Projekt:FE Auswerteverfahren 1/Vegetationsindizes/Einleitung

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Motivation, Hintergründe[Bearbeiten]

Die Beobachtung der Vegetation hat in der Fernerkundung schon immer eine zentrale Rolle eingenommen. Durch satellitengestützte Fernerkundung und die digitale Bildverarbeitung, dessen Anfänge in den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts liegen, war es möglich, neue vielseitige Möglichkeiten und Wege der Erdbeobachtung einzuschlagen. Auf weitere Grundlagen der Fernerkundung soll im Rahmen der Vegetationsindizes nicht weiter eingegangen werden. Bei Informationsbedarf können diese Information jedoch aus diversen Skripten über die Grundlagen der Fernerkundung gewonnen werden. Ein frei verfügbares online – Skript wird z.B. durch Herrn Prof. Dr. Hartmut Asche, der Universität Potsdam zu Verfügung gestellt. Der entsprechende Link findet sich unter der Überschrift WEB-Links.

Die satellitengestützte Fernerkundung brachte im Vergleich zu der bis dato durchgeführten Fernerkundung mittels Luftbildern den Vorteil, dass großflächige Informationen der Erdoberfläche erfasst werden konnten. Außerdem konnten nun auch Wellenlängenbereiche außerhalb des sichtbaren Bereiches (VIS) beobachtet werden. Diese neu gewonnen Möglichkeiten waren ein Meilenstein der qualitativen Vegetationsbestimmung mittels Fernerkundungsdaten.

Um die verschiedenen Interaktionen des komplexen Systems Erde zu verstehen, ist es unerlässlich Daten und Informationen aus den verschiedensten Bereichen der Geowissenschaften zu sammeln und zu interpretieren. Dabei sind vor allem auch die räumlichen und zeitlichen Veränderungen aus natürlicher, aber auch aus anthropogener Sichtweise in Betracht zu ziehen. A.S. Belward schrieb zu diesem Thema [Belward 1991]: „Information is needed to assess the impact of mankind’s activities, to predict future conditions, and to arrive at a more complete understanding of the processes supporting the earth system. But what information should be obtained?“ Neben den in dieser studentischen Projektarbeit behandelten Themen, wie die Bestimmung des Niederschlages und der Oberflächentemperaturen, Klassifikation von Wolken, Detektion von Eis und Schnee, etc. bestimmt die Vegetation, als ein weiterer entscheidender Faktor den globalen Energiehaushalt. Auch hier spielt die zeitliche und räumliche Variation der Vegetation eine entscheidende Rolle. Belward schreibt weiterhin, dass die Vegetation 99% der auf der Erdoberfläche befindlichen Wikipedia Biomasse ausmacht. Unterstrichen wird der Einfluss der Vegetation auf den globalen Energiehaushalt noch durch die Tatsache, dass die Größe der gesamten Vegetationsfläche bzw. Blattfläche, die in Kontakt mit der Atmosphäre steht, um einiges größer ist, als die gesamte Kontaktfläche zwischen Erdoberfläche und Wikipedia Atmosphäre. Um diese globalen Auswirkungen der Vegetation feststellen zu können, reichen stationäre, regionale Untersuchungsmethoden jedoch nicht aus. Infolge dessen erlangt die oben genannte, satellitengestützte Fernerkundung bei der Datengewinnung eine entscheidende Rolle.

Im Rahmen des Teilprojektes Bestimmung von Vegetationsindizes soll über die Messung von aktuellen Satellitensystemen die verschiedenen Vegetationsindizes genauer betrachtet werden. Die Hauptaspekte der Bearbeitung werden dabei von folgenden Fragen bestimmt.

  • Wie werden die Vegetationsindizes bestimmt?
  • Was sagen sie aus?
  • Wozu dienen sie?

Bevor jedoch die verschiedensten Vegetationsindizes erläutert werden, soll der interessierte Leser im Kapitel Strahlungstheoretische Grundlagen mit den notwendigen, physikalischen Hintergrundinformationen vertraut gemacht werden.--Walzman

Methoden zur Erkennung von Vegetation[Bearbeiten]

Aussagen über die Vegetation mittels Satellitensystemen können nur deshalb getroffen werden, weil man sich die Reflexionseigenschaften von Pflanzen, in den entsprechenden spektralen Bereichen, zu nutze macht. Die wichtigen spektralen Bereiche, die eine Datenaufzeichnung von Vegetation zulassen, können dem Abschnitt Strahlungseigenschaften der Vegetation entnommen werden. Natürlich ist es notwendig, auf die Vegetation abgestimmte Sensoren einzusetzen. Eine Auswahl von 3 wichtigen Sensoren befindet sich im nächsten Abschnitt. Durch sinnvolle Kombinationen von verschiedenen spektralen Bereichen werden Möglichkeiten erschlossen, Aussagen über Menge und Zustand der Vegetation zu treffen. Das beinhaltet vor allem Aussagen über die Wikipedia Biomasse, die Nettoprimärproduktion und den Zustand des Bestandes. Diese Angaben lassen insbesondere Rückschlüsse auf die klimatischen Verhältnisse, oder klimatische Änderungen zu. Die einfachste Methode der Kombination bzw. Verknüpfung von Spektralkanälen ergibt sich aus der Differenzen von Pixel zwischen verschiedenen Kanälen [Will 1996]. Eine weitere Möglichkeit der Vegetationserkennung beruht auf sogenannten Ratiobildern, die einerseits Grauwerte zwischen Pixel gleichen oder aber auch verstärken können [Hildebrandt 1996].

relevante aktuelle Satellitensysteme[Bearbeiten]

Im folgenden Abschnitt sollen die relevanten aktuellen Satellitensysteme, die sich zur Berechnung von Vegetationsindizes eignen, aufgeführt werden. Die Wahl der Sensoren zur Bestimmung von Vegetationsindizes ist natürlich stark von der zeitlichen und räumlichen Auflösung der zu betrachtenden Fläche abhängig. Jedoch sind einige Sensoren zur Vegetationsbetrachtung generell ungeeignet, da sie die interessanten Spektralbereiche, die bei einer Betrachtung der Vegetation notwendig sind, nicht abdecken. Die Fernerkundung hat in den letzten Jahren deutlich an Bedeutung gewonnen, da durch eine ständige technische Weiterentwicklung die Auflösung in zeitlicher und räumlicher Hinsicht stets verbessert werden konnte. Des Weiteren hat die Anzahl der spektralen Kanäle, in den Sensoren der neueren Satellitensysteme, stets zugenommen.

Die wichtigsten Sensoren und Satelliten[Bearbeiten]

Landsat-Serie [Asche, Grundlagenskript]

  • Satelliten: Landsat 1 bis Landsat 7
  • Sensoren: für geologischen und forstlichen Bereich ausgerichtet
    Landsat TM (Thematic Mapper) auf der Plattform Landsat 5 [Jürgens, 1997]
    Landsat ETM+ (Enhanced Thematic Mapper) auf der Plattform Landsat 7 [Drury, 1990]

Detailliertere Informationen zu der Landsat-Serie kann dem Skript [Asche, Grundlagenskript] entnommen werden.

NOAA/AVHRR

  • Sensor: AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer)[Drury, 1990]
    Ursprünglich für meteorologische Zwecke konzipiert
    Von den Wettersatelliten der [NOAA] (National Oceanographic and Atmospheric Administration) getragen

MODIS [Huete, 1994]

  • Sensor: MODIS (Moderate Resoluting Imaging Spectroradiometer)
    Für EOS-Programm [(Earth Observing System Programm)] der Nasa
    Untersuchungen der Vegetation im System der Biosphäre auf regionaler und globaler Ebene
    Getragen von den Satelliten Terra und Aqua

Weitere wichtige Information zu Satellitensystemen der Fernerkundung können entweder direkt unter den entsprechenden Quellenangaben, oder aber unter dem Teilprojekt Satelliten zur Wetter- und Erdbeobachtung eingesehen werden.