Die Bedeutung der Fernerkundung in der Forstwirtschaft

Inhalt

Einleitung

1. Spektraleigenschaften der Vegetation
Visible Region (0,4 - 0,7 mm)
Near-Infrared Region (0,7 - 1,3 mm)
Shortwave-Infrared Region (1,3 – 2,5 mm)

2. Vegetationsindizes
2.1 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)

3. relevante Aufnahmesensorik in der Forstwirtschaft
3.1 passive Aufnahmesysteme
3.2 aktive Aufnahmesysteme
3.2.1 RADAR (Radio Detecting and Ranging)
3.2.1.1 SAR (Synthetic Aperture Radar)
3.2.1.2 CARABAS
3.2.2 LIDAR (Light Detection and Range)

4. Anwendungsbeispiele der Fernerkundung in der Forstwirtschaft
4.1 TopoSys –LIDAR
4.2 CARABAS

5. Zusammenfassung

6. Literatur

Anhang

Einleitung

Wälder sind das dominante `Biome` der Erde und haben einen enormen Einfluss auf die Ökonomie und auf das Wohl der Umwelt. Knapp ein Drittel der Erdoberfläche (3.6 Mrd. ha) sind von Wäldern bedeckt, einige unter ständiger Kontrolle und Management. In einigen Regionen der Welt ist die Ressourcengewinnung aus Wäldern wesentlicher Bestandteil der Lebensgemeinschaft und der Wirtschaft. Über die Hälfte der Weltbevölkerung sind abhängig von Holz als Energiequelle; etwa 80% des abgeholzten Waldes dient den Entwicklungsländern als primäre Energiequelle. „Forests are also a major store of carbon, regulator of climate and water flow, habitat for wildlife, and reservoir of ecological and biological diversity“ (Leckie & Ranson1998: 457).

Vorhandene Waldbestände dienen als grundlegende Informationen für forstwirtschaftliche Entscheidungen. Inventuren der Waldzusammensetzung, Informationen über Dichte, Höhe, Alter, Volumen und Produktivität des Forstbestandes sowie Kartierungen des Waldes nach Unwettern, Feuer, Insektenbefall, Abholzung und Umweltveränderungen dienen als nationale und regionale Planungsgrundlage für forstwirtschaftliche Tätigkeiten (Sader et al. 2003: 341).

Die Fernerkundung bietet dabei die Möglichkeit die Anforderungen der Forstwirtschaft, Inventur, Kartierung, Management und Planung, zu unterstützen. Innerhalb dieser Hausarbeit mit dem Thema „Die Bedeutung der Fernerkundung in der Forstwirtschaft“ soll im wesentlichen ein Überblick über die verwendete Aufnahmesensorik (Kap.4), von den passiven Aufnahmesystemen über die aktive Aufnahmesensorik, sowie deren Anwendungsgebiete innerhalb der forstwirtschaftlichen Tätigkeiten (Kap.5) gegeben werden. Für das Verständnis der Aufnahmesysteme sind einleitend die Spektraleigenschaften der Vegetation (Kap.2) vorangestellt. Mit dem Wissen über die Reflexions-, Absorptions- und Transmissionseigenschaften der Vegetation, wird im anschliessenden Kapitel auf forstwirtschaftlich relevante und auch für spezielle Aufnahmesysteme wesentliche Vegetationsindizes (NDVI; Kap.3) eingegangen.

Nachdem in den Kapiteln „relevante Aufnahmesensorik in der Forstwirtschaft“ (4) und „forstwirtschaftliche Anwendungen der Fernerkundung“ (5) die Bedeutung und Anwendungsgebiete der Fernerkundung („Remote Sensing“) untersucht werden, sollen abschliessend die Ergebnisse zusammengetragen und auf eventuell zukünftige Trends in der Fernerkundung für die Forstwirtschaft (Kap.6) hingewiesen werden.

1. Spektraleigenschaften der Vegetation

Für die Beobachtung und Evaluation der terrestrischen Umgebung mittels Fernerkundungstechniken bedarf es einer Beurteilung der Spektraleigenschaften der Vegetation. Grundlegende Informationen über die elektromagnetische Strahlung, dem elektromagnetischen Spektrum sowie der atmosphärischen Fenster werden im weiteren Verlauf als Vorraussetzung betrachtet. Deshalb wird hier nur ein kurzer Überblick als Wiederholung vorangestellt.

„Die Gesamtheit der bei der elektromagnetischen Strahlung vorkommenden Wellenlängen wird im elektromagnetischen Spektrum dargestellt“ (Albertz 2001: 11). An dem kleinen Ausschnitt des sichtbaren Lichts (0,4-0,7 mm) schließen sich die kürzeren Wellenlängen des Ultravioletts, der Röntgenstrahlung, der Gammastrahlung sowie der kosmischen Strahlung an. Auf der längerwelligen Seite folgt auf das sichtbare Licht die Infrarot-Strahlung (1-7 mm), das nahe Infrarot, das mittlere und das ferne Infrarot (Thermalstrahlung) sowie die Mikro- und die Radiowellen. In Abbildung 1 sind die Wellenlängenbereiche sowie einige Messsysteme zur Daten-Aufnahme dargestellt, welches die Fernerkundung nutzt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Das elektromagnetische Spektrum und die Bereiche verschiedener Sensoren (Albertz 2001: 11)

Welche Eigenschaften die Vegetation auf die elektromagnetische Strahlung besitzt, soll im folgenden aufgezeigt und wesentliche Merkmale der Reflexions-, Absorptions- und Transmissionscharakteristika herausgearbeitet werden.

Gründe, warum die spezifischen Spektraleigenschaften der Vegetation, in diesem Falle des Waldes, von Interesse sind, sind vielfältig. Das Verständnis über die Form des reflektierten Signals und welche Faktoren die Reflektion des Waldes in unterschiedlichen Spektralbereichen determinieren sind zu untersuchen. Das Simulieren des saisonalen Verlaufes von Reflexion als auch „management (thinning) and damage (defoliation, decoloration) effects on reflectance to be able to detect and map the changed and damaged areas and estimate the rate of damage” (Nilson et al. 2003: 535).

Außerdem können quantitative Beziehungen zwischen Fernerkundungsdaten und variierenden Waldeigenschaften ermittelt werden. So zum Beispiel können Rückschlüsse auf Waldbestände, Vitalitätsindizes sowie auf ökologische und biochemische Faktoren gewonnen werden.

Grundlegende optische Eigenschaften der Refraktion, Absorption und Reflexion können im wesentliche auf Blätter (leaves) angewendet werden. Auftreffende Strahlung auf Blattoberflächen werden reflektiert, absorbiert oder transmittiert. „Leaf optical properties are a function of leaf structure, water content and concentration of biochemicals“ (Kneubühler 2002: 18).

Reflexion der Blattoberfläche ist eine Kombination von diffuser und direkter Reflexion. Diese Rückstreueigenschaften sind stark abhängig von physiologischen Zustand der Blattoberfläche. Abbildung 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Blattstruktur und den Verlauf eines eintreffenden Lichtstrahls.

[Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]Die Ausbreitung des Lichtes innerhalb der Blattes ist abhängig von der Blattmorphologie. Homogene Strukturen des Mesophyllls mit einigen interzellularen Lufträumen zeigen sich für die Diffusion im Blatt verantwortlich. „Absorption of electromagnetic radiation is mainly caused by pigments occuring in the vacuoles and chloroplasts of green leaves“ (Kneubühler 2002: 19).

Abb.2: Weg des Lichts in der Blattstruktur

Die Moleküle, welche das Licht im Spektrum kürzerer Wellenlängen ( 0,4-1 mm) absorbieren, sind die Pigmente des Chlorophylls a und b, Carotenoide und braune Pigmente.

Elektromagnetische Strahlung welche weder reflektiert noch absorbiert werden, durchdringen die Blattstruktur als diffuses Licht. „Transmittance [it is of diffuse character] of a leaf is therefore determined by leaf morphology, leaf thickness and the amount of leaf pigments“ (Ustin et al.1999: 19).

Mit dem Wissen über die optischen Eigenschaften der Blattstruktur kann der Umfang des elektromagnetischen Spektrums durch die klassischen Spektralregionen (visible region, near-infrared region und shortwave-infrared region) der Wellenlängen 0,4 – 2,5 mm zunächst eingegrenzt werden (Abb.3;S.4).

Visible Region (0,4 - 0,7 mm)

Das sichtbare Spektrum der elektromagnetischen Strahlung ist durch eine starke Absorption durch das Chlorophyll und durch die Carotenoide charakterisiert. Alle Pigmente zeigen Maxima der Absorption bei 0,43 mm und 0,65 mm. Der Reflexionspeak nahe 0,5 mm ist auf die geringere Absorption der Carotenoide zurückzuführen.

Über 0,67 mm sinkt die Chlorophyllabsorption rapide. Rückstreuprozesse innerhalb der Blattstruktur zeigen ein Ansteigen der Reflexion zwischen 0,67-0,78 mm, auch bekannt als das „red-edge“ des Vegetationsspektrums (Nilson et al. 2003: 536).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: typisch spektrale Reaktionseigenschaften der grünen Vegetation

(http://www.rsuni.geo.ucsb.edu/rscc/vol2/lec2/2_2.html)

Near-Infrared Region (0,7 - 1,3 mm)

Der steile Anstieg des Reflexionsgrades von grünen Pflanzen bei 0,7 mm (Abb. 3), also am Übergang des sichtbaren Lichts zur infraroten Strahlung, hängt eng mit der Wasserversorgung der Pflanzen und anderen Vitalitätsfaktoren zusammen. Diese Faktoren unterliegen vielfältigen Variationen und sind insbesondere zum Erkennen von Schädigungen und Stresssituationen nützlich (NDVI; Kap.3).

Die Absorption von Vegetation ist im nahen Infrarot gering. Einfallende Strahlung durchdringt die Blattstruktur wesentlich tiefer. Die daraus resultierende Erhöhung der Reflektion und Transmission der Strahlung wird durch die interne Blattstruktur determiniert. „During plant development, the most important changes in near-infrared reflectance appear during maturation and senescence (Kneubühler 2002: 21).

Shortwave-Infrared Region (1,3 – 2,5 mm)

Strahlungseigenschaften der Vegetation im kurzwelligen Infrarot sind im wesentlichen Abhängig vom Wassergehalt und anderen biochemischen Komponenten der Pflanze. Die Hauptabsorptionsbanden des Wassers liegen dabei bei 1,45 mm, 1,9 mm und 2,5 mm (Albertz 2001: 14). Dehydrierung, also die Abnahme des Wassergehalts der Pflanze, erhöht somit die Reflexion und Transmission in der Region des kurzwelligen Infrarots.

Die Informationen über die Spektraleigenschaften dienen als Grundlage zum Verständnis der Eigenschaften des gesamten Vegetationsbewuchses, sind jedoch für die Beschreibung von Reflexionscharakteristika des Vegetationsdaches durch die Fernerkundung nicht ausreichend. Hierfür sind die optischen Eigenschaften des Stammes, der Äste, strukturelle Eigenschaften der Vegetationsdecke sowie der Einfallswinkel der Strahlung hinsichtlich der Reflexion heranzuziehen (Ustin et al. 1999: 198). Für diese Daten ist der Einsatz der Fernerkundung nicht mehr wegzudenken. Nach Kneubühler (2002) kann die Reflexionseigenschaft der Vegetation durch folgenden Zusammenhang beschrieben werden:

P canopy = f ( Geometry, Structure, Biochemistry, Geochemistry )

Der erste Parameter beschreibt die Geometrie zwischen Sonne, Oberfläche und dem Observer. Das beinhaltet den Einfluss des Einfallswinkels der Strahlung von Sonne und Sensor. Die Struktur beinhaltet das Bedeckungsmaterial sowie die Architektur der Vegetation, wie z.B. Art, Vegetationshöhe und der Blattflächenindex (LAI). Die Parameter zur Bestimmung der Reflexionscharakteristika, die Abschätzung der Vegetationsgeometrie und die Ermittlung des Vitalitätszustandes der Vegetation (NDVI) bilden dabei einige Aufgabenbereiche der Fernerkundung für forstwirtschaftliche Fragestellungen.

2. Vegetationsindizes

2.1 Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)

Die spektrale Signatur gesunder Vegetation zeigt einen sprunghaften Anstieg des Reflexionsgrades bei 0,7 µm, während unbewachsener Boden je nach Art einen stetigen, geradlinigen Verlauf aufweist. Je aktiver das Chlorophyll der Pflanzen ist, desto größer ist der Anstieg des Reflexionsgrades im nahen Infrarot (0,78 - 1 µm). Neben der Unterscheidung der Vegetation von anderen Objekten lässt sich somit die Stärke (und Vitalität) der Vegetation folgern. Diesen Umstand nutzt man bei der Berechnung des NDVI. Der NDVI ergibt sich allgemein aus:

NDVIallg = NIR - Rot / NIR + Rot

Eine Normierung führt dazu, dass nur Werte zwischen -1 und +1 vorkommen können, wobei +1 die gesunde und -1 die erkrankte Vegetation repräsentiert (Albertz 2001: 219). Im Bereich des Rot wird einfallende Sonnenstrahlung weitgehend durch die im Mesophyll der Blätter enthaltenen Pigmente, vor allem durch das Chlorophyll, absorbiert. Im nahen Infrarot dagegen wird der Großteil der auftreffenden Strahlung vom Blattgewebe reflektiert. Der NDVI bildet ein Maß für die photosynthetische Aktivität und ist stark mit Dichte und Vitalität der Vegetationsdecke korreliert. „The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) has been extensively used for vegetation modelling, crop yield assessment and drought detection“ (Chen 2004: 3145). Verschiedene Aufnahmesysteme (Landsat, NOAA-AVHRR; Kap.4.1) nutzen diese spezifischen Reflexionscharakteristika der Vegetation im roten und infraroten Spektralbereich, um Aussagen zur Vitalität (Stress, Wasserinhalt etc.) zu treffen. In Abbildung 4 sind die Reflexionseigenschaften eines Baumes in unterschiedlichen Vitalitätszuständen dargestellt. Dabei zeichnet sich der gesunde Baum durch einen hohen Reflexionsgrad im nahen Infrarot aus (50%), was in einem hohen NDVI (0,72) mündet. Die verfärbte Vegetation (Stress, Alter, Vitalität) reflektiert einen wesentlich größeren Anteil des sichtbaren Spektrums im roten Bereich sowie einen geringen Anteil im nahen Infrarot. Aus der Ratiobildung von reflektierter Strahlung im roten sichtbaren Bereich und dem nahen Infrarot errechnet sich die `Vitalitätszahl` des NDVI.

Der relative geringe Wert von 0,14 könnte auf saisonale Schwankungen der Vegetation, Stresssituationen durch Wassermangel (Dürre) oder Erkrankungen hinweisen. Diese Interpretationsansätze werden in der Forstwirtschaft zur Unterscheidung von gesunder und gestresster (erkrankter) Vegetation angewandt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Beispiel zur Ermittlung des NDVI

(http://earthobservatory.nasa.gov/Library/MeasuringVegetation/measuring_vegetation_2/ndvi_example.jpg )

1.1 Leaf Area Index (LAI)

Der Leaf Area Index sowie die Produktivität der Vegetation (Net Primary Production) werden durch die Fernerkundung gewonnenen Ergebnisse des NDVI abgeschätzt. Cheng & Zhao (1990) entwickelten einen empirischen Zusammenhang zwischen dem NDVI und dem NPP für das chinesische Landwirtschaftsministerium, indem gemessene NPP (Trainingsgebiete) mit NDVI – Daten des AVHRR – Sensors kombiniert wurden,

NPP = A (1 – ln (1 – b * NDVI),

wobei A und b empirische Parameter von 33 Vegetationsflächen darstellen.

„Leaf area index (LAI) is defined as the assimilative leaf area relative to the projected ground area for a plant community” (Kneubühler 2002: 24). Aufgrund seiner Definition, beinhaltet der LAI nur die grünen oder die toten Blätter.

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