Loading...

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.

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.

300 Messstationen

In jedem der 3 Biodiversitäts-Exploratorien wurden jeweils 100 Messstationen 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-Messstationen
(CEMU)
21
Erweiterte-Umwelt-Messstationen
(EEMU)

Typ CEMU wird auf allen Experimentalprobeflächen (EPs) 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 (VIPs) 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:

Visualisierung

Messturm auf der Schwäbischen Alb
Messtürme

Im Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin und der Schwäbichen Alb wurde jeweils ein Messturm mit einer Höhe von 44 m bzw. 37 m 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.

Messstation AEMU im Hainich
Workshop zur Validierung der Messtechnik auf SEG43

Fernerkundung

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.

SystemPlattformRäuml. AuflösungAnzahl BänderSpektrale AuflösungTemporale AuflösungAbdeckung
RapidEyeSatellit5 m50.44 – 0.852009-2015 ~Min. drei phänologische Perioden pro Jahrvollflächig
Landsat*Satellit15 m – 120 m4 - 80.43 – 12.51972 - 2014, ~ jährlichvollflächig
MODIS**Satellit250 m – 1 km360.40 – 14.392001 - 2014, ~ täglichvollflächig
PléiadesSatellit50 cm – 2 m50.43 – 9.40Einmalig (2015)100 km² je Exploratorium
HyperspectralFlugzeug1 m> 2000.40 – 2.40Einmalig (2015)100 km² je Exploratorium
LiDARFlugzeug~14 Punkte/m2Full 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 EPs und VIPs 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 EPs und VIPs 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.

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.

Landsat
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.

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

Wissenschaftliche Bearbeitung Uni Marburg

Prof. Dr. Thomas Nauss
Prof. Dr. Thomas Nauss
Philipps-Universität Marburg
Falk Hänsel
Falk Hänsel
Philipps-Universität Marburg
Stephan Wöllauer
Stephan Wöllauer
Philipps-Universität Marburg
Spaska Forteva
Spaska Forteva
Philipps-Universität Marburg

Wissenschaftliche Bearbeitung Uni Göttingen

Prof. Dr. Christoph Kleinn
Prof. Dr. Christoph Kleinn
Georg-August-Universität Göttingen
Dr. Paul Magdon
Dr. Paul Magdon
Georg-August-Universität Göttingen
Dr. Stefan Erasmi
Dr. Stefan Erasmi
Johann Heinrich von Thünen Institut
Wanda Graf
Wanda Graf

Technische Bearbeitung in den Exploratorien

Martin Fellendorf
Martin Fellendorf
Universität Ulm
Mechatroniker
Frank Suschke
Frank Suschke
Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung,
Biodiversitäts-Exploratorium Schorfheide-Chorin
Mechatroniker
Matthias Groß
Matthias Groß
Technische Universität München (TUM)
Mechatroniker
Top