10). Ein weiterer Teil durchdringt den Körper (Albertz, 2009, S. 12). Jedes Objekt hat dabei einen eigenen spektralen „Fingerabdruck“, der die Basis für die Identifizierung und Klassifizierung bildet. Weiße Objekte reflektieren die elektromagnetische Strahlung überwiegend, während schwarze Objekte die Strahlung zum größten Teil absorbieren und in Wärmeenergie umwandeln. Deshalb ist es im Sommer besonders warm, wenn man z.B. ein schwarzes T-Shirt trägt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Entstehung von Farbe (Quelle: blif.de [02.04.16])

Die heutigen Satellitenbilder werden ausschließlich digital aufgenommen und gespeichert. Wie viele Informationen in ihnen enthalten sind bzw. wie groß ihre Auflösung ist, wird durch die Anzahl und Größer der Bildpunkte (Pixel) bestimmt, die das Bild aufbauen. Die Größe der Pixel verhindert, dass unendlich in ein digitales Bild hineingezoomt werden kann. Jedes digitale Bild ist folglich ein vereinfachtes Abbild der Umgebung. Die Sensoren eines Fernerkundungssatelliten befinden sich auf einem elektronischen Chip. Die Anzahl der Bildzellen und die Pixelzahl pro Zeile legen die maximale Auflösung fest. Abhängig von der Optik und der Flughöhe des Satelliten bildet ein Pixel eine bestimmte Fläche auf dem Erdboden ab. Die Pixel der Landsat-Satelliten überdecken hierbei 30 x 30 m. Die optischen Filtereinrichtungen der Kamera sorgen dafür, dass das Licht in Spektralkanäle zerlegt und separat gespeichert wird. Für Satellitenbilder gilt dabei, dass jeder Pixel in jedem Kanal separat abgespeichert wird. Jeder Pixel erhält pro Kanal einen Graustufenwert zugewiesen und die Position der Pixel muss dabei in jedem Kanal exakt identisch sein. Während der Satellit fliegt, nimmt er einen kontinuierlichen Datenstrom auf (siehe Abbildung 11). Im Nachhinein werden die Satellitenbildkacheln daraus berechnet und verschiedene Korrekturberechnungen durchgeführt. Das Satellitenbild steht am Ende für Auswertungen zur Verfügung (vgl. GIS-Station).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Das Pixelprinzip (Quelle: GIS-Station)

Die dabei pro Kanal aufgenommenen Satellitenbildern sind grau. Damit lässt sich nur sehr schwer die abgebildete Szene wiedererkennen. Erst durch den Einsatz von Computerprogrammen wird dem Graustufenbild Farbe hinzugefügt, indem drei Kanäle den RGB-Farben zugewiesen werden (vgl. GIS-Station).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Spektraler Fingerabdruck (Quelle: GIS-Station)

Satelliten nehmen Teile der Erdoberfläche bzw. die gesamte Erde mit Hilfe eines Scanners auf. Dabei wird die Information, die als reflektierte Strahlung von der Erdoberfläche ausgeht, weiterverarbeitet. Die Bilder, die mit einem Satelliten aufgenommen wurden und zur Erde übermittelt werden, bestehen grundsätzlich aus mehreren Bildern, den sogenannten Kanälen. Das menschliche Auge kann lediglich das sichtbare Licht (ca. 400-700nm) wahrnehmen, Satelliten dagegen können ein weitaus breiteres Lichtspektrum wahrnehmen. Landsat 8 kann z.B. elf verschiedene Wellenlängenbereiche aufnehmen, vom sichtbaren Licht über das nahe bis zum mittleren Infrarot. Jede Oberfläche reflektiert aufgrund ihrer Farbe und Form völlig unterschiedlich. Dadurch ergibt sich für jedes Objekt auf der Erde ein einzigartiger „spektraler Fingerabdruck“ (siehe Abbildung 12). Vegetation reflektiert beispielsweise sehr stark im nahen bis mittleren Infrarot zwischen 700 und 1300 nm. Trockener Boden erreicht die höchste Reflexion im mittleren Infrarotbereich ab ca. 1500 nm. Wasser reflektiert eine sehr geringe Strahlung und diese überwiegend im sichtbaren Bereich zwischen 500 und 600nm (vgl. GIS-Station).

[...]

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¹ Hinweis: Sofern es dem Autor im Sinne eines sinnvollen grammatikalischen Satzbaus möglich ist, wird grundsätzlich die weibliche und männliche Form verwendet. Sollte dies aufgrund grammatikalischer Gegebenheiten nicht möglich sein, wird ausnahmsweise die männliche Form verwendet. Selbstverständlich ist damit auch immer die weibliche Form gemeint und die Maskulinisierung soll keine Minderung des weiblichen Geschlechts darstellen.

² Ab September 2016 gelten in BW die neuen Bildungspläne (vgl. Ministerium für Kultus, Jugend und Sport Baden-Württemberg)

³ Vgl. PISA-, JIM- & KIM-Studie

⁴ Der Begriff Neue Medien wird verwendet für zeitbezogene neue Medientechniken.

⁵ Als multispektrale Bilddaten werden in der Fernerkundung Datensätze bezeichnet, die aus mehreren Spektralkanälen zusammengesetzt sind. Die Aufnahme erfolgt mit sogenannten Multispektralkameras.

⁶ Ein Thermalbild ist ein im mittleren Infrarot aufgenommenes Bild, das die von der Erdoberfläche ausgehende Thermalstrahlung wiedergibt.

⁷ Aktive Radarsysteme emittieren EM-Strahlung im Mikrowellenbereich von 1mm bis 1m und detektieren die an der Oberfläche reflektierte oder zurückgestreuten Anteile.

⁸ Unter hyperspektral versteht man in der Fernerkundung ein Sensorsystem, das Bilder von sehr vielen, eng beieinanderliegenden Wellenlängen aufzeichnen kann

⁹ Mikrowellenradiometer messen die thermische Ausstrahlung der Atmosphäre

¹⁰ Laseraltimeter dienen primär zur Vermessung des Oberflächenmodells eines Planeten oder Mondes

¹¹ Interferometrie ist eine weit genutzte Messmethode in der Physik, die auf der Überlagerung von Wellen in einem sogenannten Interferometer basiert und Informationen über die beteiligten Wellen liefert.

¹² Die Messbildkamera (oder Messkammer) ist eine Kamera mit geringen Abbildungsfehlern oder mit Fehlern, die sich durch Kalibrieren genau bestimmen und somit später in der Nachbearbeitung der Bilder korrigieren lassen.

¹³ Hinweis: Landsat 7 seit Ende 2003 mit deutlich verringerter Bildqualität, weil der Scan Line Corrector (SLC) ausfiel.

¹⁴ Bezeichnung für die breitbandige spektrale Empfindlichkeit eines Sensors oder Filmmaterials

¹⁵ OLI = Operational Land Imager

¹⁶ TIRS = Thermal Infrared Sensor

¹⁷ Thermalstrahlung