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УДК 528.7 Frank Konopka
Öffentlich bestellter Vermessungsingenieur, Deutschland
MÖGLICHKEITEN DES EINSATZES VON INFRAROT LUFTBILDERN
1. Definition zu Infrarot
Die Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) besteht aus elektromagnetischen Wellen im Spektralbereich zwischen dem „sichtbaren Licht“ und der „langwelligen Mikrowellenstrahlung“. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von 780 nm bis 1mm. Tabelle 1 zeigt eine gängige Aufgliederung des infraroten Wellenlängenbereiches.
Bezeichnung Wellenlänge
„Nahinfrarot“ (near IR, NIR, IR-A)“: 0,7-1,4 p,m
“Kurzwelliges Infrarot” (short wavelength IR, SWIR,IR-B) 1,4-3 p,m
„Mittelwelliges Infrarot“ (mid wavelength IR, MWIR,IR-C auch: „Zwischen-IR“ (intermediate-IR, IIR) 3 - 8 цт
„Langwelliges Infrarot“ (long wavelength IR, LWIR,IR-C) 8 - 15 цт
„Ferninfrarot“ (FIR) 15- 1000 p,m; grenzt an die Terrahertzstrahlung
Tab 1: Aufgliederung des infraroten Wellenlängenbereiches
2. Reflexionseigenschaften des „Nahen Infrarot“
Im Gegensatz zur Satellitenfernerkundung ist mit Hilfe von Luftbildkameras nur „Nahes Infrarot“ abbildbar. Das fotografisch erfassbare Spektrum wird mit Infrarotbildern enorm erweitert. Abbildung 1 zeigt das erfassbare Spektrum mit einem Normalfarbfilm im Vergleich mit einem Infrarotfarbfilm.
Bedeutend für die Fernerkundung ist, dass sich die Reflexion von Vegetation im sichtbaren und im infraroten Bereich typisch abzeichnet. Abbildung 2 zeigt eine typische Reflexionskurve eines Blattes.
Es ist zu sehen, dass die Reflexionskurve im sichtbaren Bereich des Elektromagnetischen Spektrums durch die Pigmentabsorption geprägt ist. An markanten Bereichen des Spektrums wird durch diese Pigmente Energie für die Photosynthese absorbiert. Abbildung 3 zeigt hierzu die Absorptionsbanden verschiedener Blattpigmente.
Abb. 1: Vergleich des elektromagnetisch erfassbaren Spektrums mit einem Normalfarbfilm und einem Infrarotfarbfilm (HUSS 1984)
Im Bereich des Nahinfrarot wird die Reflexionskurve durch Menge und Zustand der Biomasse beeinflusst, wobei insbesondere die Zellstruktur von ausschlaggebender Bedeutung ist. Im mittleren Infrarot beeinflusst die Wasserabsorption die Reflexionskurve.
Es ist zu beachten, dass dieser Bereich fototechnisch nicht erfassbar ist. Für den Einsatz von Infrarot-Luftbildern relevant sind daher:
- Das Reflexionsverhalten durch die Pigmentabsorption, sowie
- Das Reflexionsverhalten der Biomasse.
Abb. 2: Typische spektrale Reflexionskurve von grünen Blattorganen (nach HOFFER und JOHANNSEN, 1969)
Chlorophyll • 0,36 - 0,44 0,60 - 0,70
Chlorophyll b 0,40 * 0,4 6 Q,60 - 0,69
Protochlnrpphyli 0,40 * 0,46
«- Carotin 0,Je - 0,51
Xanthophy11 0,40 - 0,31
Abb. 3.Absorptionsbanden verschiedener Blattpigmente (nach GATES, 1970)
Auf diesem Hintergrund haben auf den Verlauf der Reflexionskurve besonderen Einfluss:
- Die Art der Vegetation und
- Der Zustand der Vegetation
Abbildung 4 zeigt beispielhaft die spektrale Rückstrahlung verschiedener Baumarten, während Abbildung 5 auf den Unterschied der Reflexion bei verschiedenem Gesundheitszustand eingeht.
Die gegebenen Zusammenhänge erlauben es, insbesondere zur Erfassung verschiedener Vegetationszustände sowie auch zur Unterscheidung von Vegetation und unbelebter Materie den Bereich der Infrarotrückstrahlung für die Fernerkundung nutzbar zu machen.
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R in% ersch. Abb. 5: Spektrale Rückstrahlung
70 . u. gesunder und geschädigter Fichten
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60 ' 1 5
50- ^ Eiche
WELANDER E. (1953)
(nach KRITIKOS, 1983)
3. Nutzbarmachung durch die Fernerkundung
Im Bereich der Satellitenfemerkundung ist es möglich, durch verschiedene Kanäle und Kanalkombinationen relevante, spezifische Reflexionen abzubilden.
Abb. 6: Spektralkanäle von Landsat TM (nach: http://www.uni-muenster.de/GeoPalaeontologie/Geologie/Ferngis/fern_intro/index/satbild/original_in
tro.html)
Abb. 7: Spektralkanäle verschiedener Satelliten
So kann beispielsweise der klassische Satellit LANDSAT TM über je einen Kanal im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums „blau“, „grün“ und „rot“ und darüber hinaus je im „Nahen-“, „Mittleren-“ und „Fernen Infrarot“ die Signatur der Reflexion abbilden (Abb. 6). Abbildung 7 zeigt die Spektralkanäle weiterer gängiger Satelliten im Vergleich.
(nach:http://www.uni-kiel.de/ewf/geographie/forum/unterric/material/einf_fe/images/
spek_kanal_trans.gif)
Durch Verwendung der spektralen Reflexionssignaturen aus den einzelnen Kanälen und deren Kombinationen können relevante Informationen über Vegetationszustände abgeleitet werden. Als gängiges Beispiel sei die Berechnung des „Normalized Difference Vegetation Index“ (NDVI) genannt. Er ist besonders gut dafür geeignet, den Vegetationszustand darzustellen. Er berechnet sich aus den Signaturen der Rückstrahlung im Bereich des „Nahen Infrarot“ und des „Rot“ nach folgender Formel:
NDVI = (NIR - Rot) / (NIR + Rot)
Unter Verwendung der entsprechenden Kanäle des Wettersatelliten „NOAA-AVHRR“ ergibt die Signatur des NDVI beispielsweise sehr deutlich ein großflächiges Bild über den Entwicklungszustand der Vegetation (vgl. hierzu: http://www.uni-kiel.de/forum-erdkunde/hintergr/NDVI/ndvitext.html).
In bezug auf mögliche Kanalkombinationen und die entsprechende Berechnung verschiedener Indices ist die Luftbildfernerkundung aber gegenüber der Satellitenfernerkundung sehr eingeschränkt:
Zum einen war das Luftbild über sehr lange Zeit nur analog verfügbar, so dass eine pixelweise Berechnung von Indices nicht möglich war. Für den Einsatz an modernen photogrammetrischen, digitalen Auswertestationen ging man erst relativ spät dazu über, die hochaufgelösten Filme auch zu scannen.
Zum anderen kann ein Infrarotfarbfilm neben der Reflexion des „Sichtbaren Lichtes“ lediglich das „Nahe Infrarot“ abbilden. Er ist dem Satelliten in der Spektralen Auflösung weit unterlegen. Erst durch das Aufkommen moderner Luftbild-Digitalkameras ist nun erstmals auch die Berechnung von Indices wie z.B. dem NDVI bei der Luftbildauswertung denkbar:
So handelt es sich beispielsweise bei der VEXEL Ultracam um eine digitale 4 Kanal, Multispektral Luftbildkamera, bei der nach der Aufnahme durch entsprechende Kanalkombinationen sowohl Schwarzweissbilder, Farbbilder oder Infrarotfarbbilder generiert werden können.
Die Vorteile herkömmlicher Luftbildfernerkundung gegenüber der Satellitenfernerkundung liegen aber immer noch:
- Im relativ flexiblen Einsatz zur Bestimmung von Befliegungszeit und -ort,
- In der immer noch vergleichsweise hohen geometrischen Auflösung
- In der problemlosen etablierten photogrammetrischen Geometriedatenerfassung mit hoher Genauigkeit.
Durch den Einsatz der beschriebenen, modernen digitalen Luftbildsysteme
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- Entstehen im Vergleich zu diesen herkömmlichen analytischen Systemen erhebliche organisatorische Vorteile bei der Umsetzung der Befliegung,
- Können die Kosten deutlich reduziert werden,
- Können Bildfehler, wie z.B. eine schlechte Belichtung im Schattenbereich verbessert werden oder „hotspots“ eliminiert werden,
- Kann ebenfalls mit hoher geometrischer Auflösung aufgenommen werden,
- Entfallen die Kosten für teures Filmmaterial, indem die Daten auf handliche externe Festplatten geschrieben werden,
- Reduzieren sich die Flugkosten, weil die Kameras durch die geringe Größe bereits in einfachen Kleinflugzeugen eingesetzt werden können.
Um solche Luftbilddaten schließlich nutzbar zu machen
- Können die Bilder entzerrt werden und in Geografischen Informationssystemen (GIS) hinterlegt werden
- Können die Bilder über Geländemodelle „gezogen“ werden und die Landschaft dadurch simuliert und visualisiert werden
- Können die Bilddaten vom Experten unter Verwendung spezifischer Interpretationsschlüssel nach ursächlichen Zusammenhängen hin interpretiert werden
- Können die Bilder dreidimensional stereophotogrammetrisch ausgewertet
werden, wodurch hochgenaue Geometriedaten (z.B.: Topografie und
Vermessungsdaten) effektiv verfügbar gemacht werden.
Kombinationen und Ergänzungen dieser Nutzbarmachungen sind selbstverständlich möglich.
Bei der stereophotogrammetrischen Auswertung unterscheidet man heute analytische Auswertestationen, die rechnergestützt mit analogem Filmmaterial arbeiten und Digitalstationen, die digitales Bildmaterial verwenden.
Abbildung 8 zeigt beispielhaft eine analytische Auswertestation „SD2000“ von LH-Systems“ Bei einem solchen System werden 2 analoge Bilder verwendet, die über ein optisches System dem linken und rechten Auge des Operateurs zugeordnet werden. Durch Einblenden einer dreidimensional verstellbaren Messmarke (Hand-und Fußräder, oder 3D Maus) können für jeden dreidimensional sichtbaren Punkt die Bildkoordinaten abgegriffen werden. Die hierzu nötige Bildorientierung sowie die Übertragung in ein äußeres Koordinatenbezugssystem findet rechnergestützt statt.
Abb. 8: Analytische Auswertestation „SD 2000“ von LH Systems (ehemals Leica)
Bei einer digitalen photogrammetrischen Auswertestation wird mit digitalen Luftbildern gearbeitet. Die dreidimensionale Betrachtung findet nicht an einem optischen System, sondern am Bildschirm mit 3D Brille statt.
Auf eine Beschreibung des komplexen photogrammetrischen Auswertevorganges wird an dieser Stelle verzichtet, um den Rahmen der vorliegenden Darstellung nicht zu sprengen.
Die photogrammetrisch erfassten dreidimensionalen Messdaten können entweder direkt in ein CAD System oder in eine GIS Umgebung übertragen werden.
Moderne CAD Systeme ermöglichen eine realitätsnahe Simulation von dreidimensionalen Objekten (Stadtmodelle, Landschaftssimulation). Um virtuelle Realität zu simulieren, werden insbesondere „Imagedrape“ sowie „Licht- und Schatten Rendering“ (Raytrace) verwendet. Im ersten Fall werden im dreidimensionalen Computermodell Fotos lagegetreu und perspektivisch korrekt auf das dazugehörige Objekt „gezogen“. Im zweiten Fall werden die Lichtstrahlen von Sonne oder künstlicher Beleuchtung durch den virtuellen Raum verfolgt und die entsprechenden Schattenwürfe generiert. Hierbei können auch Tagesverläufe von Beleuchtung und Schattenwurf animiert werden.
GIS Systeme erfüllen den Zweck, eine Vielzahl von geografischen Daten in einer grafischen Benutzeroberfläche sichtbar zu machen. Photogrammetrisch erfasste dreidimensionale Daten (wie zum Beispiel die Delinierung von Grenzen) können hier ebenso integriert werden, wie entzerrte Luftbilder selbst. Abbildung 9 zeigt hierzu ein Beispiel.
Abb. 9:
Dreidimensionale GIS Daten, photogrammetrisch erfasst (http: //hvo .wr. usgs. gov/volunteer/gis/maunaloa-gis_large.j pg)
4. Praktische Anwendungen relevanter Themenbereiche
Um aus Luftbilddaten geometrische, vor allem auch dreidimensionale Daten abzuleiten, bedient man sich meistens der hochgenauen Stereophotogrammetrie. Bei Abstrichen an die Genauigkeit werden für einfache Anwendungen auch immer wieder Grenzlinien in entzerrten Orthobildern abgegriffen.
Um Luftbilddaten allerdings für eine tiefgründige inhaltliche Auswertung zugänglich zu machen, ist es nötig, themenspezifische Interpretationsschlüssel abzuleiten. Hierzu müssen alle für die zu interpretierende Thematik relevanten, luftbildsichtbaren Merkmale zusammengestellt werden. Diese, sich aus der aerialen Perspektive ergebenden, Merkmale werden mit den zu interpretierenden Merkmalen der terrestrischen Perspektive (am Boden) abgeglichen.
Hieraus werden schließlich Initialmerkmale herausgearbeitet, die von der aerialen Perspektive Rückschlüsse auf die zu interpretierenden, terrestrischen
Erscheinungsformen zulassen. Meist handelt es sich bei solchen Initialmerkmalen um Merkmalskombinationen. Zur Erstellung brauchbarer Interpretationsschlüssel bedarf es ausreichend Expertenwissen und fachliche Kompetenz für die zu interpretierenden Sachverhalte.
Mit Hilfe eines solchen verifizierten Interpretationsschlüssels kann schließlich
im Umkehrschluss aus Luftbildern auf terrestrische Situations- und
Zustandsbeschreibungen zurück geschlossen werden.
Im Folgenden werden Beispiele solcher Luftbildinterpretationsschlüssel
aufgezeigt. Es sind dies:
- Ein Interpretationsschlüssel für die Baumartenerkennung
- Ein Interpretationsschlüssel für die Waldzustandserfassung
- Ein Interpretationsschlüssel für die Bodenzustandserfassung
Die Interpretationsschlüssel sind in den Originalen jeweils mit Bildbeispielen der aerialen Perspektive unter Darstellung typischer Merkmalsausprägungen dargestellt.
Im vorliegenden Bericht folgen den dargestellten Interpretationsschlüsseln weitere Anwendungsbeispiele zum Einsatz von Farbinfrarotluftbildmaterial.
4.1 Interpretationsschlüssel für die Baumartenerkennung Abbildung 10 zeigt einen Interpretationsschlüssel, der unter Berücksichtigung der einfachen Gestaltmerkmale „Aufriss“ und „Umriss“ eine Interpretation von Baumarten aus dreidimensional betrachteten Luftbildern zulässt. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei geschultem Personal und grob bekannten Bestandesverhältnissen in vielfältigen zusammengestellten Auenwäldern beispielsweise Baumartenerkennungen mit einer Trefferquote von 80% interpretiert werden können. Die gängigen Hauptbaumarten werden unter einfachen Bestandesverhältnissen mit erheblich höherer Trefferwahrscheinlichkeit ermittelt (REIDELSTÜRZ, 1999b).
Abb. 10: Charakteristische Kronenformen der mitteleuropäischen Hauptbaumarten in
der Aufsicht (aus RHODY, 1983)
4.2 Interpretationsschlüssel für die Waldzustandserfassung In Abbildung 11 ist ein Ausschnitt aus einem Interpretationsschlüssel zu sehen, mit dessen Hilfe auf den Kronenzustand der Baumart Douglasie zu schließen ist.
Hierbei werden verschiedene Erscheinungstypen (A und B) unterschieden, die jeweils nach der terrestrisch eingestuften Zustandsstufe (Nadelverluststufen 0-4) untergliedert sind. Innerhalb jeder Zustandsstufe des Typs werden die Erscheinungsformen „Form“, „Grobstruktur“ und „Feinstruktur“ differenziert, wie sie in der EU - Richtlinie „Anwendungen der Fernerkundung zur Beurteilung des Gesundheitszustandes der Wälder“ (WALPHOT 1992) vorgegeben sind. Es handelt sich also um einen EU konformen Schlüssel zur aerialen
Baumkronenzustandsbeurteilung (REIDELSTÜRZ P. 1991).
Abb. 11: Ausschnitt aus einem Interpretationsschlüssel zur Ansprache des Kronenzustandes von Douglasie (nach REIDELSTÜRZ, 1991)
4.3 Interpretationsschlüssel für die Bodenzustandserfassung
Ein Interpretationsschlüssel zur Erfassung kleinräumiger Unterschiede der Bodenart anhand der aerialen Merkmale der darüber abreifenden Maispflanzen ist in Abbildung 12 dargestellt. Ausgehend von terrestrischen Stichproben, mit denen alle vorkommenden Bodenarten beschrieben wurden, konnten die luftbildsichtbaren Merkmale der darauf stockenden Maisbestände beschrieben und diesen Bodenzuständen zugeordnet werden. Daraus ergibt sich ein Interpretationsschlüssel, mit dem im Umkehrschluss aus den aerialen Merkmalen auf Bodenzustände zurück geschlossen werden kann. Auch hier wird nach 2 Erscheinungstypen (scharfrandig und diffus) unterschieden.
Anhand des Schlüssels konnten unterschiedliche Bodenzustände photogrammetrisch deliniert und in ein GIS System überführt werden.
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Laterpretatkmsschlüssel zur Erfassung kleinräumiger Unterschiede der Bodenart aus aerialen Merkmalen
| £ Struktur Farbe Bodenart
echarfrandige Erscheinung diffuse Erscheinung rot bis satt rosarot bindige, tiefgründige Böden
S1 _ MidüB, V /s-J Reihen (J übergreifend Dl flächig gitterartig , ' erscheinend ! / fein und zart wirkend
S2 1 j meist Kontakt ^ |} zur Nädibarreihe ß[| immer wieder unterbrochen D2 J „verwoben” zart wirkend f s’ . , . * gitterartige Struktur
S3 r,rj häufig Kontakt »1 tu r NachWxeihe D3 diffuser Übergang Jv\ „verweben“ n*bis rosarot meist bell oft im oberer Bereich weißt Flecken bindige Boden mit Obergang sb Sand
S4 iliL rundlich, ohne 1 js Kontakt aur (f?i Nachbarteihe dabei breit D4 , spilzbuchtig, jjj^ diffuser Übergang
S5 n Q deutlich n 5 «ngwhnilri 3 8 m Ränder unscharf teilweise punktartig aufgdöst roibis rosarot meist gelb vermischt auch TveiBlich oder grünlich möglich durchgängig sandig«.- Böden
S6 j | perlener tig D6 perlenartig # I mit diffusem ^ Rand
1! gelblich blaugrün aifsnahmsw rosa blaugran aus nah ms weise gelblich sandige Böden mit früh anstehendem Kies _ T steinige Böden und/oder steinger Untergrund
S7 ^ i fadenartig M D7 i. tadenartig |l mit diffusem Rand
Abb. 12: Interpretationsschlüssel zur Erfassung der Bodenart
4.4 Weitere Anwendungen unter Zuhilfenahme von Infrarot
Im Folgenden werden beispielhaft weitere Anwendungen gezeigt, um das Potenzial der Infrarotrückstrahlung im Bereich der Luftbildfemerkundung zu skizzieren.
So spielt die Luftbildfernerkundung vor allem
- Bei flächenhaften Inventuren eine große Rolle,
- Aber auch dort, wo es auf die Andersartigkeit der aerialen Perspektive ankommt.
Luftbildfernerkundung unter Zuhilfenahme von Infrarotaufnahmen ist besonders auch interessant
- In schwer zugänglichen Gebieten und/oder
- Weitläufigen Gebieten.
So beschreiben ACKERMANN, OHLHOFF, FUCHS und EVERS (1996) eine großflächige Erfassung von Bestandesverlichtungen und Bestandes-auflösungen mit Hilfe von Infrarot Luftbildern.. Dabei wird begründet, dass für das vorgesehen Ziel „die Informationen hierüber angesichts der Größe der in Frage kommenden Gebiete und im Hinblick auf die zu untersuchenden Faktoren terrestrisch nicht mit vertretbarem Aufwand erhoben werden können. Der Einsatz von Fernerkundungsmitteln ist erforderlich“.
Die Vorteile durch die Effizienz einer Luftbildauswertung bei einer großflächigen Erfassung werden damit deutlich:
„Vor allem Luftbilder eignen sich hierzu, da sie nicht nur großflächig und vergleichsweise schnelle und genaue Datengewinnung mit hoher Informationsdichte, sondern auch den Blick weit zurück ermöglichen. Umfangreiche Archivbestände an Luftbildmaterialien sind verfügbar, die in vielen Fällen Entwicklungen der letzten 40 bis 50 Jahre nachvollziehbar machen.“
Eine luftbildgestützte Forsteinrichtung beschreiben DUVENHORST und NIEHAUS-UEBEL (1996). Sie beschreiben, dass Fernerkundungsverfahren mit Feldaufnahmen sehr effektiv in der Forsteinrichtung eingesetzt werden können, wenn sie auch in der BRD bisher eine eher untergeordnete Rolle spielen. Beim vorgestellten Verfahren stehen dem Forsteinrichter „nach Abschluss der Luftbildinterpretation die Bestandesdaten sowie entsprechende Rohkarten (analog und digital) für die terrestrische Verifikation zur Verfügung. Die bisherigen Erfahrungen zeigen, dass durch den Einsatz des Verfahrens eine deutliche Erhöhung der Effektivität im Rahmen der Forsteinrichtung erreicht wird, wobei Waldverteilung und Strukturvielfalt entscheidende Einflussgrößen darstellen. Durchschnittlich betrug die Reduktion des Zeitaufwandes für die terrestrischen Aufnahmen des Forsteinrichters 50% gegenüber der rein terrestrischen Aufnahme.
LUCASCHEWSKI (1996) beschreibt eine Waldflächeninventur mit Luftbildkarten. Dabei sollen „die Waldfläche und die Waldverteilung [...] genauer ermittelt werden, als es durch das gewählte terrestrische Stichprobenraster möglich ist. Hierzu wurden die in Nordrhein-Westfalen flächendeckend vorliegenden Luftbildkarten genutzt.“
MAUSER H. (1996) verwendet Luftbilder als Planungsgrundlage für die Schutzwaldbehandlung. Er schreibt, dass „mit Hilfe von Luftbildern und analytischen Stereoauswertegeräten [...] flächendeckend detaillierte Informationen über Aufbau und Zustand von Schutzwäldern erhoben werden können. Die Analyse dieser Daten unter Einbeziehung eines Geländemodells, erlaubt die Beurteilung des Risikos von Naturgefahren und der Maßnahmendringlichkeit. Durch den Einsatz dieser modernen Technologien kann die Maßnahmenplanung mit höherer Qualität und Effizienz erfolgen.“
GROSS C.P. und REIDELSTURZ P. (1999) kartieren Waldentwicklungsphasen aus Color-Infrarot Luftbildern: „Wesentliche Kriterien zur Ausscheidung von
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Waldentwicklungsphasen können in Luftbildern angesprochen werden. Dazu gehört der Überschirmungsgrad, die Anzahl der Baumindividuen auf einer gegebenen Fläche, die Baumhöhe, horizontale und vertikale Bestandesstruktur. Voraussetzungen sind ein geeigneter Bildmaßstab und die Möglichkeit der dreidimensionalen Sichtweise. Von besonderem Vorteil ist die Verwendung von Color-Infrarot (CIR) Filmmaterial, da hier die Differenzierung der lebenden Vegetation durch die Abbildung der Rückstrahlung des Nahen Infrarotes besonders ausgeprägt ist (vgl. HILDEBRANDT 1996, GROSS C.P., MÜNCH D. und DUVENHORST J. (1993).“
Ebenso berichten GROSS C.P. und REIDELSTÜRZ P. (1999) über den Nutzen von CIR Luftbildern zur photogrammetrischen Auswertung innerhalb der Sukzessionsforschung in Buchenwäldern im Nationalpark Müritz.
Mit Hilfe von CIR Luftbildern wurde auch der Grün- und Freiflächenbestand der Stadt Berlin kartiert (ARMBRUSTER R. (2001)). Aufgrund der besonderen Eignung kamen hierfür CIR Luftbilder in den Maßstäben 1:4000 und 1:6000 zum Einsatz.
Mit Hilfe eines digitalen Orthophoto-Atlanten für das Gebiet des Biosphärenreservats Berchtesgaden (KIAS U, DEMEL W., FUNCK W., SCHÄFER D. RAUSCH E. (1988)) können Bereiche im Gelände wesentlich genauer identifiziert werden, als durch die Abgrenzungen der Biotop- und Nutzungstypenkartierung. „Mit geeigneten Plottern können die digitalen Orthophotos auch als Kartenhintergrund ausgegeben werden. Besonders gut eignen sich die digitalen Orthophotos als Digitalisiergrundlage. Abgrenzungen, die im Luftbild sichtbar sind, können direkt am Bildschirm nachverfolgt und digitalisiert werden. Die digitalen Orthophotos dienen auch als Grundlage für die Aktualisierung der Kartierung der Biotop- und Nutzungstypen. Bei der Verwendung von digitalen Orthophotos als Digitalisiergrundlage kann auf die zeitintensive photogrammetrische Geometrieerfassung, mit der die letzte Nachführungskartierung bearbeitet wurde, verzichtet werden“.
„Mit dem Flug 2003 handelt es sich um die fünfte Befliegung nach 1980, 1985, 1990 und 1997. Damit können die luftbildsichtbare Entwicklung des Nationalparks flächendeckend nachgewiesen werden.“
„Die Bilder dienen auch als wesentliche Grundlage für den Waldplan, der für die Pflegezone des Nationalparks erstellt wird. Sie werden auch zentrale Datengrundlage in der geplanten ökosystemaren Umweltbeobachtung sein.“
Nach der Wiedervereinigung haben alle neugebildeten Bundesländer beschlossen, flächendeckende Bildflüge für ihre jeweilige Landesfläche mit CIR-Bildmaterial im Aufnahmemaßstab 1:10000 durchführen zu lassen. Das Auswertungsziel bestand in digitalen Biotoptypenkarten. „Viele Basisdaten zur Umweltqualität waren in der ehemaligen DDR geheim gehalten worden und deshalb nicht sofort für Planungszwecke zugänglich. Hier spielt die Fernerkundung ihren Vorteil der effektiven großflächigen Datenerfassung aus“(KENNEWEG, 1996).
Nach der Erfahrung von UMWELTDATA (2006) werden CIR Luftbilder bevorzugt eingesetzt für Interpretationszwecke
- Im Bereich Forstwirtschaft für
- Schutzwaldinventuren
- Kronenzustandserhebungen
- Monitoring Systeme
- Grundlagenerhebungen für die Forsteinrichtung
- Im allgemeinen Bereich Vegetation für:
- Vegetationskartierungen
- Biotoptypenerhebungen
- Im Bereich der Landwirtschaft für:
- Anbaukontrollen
- Precision farming
Darüber hinaus wurden für einzelne Anwendungen Monitoring Systeme auf Basis von Luftbilderhebungen entwickelt und erfolgreich eingeführt. Insbesondere bei Monitoringaufgaben werden photogrammetrische Methoden eingesetzt im Zusammenhang mit:
- Schutzwaldmonitoring
- Waldbrandflächenerfassung
- Waldzustandserfassung
- Biotop- und Biotoptypenmonitoring
- Lawinenkartierung
- Monitoring von Wildbach- und Lawinenmonitoring
Uber den Nutzen großflächiger Waldzustandserfassungen mit CIR Bildmaterial berichtet auch REIDELSTÜRZ (1999).
GROSS (1997) veröffentlicht aus CIR Befliegungen abgeleitete Waldbestandsanalysen, Kronenkarten, Kronenzustandskarten und Kronenentwicklungskarten (Abb. 13).
Abb. 13: Ausschnitt einer Kronenentwicklungskarte
Bauch (2005) berichtet über den Einsatz von CIR Luftbildern für die Kartierung von Biotop- und Nutzungstypen im Nationalpark „Hohe Tauern“. Dabei werden die Vorteile des Einsatzes von CIR Luftbildern in einem groß angelegten Forschungsprojekt deutlich heraus gestellt:
„Im Zusammenhang mit dem EU Forschungsprojekt Namens „HABITALP“ sollen anhand einer international einheitlichen Datengrundlage Entwicklungen im Alpenraum vorhersagbar werden. Elf Schutzgebiete, davon acht Nationalparks aus fünf europäischen Ländern, haben sich zu einem einzigartigen Forschungsprojekt zusammengeschlossen. In dem von der EU finanzierten Projekt gilt es jene Instrumente zu schaffen, die es in Zukunft ermöglichen sollen, Entwicklungen in den Alpen einschätzen und vorhersagen zu können. Der Alpenraum ist riesig. Niemand, auch kein internationales Expertenteam, kann jeden km2 mit eigenen Augen begutachten, um den ökologischen Zustand oder Trends zu beurteilen. Die Forschung bedient sich daher Methoden, die einen größtmöglichen Überblick bei bestmöglicher Detailschärfe und einem finanzierbaren Rahmen erlauben: der Luftbildinterpretation.
Infrarot-Luftbilder werden als Grundlage für einen revolutionären Anspruch an die Wissenschaftler dienen:
Die Erstellung eines über den gesamten Alpenbogen anwendbaren, einheitlichen Klassifizierungsmodus zur Interpretation von Luftbildern. Das Ergebnis: exakt vergleichbare Daten zu den wichtigsten Parametern der einzelnen Landschaftsräume. Die Methoden der Luftbildinterpretation erlauben in Verbindung mit detaillierten Geländeerhebungen eine Vielzahl von Analysen. Gerade dort, wo Biotope sehr sensibel oder Eingriffe besonders wirksam sind. Aber nur wenn die Methoden, die für die Erhebung und die Dokumentation der entscheidenden messbaren und beschreibenden Informationen überall die gleichen sind, können Vergleiche gezogen werden. Diese erst lassen eindeutig erkennen, wie es um die Lebensräume bestellt ist und wohin sie sich entwickeln werden. Mit Hilfe dieses ehrgeizigen NationalparkProjektes werden Fragen, wie sich der Klimawandel auf die alpinen Hochlagen, der landwirtschaftliche Strukturwandel auf die Almregionen oder bauliche Maßnahmen auf die Natura 2000-Schutzgebiete tatsächlich auswirken, in Zukunft alpenweit beantwortet werden können.“
Im Bereich der Präzisionslandwirtschaft zeigen REIDELSTURZ P., JUNCKERSCHWING F., RECKNAGEL J. (2005) Möglichkeiten zum Einsatz von Farbinfrarotbildern zur Ableitung von Applikationskarten zur Modulation des Stickstoffs im Sinne der teilflächenspezifischen Ausbringung im Bereich der Präzisionslandwirtschaft.
Ebenfalls mit dem Bereich der Präzisionslandwirtschaft befasst sich das Verfahren „Loris ® Maps“ von Kemira Grow how (www.kemira-growhow.com). Hierbei werden Luftbilder in einer Flughöhe von 1 bis 7 km mit Infrarotfilm aufgenommen.
Entsprechend der bekannten Zusammenhänge in der Fernerkundung werden den Bereichen hoher Reflexionen des Infrarotes hohe Biomassen zugeordnet. Auf dieser Grundlage wird eine Biomassen - Verteilungskarte berechnet. Diese Verteilungskarte wird zu teilflächenspezifischen Düngungs- und Pflanzenschutzmaßnahmen herangezogen und dient der Erkennung von Differenzierungen innerhalb der Fläche.
4.5 Potenzielle Anwendungen unter Zuhilfenahme von Infrarot
Aus den gegebenen Zusammenhängen heraus kann unter Berücksichtigung der gezeigten praxistauglichen Beispiele zusammenfassend skizziert werden, für welche Anwendungen sich Luftbildinterpretationen unter Zuhilfenahme von Farbinfrarotfilmen eignen:
Potentielle Anwendungen sind überall dort gegeben,
- wo Vegetation flächig zu erfassen ist
- wo Vegetationszustände voneinander differenziert werden müssen
- wo Vegetation von Nichtvegetation einwandfrei abgegrenzt werden muss.
Typische Anwendungen sind dabei beispielsweise
- Flächenbilanzen,
- Kartografische Darstellungen oder
- Dreidimensionale Simulationen von:
- Unterschiedlichen Anbauarten und Anbausystemen,
- Abreife in landwirtschaftlichen Schlägen,
- Trocken- und Feuchtflächen, sowie -teilflächen
- Baumarten, oder Altersklassenverteilungen in schwer zugänglichen Gebieten
- Wald- und Vegetationszuständen
- Flächenversiegelung
- Baumkataster mit Einschätzung von Zustand und Disposition
- Und Ähnliches
Sowohl
- Als einmalige Zustandserfassung,
- In Zeitreihen, sowie auch
- Als Dauerbeobachtung einer Entwicklung (Monitoring).
5. Grenzen der Luftbildauswertung
Selbstverständlich stößt auch die Luftbildauswertung an Grenzen. Im folgenden werden diese Grenzen zusammenfassend skizziert:
- Bei der Luftbildauswertung handelt sich immer nur um eine Momentaufnahme. Zustände zu einem bestimmten Zeitpunkt werden dokumentiert.
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- Für die Auswertung langzeitiger Prozesse wie Bestandesentwicklungen werden wiederholte Momentaufnahmen benötigt.
- Von einer Zustandsbeschreibung aus der aerialen Perspektive ausgehend, ist eine eindeutige Ursachenzuweisung nicht immer möglich.
- Für eine erweiterte Ursachenanalyse kann es nötig werden, ergänzende Untersuchungen heranzuziehen.
- Zu klein abgebildete Objekte, wie beispielsweise Forstkulturen, können nicht immer eindeutig beurteilt werden, wenn sie zu schlecht abgebildet sind.
- Die unterschiedliche Perspektive lässt wegen Sichtverdeckungen nicht immer alle Auswertungen zu.
- Es gibt zeitliche und organisatorische Einschränkungen für die Befliegung.
- Die unterschiedliche Perspektive kann im Vergleich zur terrestrischen
Erfassung unterschiedliche Ergebnisse ergeben, ohne dass eines der beiden Ergebnisse „falsch“ sein muss. Es können möglicherweise Schwierigkeiten beim Abgleich mit Referenzwerten auftreten. Aus diesem Grund sind
Interpretationsschlüssel immer sehr sorgfältig zu erstellen und anhand terrestrischer Referenzwerte zu kontrollieren.
6. Zusammenfassung
In der vorliegenden Darstellung werden die Möglichkeiten des Einsatzes von Farbinfrarot - Luftbildern erörtert.
Dabei wird zunächst „Infrarot“ im Bereich des elektromagnetischen Spektrums definiert (1.). Es folgt die Darstellung der Signatur der Reflexion von Vegetation, wobei auf die Besonderheiten im infraroten Bereich besonders eingegangen wird (2). Daraus leiten sich die Reflexionseigenschaften ab, die für die Luftbildfernerkundung relevant sind. Hiervon ausgehend werden die Methoden skizziert, durch welche diese Infrarotreflexionen nutzbar gemacht werden können (3.). Es folgen Beispiele praktischer Anwendungen (4.), wobei zunächst auf die Erstellung unterschiedlicher Interpretationsschlüssel eingegangen wird (4.1.-4.3.). Beispielhaft werden dann weitere Anwendungen zusammen getragen (4.4.). Schließlich werden die potenziellen Anwendungen der Luftbildfernerkundung unter Zuhilfenahme von „Infrarot“ dargestellt (4.5.) und die Grenzen der Luftbildauswertung gezeigt (5).
Es zeigt sich, dass durch Einbeziehung des Nahen Infrarotes unter Verwendung von CIR Luftbildern sowohl das Absorptionsverhalten der Vegetation in den relevanten Wellenlängenbereichen des sichtbaren Lichtes durch die Photosynthese, als auch die durch die Biomasse bestimmte Reflexion im Nahen Infrarot berücksichtigt werden können. Daher eignen sich Farbinfrarotbilder besonders für Auswertungen, bei denen Vegetation untereinander unterschieden oder aber von „Nicht-Vegetation“ differenziert werden muss.
Bei Verwendung herkömmlicher analoger CIR Luftbilder ist der Aufwand groß, macht sich aber bei größeren Inventuren schnell bezahlt. Allerdings bestehen aufgrund des empfindlichen Filmmaterials hohe Anforderungen an den Umgang. Auch bestehen Einschränkungen bezügliche eines spontanen und flexiblen Einsatzes.
Durch Verwendung moderner digitaler Luftbildaufnahmesysteme können diese Einschränkungen stark reduziert werden. Das wirkt sich besonders auf flexiblere Einsatzmöglichkeiten aus. Auch können Normalfarbaufnahmen und Infrarotaufnahmen parallel durchgeführt und die Kosten stark reduziert werden. Auch kann die Bildqualität stark verbessert werden. Es wird nicht mit verderblichem Datenmaterial gearbeitet. Schließlich ist die Integration des „NDVI“ denkbar.
Es besteht weiterhin eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten, die bei bestimmten Anwendungen sowohl aus Sicht der Möglichkeiten der Datenerfassung, als auch aus Kostengründen konkurrenzlos sind. Auch besteht der große Vorteil der Dokumentation, der insbesondere bei später relevant werdenden Fragestellungen bedeutsam werden kann.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch den Einsatz von digitaler Photogrammetrie die Verwendung von Farbinfrarotfilmen im Zusammenhang mit landschaftsbezogenen Auswertungen für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen interessanter denn je ist.
Literaturverzeichnis
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ARMBRUSTER R. (2001): „Luftbildgestützte Kartierung von Grün- und Freiflächenbestand“;
BACKSTRÖM H. und WELANDER E. (1953): En undersökning av remissionsförmagan hos blad och barr av olika trädslag. Norrlands Skogsvardsförbunds Tidskrift 1953, S. 141.169
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Gewann, ITADA Arbeitsprogramm !!!: Abschlussbericht zum Projekt Nr. 02. ITADA-Sekretariat: 2 allée de Herrlisheim, F-68000 COLMAR, Tel.: 00333 09229550 Fax: 00333 89229559 eMail: [email protected] www.itada.org; 282 S.
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© Frank Konopka, 2006
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