Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Schnee/Vikhamar 2002

Vikhamar et al. 2002

Vikhamar,D.; Solberg,R.; Subpixel mapping of snow cover in forests by optical remote sensing, Remote Sensing of Environment 84, 69-82, 2002

Ziel der Arbeit ist die Erstellung eines Modells der Reflexion schneebedeckter Wälder in Norwegen, aus dem durch Entmischung die Schneefraktion abgeleitet werden kann. Dafür wird ein linearer Mischungsansatz verwendet, der die Zusammensetzung der gemessenen Reflexion eines Pixels aus mehreren Reflexionskomponenten unterschiedlicher Oberflächentypen beschreibt (SnowFor). Der Einfluss einer Reflexionskomponente ist dabei abhängig vom Flächenanteil A, den sie innerhalb des Pixels einnimmt.

$R=A_{P}\cdot R_{P}+A_{S}\cdot R_{S}+A_{B}\cdot R_{B}+A_{SW}\cdot R_{SW}+A_{BG}\cdot R_{BG}$

Prinzipskizze der reflektierenden Oberflächenkomponenten im Mischungsmodell

Die Indizes bezeichnen die verschiedenen Oberflächentypen: P – Kiefern, S – Fichten, B- Birken, SW – Schnee, BG – schneefreie Oberflächen. Der Flächenanteil eines Oberflächentyps innerhalb des Pixels wird jeweils über das Symbol A dargestellt, R bezeichnet den mittleren Reflexionsgrad eines Oberflächentyps in einem Spektralbereich. Der Fächenanteil der Schneekomponente A_SW entspricht der bei Romanov mit F gekennzeichneten Schneefraktion. Durch Umstellung der Gleichung nach A_SW kann analog zu Romanov aus der gemessenen Reflexion R eines Pixels der Anteil der Schneefläche bestimmt werden. Es werden mehrere Annahmen für die Berechnung der Reflexionsgrade getroffen:

Die Anteile der verschiedenen Oberflächentypen an der Reflexion eines Pixels hängen linear von ihrem Flächenanteil, nicht jedoch von ihrer Position innerhalb eines Pixels ab
Die Vegetation unterliegt ausserhalb der Wachstumsperiode im Winter und Frühjahr keinen Veränderungen
Der Untergrund ist flach
Birken sind vollständig entlaubt und ihre Kronen somit transparent, während Fichten und Kiefern optisch dicht sind.
Die Fläche der Rasterzellen ist größer als die eines vertikal projizierten Baumes

Teilmodell 1 - Reflexion von Birken

Für die Beschreibung der Reflexionskomponenten werden mehrere Submodelle entwickelt. Birchmod beschreibt die Reflexion R_B von Birkenwäldern als lineare Mischung der Reflexion von beleuchteten Schneeflächen R_ill und den Ästen der Bäume R_Br:

$R_{B}=A_{ill}^{\prime }\cdot R_{ill,Schnee}+A_{Br}^{\prime }\cdot R_{Br}$

Reflexionskomponenten über Birken

Die für die Bestimmung von R_B relevanten Flächenanteile der beiden Komponenten A’_ill und A'_Br ergeben sich dabei aus den, bei Betrachtung der Wälder aus der Vogelperspektive, sichtbaren Schnee- bzw. Baumflächen. Diese werden in Experimenten empirisch in Abhängigkeit vom Sonnenstand abgeschätzt.

Teilmodell 2 - Durch Bäume beschattete Schneeflächen

Der Schattenwurf der Bäume auf die Schneeflächen wird im Submodell ShadMod berücksichtigt. Dazu wird die Reflexion der Schneeflächen beschrieben als lineare Mischung der Reflexion offener Schneeflächen R_ill,Schnee und durch Bäume beschatteter Schneeflächen R_shad,P, R_shad,S, R_shad,B:

$R_{SW}=A_{ill}\cdot R_{ill,Schnee}+A_{shad,P}\cdot R_{Shad,P}+A_{Shad,S}\cdot R_{Shad,S}+A_{Shad,B}\cdot R_{Shad,B}$

Die Bäume werden zur Modellierung des Schattenwurfs als lichtundurchlässige Zylinder mit kugelförmiger Krone abstrahiert. Die Reflexion von Schneeflächen, die im Bereich der Schatten von Birken liegen, muss erneut mit Hilfe einer linearen Mischung unterteilt werden. Da die Birken vollständig entlaubt sind, bilden ihre Schatten auf der Schneeoberfläche netzartige Strukturen aus. Die Reflexion der beschatteten Bereiche setzt sich damit zusammen aus Anteilen beleuchteter Schneeflächen und Anteilen, die im Schatten der Birkenäste liegen:

$R_{Shad,B}=A_{ill}^{''}\cdot R_{ill,Schnee}+A_{Shad,Br}^{''}\cdot R_{Shad,Br}$

Zusammensetzung der Reflexion der Schatten auf Schneeflächen

Teilmodell 3 - Horizontabschirmung

Als letzte Komponente wird die Verringerung der einfallenden diffusen Strahlung durch die Horizontabschirmung der Bäume berücksichtigt. Die diffusen Komponenten der Schneereflexion werden dazu auf den Anteil verringert, auf den auch die einfallende diffuse Strahlung verkleinert wird.

Modellanwendung

Zur Kalibirierung der Modelle wurden umfangreiche Feldexperimente ausgeführt. Zunächst wurden die Reflexionsspektren verschiedener Oberflächentypen (Schnee, Birkenwald etc) bei unterschiedlichsten Beleuchtungsbedingungen und unterschiedlichem Zustand der Schneedecke gemessen, um Wellenlängenbereiche zu identifizieren, die besonders zur Unterscheidung zwischen Schnee und schneefreien Bereichen geeignet sind. Eine gute Unterscheidbarkeit wurde im visuellen Spektrum ausgemacht, sowie in Teilen des nahen und mittleren Infrarots. In drei ausgewählten Bereichen von je 19 km² Größe wurden alle Bäume eingemessen und anhand der Daten ein detailliertes Waldmodell erstellt. In diesem Modell sind alle für die Submodelle benötigten Flächenanteile und typischen Reflexionsgrade der verschiedenen Oberflächentypen (beleuchteter Schnee, Äste, Birkenschatten…) als Mittel der Feldmessungen integriert. Im nächsten Schritt konnten dann die Reflexionsgrade für vier ausgewählte Szenen (Kiefernwald, Fichtenwald, Birkenwald, Kiefern- und Birkenwald) modelliert werden. Die Modellierung erfolgte für jeden der vier Datensätze in drei Schritten. Im ersten Schritt wird nur zwischen der Reflexion beleuchteter Schneeflächen und schneefreier Flächen unterschieden (SnowFor bzw. SnowFor + Birchmod in Birkenwäldern). Anschließend wird über das Submodell ShadMod der Schattenwurf der Bäume berücksichtigt und zuletzt die Horizontabschirmung im Modell DiffusMod integriert. Die Ergebnisse jedes Modellierungsschritts werden mit Landsatmessungen in den Kanälen TM2, TM3 und TM4 verglichen. Die Modellergebnisse nähern sich den Landsat-Messungen prinzipiell umso besser an, je mehr Effekte im Modell berücksichtigt werden. Den größten Einfluss zeigt die Berücksichtigung des Schattenwurfs von Bäumen, während die Berücksichtigung der Horizontabschirmung nur wenig Auswirkungen hat. Die Ursache wird darin vermutet, dass für die Bestimmung der Horizontabschirmung eine gleichmäßige Verteilung der Bäume angenommen wird, während tatsächlich Clusterbildungen zu verzeichnen sind. Insgesamt wurden beim Vergleich zwischen modellierter Reflexion und Satellitenmessungen Bestimmtheitsmaße zwischen 0,5 und 0,6 erreicht. Die Modellergebnisse streuen jedoch bei allen Waldtypen stark. Die Autoren geben dafür folgende Ursachen an:

Fehler in der Georeferenzierung der Satellitenbilder
Die einzelnen Oberflächentypen wurden mit konstanten, aus den Feldmessungen ermittelten Reflexionsgraden modelliert, während die Reflexionsgrade in der Realität natürlich stark veränderlich sind, weil sich z.B. der Wassergehalt der Schneedecke ändert oder Laub darauf abgelagert wird.
Es wurde kein Schattenwurf auf andere Bäume berücksichtigt.
Das Untersuchungsgebiet ist nicht ideal flach, wie im Modell angenommen, was zu Unterschieden in der einfallenden Strahlung führt.

Zusammenfassend wird festgestellt, dass Schnee, Baumart und Schattenwurf den größten Einfluss auf die Reflexion der schneebedeckten Wälder ausüben. Das Modell soll für zukünftige Anwendungen vereinfacht und dann unter Verwendung einer digitalen Waldkarte durch Entmischung zur Ableitung der Schneefraktion aus Satellitenmessungen genutzt werden.