Ziel dieser Hausarbeit ist die Ermittlung des pH-Wertes in Tagebauseen über Satellitenbildauswertung. Es soll untersucht werden, ob es möglich ist über Analyseverfahren der Fernerkundung verwertbare Aussagen über das Vorhandensein von bergbaubedingten Kontaminationen zu treffen, um dadurch eine Effizienzsteigerung bei der Erfassung dieser Kontaminationen herbeizuführen.
In diesem Zusammenhang sollen in einem ersten Schritt die durch den Bergbau indizierten Prozesse ausfindig gemacht werden, welche typischerweise mit der Kontamination der Umwelt in Verbindung gebracht werden. Weiterhin sollen in dieser Arbeit Verfahren der Fernerkundung vorgestellt werden, welche zur Detektion von bergbaubedingten Kontaminationen geeignet sind. Diese Verfahren sollen unter Verwendung von Fernerkundungsdaten der Stentinel-2-Mission Aufschluss darüber geben, ob die Kontamination mit einem niedrigen pH-Wert in Tagebaurestlöchern (TRL) der Bergbaufolgelandschaft Lausitzer Seenland detektierbar ist.
Diese Arbeit ist in zwei Bereiche unterteilt. Im ersten Bereich werden die theoretischen Grundlagen gelegt, auf denen sich im zweiten Bereich, der praktischen Umsetzung, gestützt wird. Der erste Bereich gliedert sich dabei in drei Kapitel. Das erste Kapitel beschäftigt sich mit den bergbaulichen Prozessen, die für eine Kontamination verantwortlich gemacht werden. Dabei wird durch den Vergleich von Bergbauunglücken mit besonders stark verunreinigten Bergbaustandorten und wissenschaftlichen Arbeiten welche sich mit dem Monitoring von Umweltschädigungen beschäftigen geklärt, welche Bodenparameter häufig für eine Kontamination verantwortlich gemacht werden.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
1.1 Aufgabenstellung
1.2 Gliederung der Arbeit
2. Bergbaubedingte Geochemische Prozesse
2.1 Veränderung der Landschaftsmorphologie
2.2 Veränderung des Wasserhaushalts
2.3 Veränderung des Stoffhaushalts
2.4 Einfluss von Schwermetallen
2.4.1 Wechselwirkung Schwermetalle-Böden
2.4.2 Wechselwirkung Schwermetalle-Pflanzen
2.5 Einfluss des pH-Wertes
2.5.1 Bildung eines niedrigen pH-Wertes
2.5.2 Auswirkung des pH-Wertes auf den ökologischen Kreislauf
2.6 Eisenverbindungen
2.7 Zusammenfassung
3. Sentinel-Satellitenprogramm
3.1 Copernicus-Programm
3.2 Sentinel-2
3.2.1 Sentinel-2-Mission
3.2.2 Satelliteneigenschaften
3.2.3 Sensoreigenschaften
3.2.4 Bereitstellungsstände
3.2.5 Atmosphärische Korrektur
4. Verfahren
4.1 Indexbildung
4.1.1 Green Leaf Index
4.1.2 Anthocyanin Reflectance Index 2
4.1.3 Modified Normalized Water Index
4.2 Spektrale Analysemethoden
4.2.1 Spectral Angle Mapper Classification
4.2.2 Spectral Information Divergence
4.3 Zusammenfassung
5. Ermittlung des pH-Wertes von TRL über Sentinel-2-Daten
5.1 Untersuchungszeitraum
5.2 Untersuchungszeitraum
5.3 Vorverarbeitung der Sentinel-2 Images
5.4 Ermittlung des pH-Wertes in TRL über Detektion von Eisenverbindungen
5.4.1 Erstellung einer Gewässermaske
5.4.2 Vorbemerkung
5.4.3 Detektion von Jarosit mittels SAM
5.4.4 Detektion von Schwertmannit mittels SAM
5.4.5 Detektion von Ferrihydrit mittels SAM
5.4.6 Detektion von Jarosit mittels SID
5.4.7 Detektion von Schwertmannit mittels SID
5.4.8 Detektion von Ferrihydrit mittels SID
5.4.9 Zusammenfassung
5.5 Ermittlung des pH-Wertes von TRL über Pflanzen um TRL
5.5.1 Vorbereitung
5.5.2 Untersuchung der Beprobungsstellen mittels GLI
5.5.3 Untersuchung des Außenbereichs der TRL mittels Change Detection
5.5.4 Zusammenfassung
5.6 Ermittlung des pH-Wert von TRL über Algen
5.6.1 Vorbereitung
5.6.2 Untersuchung von im TRL lebenden Algen mittels ARI2
5.6.3 Zusammenfassung
5.7 Zusammenstellung der Ergebnisse
6. Diskussion
6.1 Zusammenhang von pH-Wert und Jarosit, Schwertmannit bzw. Ferrihydrit
6.2 Zusammenhang von pH-Wert und Entwicklung von Pflanzen um TRL
6.3 Zusammenhang von pH-Wert und Algen im TRL
7. Eignung von Sentinel-2 zur Ermittlung des pH-Wertes von TRL
7.1 Spektrale Auflösung
7.2 Geometrische Auflösung
7.3 Zeitliche Auflösung
7.4 Zusammenfassung
8. Ausblick
Zielsetzung und Themen
Diese Arbeit untersucht, inwieweit Daten der Sentinel-2-Mission des Copernicus-Programms dazu geeignet sind, bergbaubedingte Kontaminationen in Tagebaurestlöchern (TRL) des Lausitzer Seenlands zu detektieren. Ziel ist es, ein indirektes Monitoring-Verfahren zu entwickeln, das den pH-Wert der TRL über Wechselwirkungen mit Eisenverbindungen, dem Pflanzenwachstum am Ufer und dem Algenverhalten im Wasser bestimmt.
- Indirekte pH-Wert-Bestimmung mittels Fernerkundung
- Analyse von spektralen Signaturen von Eisenmineralen (Jarosit, Schwertmannit, Ferrihydrit)
- Einsatz von Vegetationsindizes (GLI, ARI2) zur Stresserkennung
- Bewertung der Eignung von Sentinel-2-Daten und Analyseverfahren (SAM, SID)
Auszug aus dem Buch
2.4.2 Wechselwirkung Schwermetalle-Pflanzen
Die Wirkung von Schwermetallen auf Pflanzen kann ganz unterschiedlich ausfallen. Während manche Pflanzen unter dem Einfluss von bestimmten Schwermetallen wachsen, stagniert das Wachstum anderer Arten und wieder andere gehen unter erhöhter Schwermetallbelastung ein. Eine Besonderheit ist jedoch, dass die toleranten Pflanzen unter Schwermetallbelastung langsamer wachsen als nicht belastete Artgenossen (vgl. Wild, 1995). Außerdem wurde durch (Vernay, et al., 2007) nachgewiesen, dass die Produktion von Chlorophyll unter Schwermetallbelastung abnimmt. Dies wird in Abbildung 1 verdeutlicht. Darin ist zu erkennen, dass die spektrale Kurve einer grünen (chlorophyllhaltigen) Pflanze unter der Belastung mit Schwermetallen eine verminderte Reflektivität im Bereich von 550 nm (visuelles Grün) aufweist, was durch das Fehlen von Chlorophyll hindeutet. Dieser Sachverhalt kann genutzt werden, um die Belastung von Schwermetallen über spektrale Analyseverfahren indirekt zu bestimmen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Einführung in die Bedeutung des Bergbaus und die Problematik von Bodenkontaminationen sowie die Zielsetzung der Arbeit.
2. Bergbaubedingte Geochemische Prozesse: Analyse der Ursachen von Umweltveränderungen durch den Bergbau, insbesondere bezüglich Landschaft, Wasserhaushalt und pH-Wert.
3. Sentinel-Satellitenprogramm: Überblick über das Copernicus-Programm und die technischen Eigenschaften der Sentinel-2-Mission.
4. Verfahren: Vorstellung der verwendeten Methoden wie Indexbildung (GLI, ARI2, MNWI) und Spektralanalyse (SAM, SID).
5. Ermittlung des pH-Wertes von TRL über Sentinel-2-Daten: Praktische Anwendung der entwickelten Methoden zur Bestimmung des pH-Wertes in den untersuchten Tagebaurestlöchern.
6. Diskussion: Kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen und Vergleich mit literaturbasierten Grenzwerten.
7. Eignung von Sentinel-2 zur Ermittlung des pH-Wertes von TRL: Bewertung der technischen Voraussetzungen und Limitationen des Sentinel-2-Systems für die geplante Überwachungsaufgabe.
8. Ausblick: Vorschläge für weiterführende Untersuchungen und Optimierungen der Analysemethoden.
Schlüsselwörter
Sentinel-2, Bergbau, Tagebaurestloch, Kontaminationsmonitoring, pH-Wert, Fernerkundung, Spektralanalyse, SAM, SID, Eisenverbindungen, Vegetation, Algen, GLI, ARI2, Wasserqualität
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Forschungsarbeit?
Die Arbeit untersucht das Potenzial von Sentinel-2-Satellitendaten, bergbaubedingte Gewässerkontaminationen in ehemaligen Tagebaugebieten (Lausitzer Seenland) mittels Fernerkundung zu identifizieren.
Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?
Die zentralen Felder umfassen bergbaubedingte geochemische Prozesse, das Sentinel-2-Satellitenprogramm, Methoden der Indexbildung und spektrale Analysemethoden sowie deren Anwendung auf Umweltparameter.
Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?
Das Hauptziel ist herauszufinden, ob Sentinel-2-Daten in Kombination mit speziellen Analyseverfahren ausreichen, um den pH-Wert in Tagebaurestlöchern zuverlässig zu identifizieren, ohne dass flächendeckende Vor-Ort-Proben erforderlich sind.
Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?
Es kommen vor allem bildgebende Spektralverfahren zum Einsatz: der Spectral Angle Mapper (SAM) und Spectral Information Divergence (SID) zur Identifikation von Mineralen, sowie diverse Vegetationsindizes.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der praktischen Umsetzung: der Erstellung von Gewässermasken, der Detektion von Eisenmineralen, der Analyse von Pflanzenvitalität an Uferbereichen und der Untersuchung von Algenpopulationen als Bioindikatoren.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die wichtigsten Schlagworte sind Sentinel-2, Bergbaukontamination, pH-Wert, Spektralanalyse, TRL, Fernerkundung und Umweltmonitoring.
Welchen Einfluss haben Eisenverbindungen auf die pH-Wert-Detektion?
Die Arbeit zeigt, dass bestimmte Eisenverbindungen wie Jarosit spezifische spektrale Fingerabdrücke hinterlassen, die bei einem niedrigen pH-Wert in TRL nachweisbar sind.
Warum spielt die Vegetationsperiode eine Rolle für die Ergebnisse?
Die Untersuchung geht davon aus, dass stressbedingte Veränderungen im Chlorophyllgehalt der Ufervegetation, die auf einen niedrigen pH-Wert zurückzuführen sind, am besten während der aktiven Wachstumsphase mittels Vegetationsindizes detektierbar sind.
- Quote paper
- Tobias Haupt (Author), 2019, Kontaminationsmonitoring von Bergbaurückständen. Ermittlung des pH-Wertes in Tagebauseen über Satellitenbildauswertung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1171363
