Fernerkundung + Waldmonitoring

Im Folgenden erfolgt eine kurze Einführung in die Fernerkundung und das Erd- bzw. Waldmonitoring.

Laut DIN 18716/3 versteht man unter Fernerkundung die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-)Felder. Als Informationsträger dient dabei die von der Erde reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung.

Fernerkundung (Englisch: remote sensing) ist somit das berührungsfreie Messen und Sammeln von Informationen mittels Sensoren über eine Distanz. Die Erdbeobachtung (Englisch: Earth observation) durch Fernerkundung wird bereits seit Jahrzehnten betrieben, und die Zahl an flugzeuggetragenen Systemen und Satelliten nimmt stetig zu (Belward & Skøien 2015; Boyd & Danson 2005; Landgrebe 1997). Dabei wurden immer neue und leistungsstärkere Sensoren und Auswertungsmöglichkeiten entwickelt.

Anwendungsbeispiele der Fernerkundung:

  • Auswirkungen des Klimawandels und Maßnahmen zur Minderung
  • Änderungen in der Landbedeckung/-nutzung
  • Wasserqualität und -verfügbarkeit
  • Biodiversität und Ökosystemdienstleistungen
  • Exploration natürlicher Ressourcen
  • Gefahren- und Risikobewertung

Grundsätzlich lassen sich Fernerkundungssensoren in zwei Gruppen einteilen:

  1. Aktive Sensoren senden elektromagnetische Strahlung aktiv aus und nehmen die von der Erdoberfläche zurückkommenden Signale wieder auf. Hierzu gehören etwa Lidar-Systeme (Light detection and ranging), die mit Laserstrahlen die Oberfläche abtasten, und Radar (Radio direction and ranging), die Radiowellen abgeben und aufnehmen. Hierzu gehören Satelliten wie TerraSAR-X und Sentinel-1.
  2. Passive Sensoren dagegen erzeugen keine eigene Strahlung, die sie dann wieder empfangen könnten, sondern nehmen die reflektierte Strahlung anderer Quellen wie der Sonne auf. Zu diesen zählen z.B. die Satelliten der Landsat-Serie, RapidEye, Sentinel-2 und die geplante EnMAP-Mission. Des Weiteren gibt es passive Sensoren wie Landsat 8, die auch im langwelligeren thermalen Infrarot arbeiten und die von der Erde emittierte Wärmestrahlung aufnehmen können.

aktiv_passiv

Bei den passiven optischen Sensoren, gibt es eine Reihe an unterschiedlichen Systemen. Sie unterscheiden sich z.B. in der Anzahl der Kanäle, mit denen verschiedene Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums wahrgenommen werden können. Unsere Augen sind im Grunde auch passive Fernerkundungssensoren, die das sichtbare Licht von etwa 400-700 nm wahrnehmen. Für die Ansprache von Vegetation ist der sichtbare spektrale Bereich ebenso wichtig wie das nahe und kurzwellige Infrarot. Vor allem im roten und blauen Licht wird ein Großteil durch Blattpigmente und Chlorophyll absorbiert. Im NIR dagegen reflektieren gesunde Pflanzen stark (s. Vorlesungsteil Vegetationsmonitoring).

Elektromegnetisches Spektrum
Das Elektromagnetische Spektrum. Das menschliche Auge kann nur den sichtbaren Bereich von etwa 400-700 nm wahrnehmen. Quelle: Albertz, 2001.


Eine zentrale Komponente bei der Überwachung der Landbedeckung spielt die Vegetation, wobei das Waldmonitoring eine spezielle Form darstellt. Die charakteristischen Reflexionseigenschaften von Vegetation kann man sich beim Waldmonitoring zu nutzen mach. Um räumlich genaue Informationen über Waldgebiete zu erhalten, wird das terrestrische Waldmonitoring durch die Fernerkundung erweitert und unterstützt (Ackermann et al., 2014; Fagan and Defries, 2009; Pause et al., 2016; Romijn et al., 2015). Dies gilt besonders immer dann, wenn für die Erfassung des Waldzustandes aktuellste Informationen benötigt werden, die in so großer Ausdehnung nicht in-situ erfasst werden können (Lausch et al., 2016).

Die Landesfläche Deutschlands ist zu etwa 30 % mit Wald bedeckt. Die Ausdehnung der Wälder ist gut dokumentiert und lässt sich auch aus frei verfügbaren Daten mit hoher räumlicher Genauigkeit ableiten. Neben Gesundheitszustand und Wuchs lassen sich aus Satelliten- oder Luftbildern zudem forstlich relevante Variablen abschätzen wie z.B.: Waldtypen und Baumarten, Baumhöhen, Bestandesdichten bzw. Anzahl Bäume pro Hektar (n/ha), Bestandesgrundflächen (m²) und Holz-Volumen (m³), Kohlenstoffvorrat.

Die Erkennung und räumliche Erfassung von Waldschäden sind zentrale Elemente des Waldmonitorings. Die Schäden sind vielfältig und werden etwa durch Insekten (Borkenkäfer), Feuer (Trockenheit & Hitze) oder Wind (Sturm & Orkan) verursacht. Um großflächig die Gesundheit der Vegetation zu beobachten und nach Sturmereignissen oder Schädlingsbefall einen schnellen Überblick über betroffene Waldflächen zu erhalten, kommt die Fernerkundung zum Einsatz.

Mehrere Studien zeigten bereits die Anwendbarkeit der Fernerkundung zur Erkennung von Windwurfflächen (Einzmann et al., 2017; Remelgado et al., 2014; Schwarz et al., 2003; Seitz und Straub, 2017; Steinmeier et al., 2002). Die verwendeten Daten umfassen dabei auch oft kommerzielle Radarsysteme und sehr hochauflösende optische Sensoren. Da diese Daten begrenzt und nicht immer verfügbar sind, ist die Verwendung offener Daten ein bevorzugter Ansatz für Waldbesitzer sowie für Institutionen und Organisationen, aber auch für die Forschung, Bildung und Lehre. Somit sind frei verfügbare Fernerkundungsdaten mit großer räumlicher Abdeckung nützlich und notwendig für die Waldbeobachtung wie z.B. zur Erfassung von Windwurfgebieten.