Instrummentierung und Fernerkundung


Wissenschaftliche Bearbeitung durch:

Prof. Dr. Thomas Nauss

Falk Hänsel

Stephan Wöllauer

Spaska Forteva (assoz.)

(Uni Marburg)

Prof. Dr. Christoph Kleinn

Dr. Paul Magdon

Dr. Hans Fuchs

Dr. Stefan Erasmi (assoz.)

Collins Kukunda (assoz.)

Wanda Graf (assoz.)

(Uni Göttingen)

Martin Fellendorf

(Uni Ulm)

Matthias Gross

(TU München)

Frank Suschke

(SGN Frankfurt)

Einleitung

Das Kernprojekt „Messtechnik und Fernerkundung“ ist verantwortlich für (i) die systematische und großräumige Messung und Aufzeichnung von meteorologischen und bodenkundlichen Umweltvariablen in allen Biodiversitäts-Exploratorien und (ii) die Bereitstellung von fernerkundungsbasierten und flächendeckenden Informationen zur Landnutzung. Ähnlich zur bereits vorhandenen Messtechnik-Infrastruktur soll ein für die Forschergruppen zugängliches Archiv verschiedener Fernerkundungsprodukte aufgebaut werden.

 

Beschreibung der Arbeitsschwerpunkte im Bereich Messtechnik

Meteorologische und bodenkundliche Parameter gehören zu den Haupteinflussfaktoren der organismischen Diversität und Funktionalität von Ökosystemkreisläufen. Um eine systematische und großräumige Messung und Aufzeichnung dieser Umweltparameter in allen Exploratorien durchzuführen, wurden in den Untersuchungsgebieten Schorfheide-Chorin, Hainich-Dün und auf der Schwäbischen Alb mehr als 300 Messeinrichtungen aufgebaut.

Abbildung 1. Mess-Station AEMU im Hainich (Foto: F. Hänsel)
Abbildung 2. Mess-Turm auf der Schwäbischen Alb (Foto: F. Hänsel)
Abbildung 3. Workshop zur Validierung der Messtechnik-auf SEG43 (Foto: F. Hänsel)

300 Mess-Stationen

In jedem der 3 Biodiversitäts-Exploratorien wurden jeweils 100 Mess-Stationen aufgebaut wovon je 50 im Grünland und 50 in den Waldflächen installiert sind. Vor dem Hintergrund der sehr großen Anzahl an Stationen wurden nicht alle identisch bestückt, sondern mit abgestuften Sensorgruppen ausgestattet. Derzeit sind die folgenden Stationen im Einsatz:

  • 279 Basis-Umwelt-Mess-Stationen (CEMU)
  • 21 Erweiterte-Umwelt-Mess-Stationen (EEMU)

 

Typ CEMU wird auf allen Experimentalprobeflächen (EP’s) der Exploratorien in den Waldgebieten und im Grünland verwendet. Neben allgemeinen meteorologischen Daten wie Lufttemperatur, Oberflächentemperatur und relativer Luftfeuchte werden außerdem Messungen im Erdreich vorgenommen. Fünf Messfühler werden im Oberboden eingesetzt, um kontinuierlich Bodentemperatur und -feuchte zu erfassen.

Typ EEMU wird auf ausgewählten Intensivprobeflächen (VIP’s) und topographisch wichtigen Probeflächen eingesetzt und verfügt zusätzlich über ergänzende Sensorik zur Messung des Niederschlags, der Windgeschwindigkeit und -richtung, der ein- und ausfallenden Strahlungskomponenten von kurz- und langwelliger Strahlung, der photo-synthetisch aktiven Strahlung (PAR) sowie des Luftdrucks.

Eine Visualisierung der Resultate des Parameters Temperatur ist hier zu finden: hier

Messtürme

Im Biosphären Reservat Schorfheide-Chorin und der Schwäbichen Alb wurde jeweils ein Messturm mit einer Höhe von 44 m bzw. 37m installiert. Beide Türme umfassen die Sensorik der EEMUs und messen zusätzlich die Lufttemperatur, Luftfeuchte und die PAR im Profil.
2 weitere Türme, die vom Max-Planck-Institut für Biogeochemie aufgebaut worden sind, können im Nationalpark Hainich-Dün mitgenutzt werden.

Datenaufbereitung

Die oben beschriebenen Messeinrichtungen erfassen täglich bis zu 45.000 Einzelwerte in jedem Forschungsgebiet. Diese werden zunächst zur Vorverarbeitung und Qualitätskorrektur nach Marburg übertragen und anschließend über die BExIS-Datenbank zur Verfügung gestellt. Vor dem Hintergrund der ständig wachsenden Datenmenge wurde eine neue Klimadatenbankkomponente entwickelt, die demnächst in BExIS implementiert wird.

 

Beschreibung der Arbeitsschwerpunkte im Bereich Fernerkundung

Hintergrund

Aufgrund der verstärkten Nachfrage nach Fernerkundungsprodukten und Dienstleistungen durch verschiedene Forschungsgruppen wurde das Kernprojekt in der aktuellen Projektphase um eine Fernerkundungskomponente zum neuen Kernprojekt „Messtechnik und Fernerkundung“ erweitert. Mit dem neuen Arbeitsbereich sollen die einzelnen fernerkundlichen Aktivitäten in den Exploratorien besser koordiniert werden. Zielsetzung der Fernerkundungskomponente ist es, die großflächige Erhebung von metrologischen Variablen durch eine flächendeckende Erfassung der verschiedenen Landnutzung und Landbedeckung in den drei Exploratorien zu ergänzen. Mit der Bereitstellung und Aktualisierung von Karten und anderen aus Fernerkundungsdaten abgeleiteten Produkten soll es auch Nicht-Fernerkundlern ermöglicht werden, räumliche und zeitliche Analysen auf Basis von Fernerkundungsdaten in ihre Forschungen zu integrieren und somit neue Erkenntnisse über die funktionalen Zusammenhänge auf unterschiedlichen Skalenebenen der Biodiversität zu erlangen.

Sensoren

Um der Vielfalt der Forschungsfragen und Methoden innerhalb der Biodiversitäts-Exploratorien gerecht zu werden, sollen im Rahmen der aktuellen Phase Fernerkundungsdaten von sehr unterschiedlichen Sensoren und Plattformen beschafft und aufbereitet werden. Dabei reicht das Spektrum von hoch aufgelösten optischen Satellitenbildern (e.g. Pléiades, RapidEye) bis zu flugzeuggetragenen Hyperspectral- und LiDAR-Sensoren. Tabelle 1 gibt einen Überblick.

Tabelle 1. Übersicht über die Fernerkundungsprodukte die im Rahmen der 4. Phase des Infrastruktur-Schwerpunktprogramms Biodiversitäts-Exploratorien (2014-2017) genutzt werden.

 

System

Platt-form

Räuml. Auflösung

Anzahl Bänder

Spektrale

Auflösung

Temporale Auflösung

Abdeckung

RapidEye

Satellit

5 m

5

0.44 – 0.85

2009-2015

~Min. drei phänologische Perioden pro Jahr

vollflächig

Landsat*

Satellit

15 m – 120 m

4 - 8

0.43 – 12.5

1972 - 2014,

~ jährlich

vollflächig

MODIS**

Satellit

250 m – 1 km

36

0.40 – 14.39

2001 - 2014,

~ täglich

vollflächig

Pléiades

Satellit

50 cm – 2 m

5

0.43 – 9.40

Einmalig (2015)

100 km² je Exploratorium

Hyperspectral

Flugzeug

1 m

>200

0.40 – 2.40

Einmalig (2015)

100 km² je Exploratorium

LiDAR

Flugzeug

~14 Punkte/m2

Full wave form

---

Einmalig (2015)

100 km² je Exploratorium

*Der Landsat Datensatz schließt die MSS, TM, ETM+ und OLI/TIRS Sensoren ein.
**MODIS Daten von den Terra und Aqua Satelliten

 

Arbeitsschwerpunkte

Nachbarschaftsanalysen (Landnutzungs- und Landbedeckungskarten)
Ökosystemprozesse, die Einfluss auf Vorhandensein und Funktionen von Biodiversität ausüben, wirken auf sehr unterschiedlichen Skaleneben. Zahlreiche der Prozesse, die auf den intensiv beprobten EP’s und VIP’s beobachtet werden, können auch durch die den Plot umgebende Nachbarschaft maßgeblich beeinflusst werden. Im Rahmen dieses Arbeitsschwerpunktes sollen daher Karten erstellt werden, welche die aktuelle Landnutzung- und -bedeckung auf Landschaftsebene abbilden. Dadurch soll es ermöglicht werden, die intensiven Beobachtungen auf den EP’s und VIP’s in den Landschaftskontext einzuordnen.
Der Klassifizierungsschlüssel für die Landbedeckung ist an das jeweilige Ökosystem angepasst. Im Wald werden verschiedene Baumartengruppen differenziert, im Grünland dienen vor allem die landwirtschaftliche Nutzung und Gehölzstrukturen (e.g. Sträucher) als Klassifizierungskriterien.

Abbildung 4. Falschfarben Bild für Waldbestände im Exploratorium Hainich aufgenommen mit AISA Eagle/Hawk Sensoren im Juli 2012 (Quelle: persönliche Mitteilung von Henning Aberle, Abteilung Waldinventur und Fernerkundung, Göttingen, ForestHype Projekt DLR)

Landschaftsstruktur Analysen
Die im 1. Themenschwerpunkt erstellten thematischen Karten ermöglichen eine quantitative Beschreibung der horizontalen Landschaftsstruktur der drei Exploratorien. Die Höhen-Informationen aus den LiDAR und Pléiades Daten erweitern diese Informationen um eine vertikale Komponente, so dass eine 3D Beschreibung der Vegetations- und Landschaftsstruktur möglich ist.

Zeitreihen Analysen
Die Interaktionen zwischen den Ökosystem-Funktionen und der Nutzungsintensität sind unter den zentralen Forschungsthemen der Biodiversitäts Exploratorien. Häufig ist der momentan beobachtete Zustand das Ergebnis von Prozessen die über einen langen Zeitraum wirken. Daher kann die Beschreibung der historischen Entwicklung dazu beitragen, Aufschluss über den aktuellen Zustand zu geben. Fernerkundungsmethoden bieten die Möglichkeit mit Hilfe von Zeitreihenanalysen die Entwicklung eine Landschaft zu beschreiben, sofern entsprechendes Bildmaterial zur Verfügung steht.

 

Durch die Veröffentlichung des Landsat-Archives steht eine Datenquelle zur Verfügung welche eine Beschreibung der Entwicklung zurück bis in die 1980’er Jahre ermöglicht. Ziel dieses thematischen Schwerpunktes ist die Beschaffung, Aufbereitung und Analyse von Landsat Zeitreihendaten zur Rekonstruktion der Entwicklung der Landschaften und zur Ableitung von Veränderungsindices, die als Indikatoren für die Beschreibung der Landnutzungsintensiät dienen können.

Abbildung 5. Links: Räumliche Verteilung der Waldflächen im Exploratorium Schorfheide. Rechts: Anteil der verschiedenen Einzelflächengrößen (ha) an der gesamt Waldfläche
Abbildung 6. Darstellung der Zeitreihenanalyse von Landsat Satelliten Bilder zur Veränderungskartierung