Ableitung von biophysikalischen Parametern aus fusionierten hochfrequenten fernerkundlichen Zeitserien

Projekttitel: ”Ableitung von biophysikalischen Parametern aus fusionierten hochfrequenten fernerkundlichen Zeitserien”

Assoziiertes Projekt: „Techs4TimeS“

Untersuchungsgebiet: Mecklenburg-Vorpommern

Schlagwörter: Biophysikalische Parameter,  Winterweizen, Mais, Datenfusion, Agrarmonitoring

Steigender Bevölkerungsdruck und der Klimawandel verschärfen die Fragen der Foodsecurity immer weiter. Insbesondere Entwicklungsländer mit ungenügender Agrarinfrastruktur leider verstärkt unter diesen Entwicklungen. Landwirtschaftliches Monitoring verspricht nicht nur die Produktivität zu steigern, sondern auch die Entwicklung spezifischer Lösungen für regionale Problemstellungen zu erleichtern. Die Modellierung von Biomasseentwicklung lässt auch Aussagen über den zu erwartenden Ernteertrag zu. Die Entwicklung eines effektiven Agrarmonitorings für unterschiedliche Regionen ist somit besonders wichtig. Die Erfassung von sich verändernden Flächen sowie das daran angepasste Agrarmonitorings erfordern genaue Kenntnisse über einzelne Parameter wie beispielsweise Biomasse oder Chlorophyllanteil.

Biophysikalische Parameter, wie der Anteil der von Pflanzen absorbierten photosynthetisch aktiven Strahlung (FAPAR), der Blattflächenanteil (LAI) oder der Chlorophyllanteil sind wichtige Parameter im Bereich des Agrarmonitoring. Diese Parameter stellen die Verbindung zwischen den aufgenommenen fernerkundlichen Daten und der physikalischen Beschaffenheit des Vegetationsbestandes dar. Mit diesem Parameter lässt sich die Vegetationsdynamik und –aktivität bestimmen. FAPAR und LAI nehmen vor allem in den Bereichen des landwirtschaftlichen Monitorings eine wichtige Rolle ein und sind wichtige Parameter zur Biomassebestimmung und Ernteertragskartierung.

FAPAR gehört zu den "Terrestrial Essential Climate Variables", die von der FAO festgelegt wurden und dient der systematischen Überwachung von Vegetationsaktivität und Photosynthese.

Diese Arbeit setzt sich den Vergleich unterschiedlicher Datenfusionsmethoden zur flächendeckenden Ableitung von biophysikalischen Parametern mit Hilfe der Fernerkundung zum Ziel. Sie beschäftigt sich mit der Frage, ob biophysikalische Parameter robust und mit einfachen statistischen Methoden unter der Verwendung von synthetischen (fusionierten) fernerkundlichen Daten abgeleitet werden können. Für diese methodische Arbeit sind vor allen ausreichend aufgelöste Datengrundlagen unerlässlich. Daher werden die entsprechenden Felduntersuchungen im DLR Kalibrations- und Validationstestfeld DEMMIN (Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Information Network) durchgeführt. Dieses Testfeld entstand durch eine Kooperation, die 1999/2000 zwischen dem DLR in Neustrelitz und der Interessengemeinschaft Demmin (IG-Demmin) geschlossen wurde, und soll „eine[r] wissenschaftliche[n] Anwendung der Fernerkundung für die Umwelt und Landwirtschaft“ dienen. DEMMIN gehört zu dem „Observatorium Nordostdeutsches Tiefland“ der „Terrestrial Environmental Observatories“ (TERENO). Das Testfeld befindet sich im nordostdeutschen Tiefland und liegt ca. 200 km nördlich von Berlin in der Gegend um die Stadt Demmin. Es ist ca. 30.000 ha groß und eignet sich aufgrund der hohen Standortheterogenität bei einer durchschnittlichen Schlaggröße von ca. 80 ha besonders für fernerkundliche Anwendungen.

In den Jahren 2014 und 2015 wurden Feldkampagnen auf Winterweizen und Mais durchgeführt. Hierbei wurden neben den biophysikalischen Parametern auch Vegetationshöhe, Phänologie und Bodenfeuchte mit erhoben. Darüber hinaus wurde der LAI durch destruktive Messungen bestimmt.

Die fernerkundliche Datengrundlage erstreckt sich sowohl über geometrisch hochaufgelöste Daten wie RapidEye, Landsat 8 und Spot, als auch auf grobaufgelöste Daten wie MODIS und Sentinel-3. Diese unterschiedlichen Daten sollen anhand verschiedener Datenfusionsmethoden miteinander verschnitten werden.

Ziel dieser Arbeit die die Entwicklung eines Datenfusionsframeworks, das in Bezug auf die Ableitung von biophysikalischen Parametern, Qualitätsaussagen über unterschiedliche Fusionsmethoden zulässt. 

Kooperationspartner:

Die Arbeit wird in Kooperation mit dem Projekt Techs4TimeS gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie durchgeführt. Eine enge Zusammenarbeit findet mit der Firma green spin UG sowie mit der Abteilung Nationales Bodenmanagement des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e.V. (DLR) in Neustrelitz statt.

Kontakt: Thorsten Dahms