Teilprojekt (TP) 13

Projektnehmer: Dr. Heike Bach, VISTA Geowissenschaftliche Fernerkundung GmbH

TP-Titel: Erfassung von Bestandeszuständen durch Fernerkundung zur modellunterstützten Analyse aktueller Ertragsziele

TP Kurztitel: Modellunterstützte Analysen mit Fernerkundung

TP-Ziele: Einsatz von hyperspektralen Fernerkundungsdaten bzw. deren Kopplung mit Modellsimulationen für die Beschreibung von aktuellen Bestandeszuständen und Ertragszielen auf heterogene Flächen. Die Ergebnisse sollen als Entscheidungsgrundlage in der Maßnahmengestaltung bei Precision Farming dienen.

Stellung des TP im Verbund: Thematische Zusammenarbeit mit TP 4, 9, 10, 12, 14, 15, 22 und 23. Bereitstellung von Bestandesinformationen der Testschläge für die Projektpartner.

Kurze Vorhabensbeschreibung

Das Teilprojekt 13 wird die modellgestützte Analyse von Fernerkundungsdaten eines Abbildenden Spektrometers zur Erfassung von Bestandeszuständen auf den Pilotbetrieben des Verbundprojektes zum Ziel haben. Das Abbildende Spektrometer AVIS (Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer) wird mit multitemporalen Aufnahmen (ca. 4 Aufnahmen pro Vegetationsperiode) die Reflexionen der Bestände mit einer hohen räumlichen Auflösung (2 bis 4 m) erfassen. Des Weiteren werden Fernerkundungsdaten des hyperspektralen und multidirektionalen Sensors CHRIS durch die ESA bereitgestellt.

Alleine auf der Basis spektraler Messungen werden die Bestandsparameter abgeleitet. Dazu wird das Strahlungstransfermodell SCL, eine Weiterentwicklung von GeoSAIL (Verhoef & Bach, 2003), das die Reflexion eines Pflanzenbestandes simuliert, eingesetzt. Diese modellgestützte Analyse ermöglicht die quantitative Auswertung und regionale Übertragbarkeit der Ergebnisse. Vergleiche zwischen den modellierten Bestandsparametern und anderen Erfassungsmethoden zur Flächeninformation z.B. Yara- und Pendelsensor und den Ergebnissen der Nahsensorik werden gezogen. Zur Validierung werden Genauigkeitsanalysen durchgeführt, die die Felderhebungen in den Pilotbetrieben als Grundlage haben.

Im zweiten modellgestützten Schritt wird eine Analyse der Informationsgewinnung durch Kopplung der Fernerkundungsinformationen mit meteorologischen Daten, Bodeninformationssystemen und Wachstumsmodellen erarbeitet. Durch schrittweise Anpassung der Bestandesparameter (z.B. Blattfläche und Pflanzendichte) werden die modellierten Reflexionswerte für jedes Pixel an die wirklich gemessenen angepasst und damit eine kalibrierte räumliche Verteilung der Bestandesparameter als verfeinerte Modelleingabe ermittelt.

Die Ergebnisse werden der Ermittlung von aktuellen Ertragszielen der Teilflächen dienen und als Entscheidungsgrundlage in der Maßnahmengestaltung bei Precision Farming verwendet. Die ersten beiden Untersuchungsjahre sind der Methodenentwicklung vorbehalten. Eine Testanwendung und Übertragbarkeit auf ein größeres Gebiet wird im 3. Jahr erfolgen.

Status Quo

Mit dem abbildenden Spektrometer AVIS werden im Jahr 2005 drei Befliegungen durchgeführt. Diese werden zurzeit geplant. Das heißt, sie werden auf die Schlagauswahl für das Jahr 2005 und die gewünschte räumliche Auflösung in den beiden Untersuchungsgebieten angepasst.

Wimex wurde bereits 2004 und Groß Twülpstedt wird in diesen Tagen als ein CHRIS Testgebiet der ESA aufgenommen. Von Wimex liegen bereits CHRIS Satellitendaten von 2004 vor. Eine wolkenfreie Szene vom 9. September 2004 wurde sowohl radiometrisch als auch atmosphärisch korrigiert. Als Ergebnis werden spektrale Reflexionswerte erhalten, die die Absorptions- und Reflexionseigenschaften der Landoberfläche beschreiben. Da es sich bei CHRIS um einen multidirektionalen Sensor handelt, stehen Szenen in verschiedenen Aufnahmewinkeln zur Verfügung. Die geometrische Korrektur der Daten wurde bisher auf einigen der Winkelbilder vorgenommen. In der folgenden Abbildung wird die Nadir Szene gezeigt mit darüber gelegten Testschlägen für das Jahr 2005. Die Auswertung der Daten wird im kommenden Untersuchungszeitraum erfolgen.

Des Weiteren wird zurzeit die Entwicklung des Bestandesstrahlungsmodell SLC, welches ein modellgestütztes Verfahren zur Bestimmung von Bestandeszuständen aus hyperspektralen Daten ist, weiter entwickelt.

Wesentliche Fragestellungen:

· Ist der Einsatz von hyperspektralen Fernerkundungsdaten unter Nutzung von AVIS für Entscheidungen im Precision Farming geeignet?

· Wie genau sind fernerkundungsgestützten Modellsimulationen für die Beschreibung von aktuellen Bestandszuständen und Ertragszielen auf heterogenen Flächen?

· Sind die anhand der hyperspektralen Daten gewonnenen Ergebnisse mit den Ergebnissen des Yara- und Pendelsensor sowie der Nahsensorik vergleichbar?

· Welche Möglichkeiten bietet die modellgestützte Analyse der Fernerkundungsdaten in Hinblick auf den Pflanzenschutz?

· Sind die gewonnenen Ertragsdaten der Teilflächen auf ein größeres Gebiet übertragbar, so dass ein regional übertragbares Modellverfahren gewonnen wird?

Datum des Sachstandes: 08.04.2005