Gekoppelte Analyse des Chlorophyll- und Wassergehaltes von Vegetation mit Hilfe hyperspektraler, bidirektionaler Fernerkundung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Forschungsprojekt „Gekoppelte Analyse des Chlorophyll- und Wassergehaltes von Vegetation mit Hilfe hyperspektraler, bidirektionaler Fernerkundung (ALADIN)“ beschäftigte sich mit der Ableitung der vertikalen Verteilung von Vegetationsparametern aus hyperspektralen, multiangularen Fernerkundungsdaten für C3 (Weizen) und C4 (Mais) Pflanzen. Ein wesentliches Ziel dabei war die Integration der dabei gewonnen Erkenntnisse in ein gekoppeltes Landoberflächenmodell, um eine verbesserte Abschätzung der räumlich verteilten photosynthetischen Kapazität von C3 und C4 Pflanzen zu erreichen. Intensive Messkampagnen während der Vegetationsperioden der Jahre 2004 und 2005 trugen dazu bei eine umfangreiche Datenbank anzulegen. Durch die detaillierte Analyse der umfangreichen Messdaten konnte die Erkenntnis abgeleitet werden, dass eine gekoppelte Analyse des Chlorophyll- und Wassergehaltes von landwirtschaftlichen Nutzpflanzen in der gemäßigten Klimazone des Testgebietes in Süddeutschland, wo die Wasserversorgung keinen einschränkenden Faktor darstellt, nicht möglich ist. Beide Parameter zeigen keine signifikante Korrelation, wobei davon auszugehen ist, dass dieses Ergebnis nicht auf Trockengebiete übertragbar ist. Für die fernerkundungsgestützte Erfassung des Chlorophyllgehaltes stellte sich heraus, dass eine ausschließliche Abschätzung des Chlorophyllgehaltes eines Bestandes aus top-ofcanopy Daten für die oberste Vegetationsschicht die tatsächlichen Verhältnisse nur ungenügend beschreibt. Der Chlorophyllgehalt variiert vielmehr stark in seiner vertikalen Verteilung, wie aus den Geländemessungen deutlich hervorgeht. Die Ableitung des vertikal differenzierten Chlorophyllgehaltes aus Winkelbildern war nicht für alle Aufnahmewinkel mit der gleichen Genauigkeit möglich. Es zeigte sich eine deutliche Abhängigkeit des Ergebnisses von der Sonne-Sensor-Geometrie, sowie von der Anisotropie der beobachteten Bestände. Dementsprechend stellten sich die +36 ° Aufnahmen, die durch geringe Bidirektionalität gekennzeichnet sind, als besonders geeignet für die Erfassung des Chlorophyllgehaltes tiefer liegender Bestandesschichten heraus, während für die Chlorophyllanalyse der besonnten, oben gelegenen Blattschichten der klassische Nadir-Ansatz gute Ergebnisse liefern konnte. Bei der Ableitung des Wassergehaltes von Vegetation ergab die Anwendung der iterativen Bestimmung des optisch aktiven Wasserfilms sowie des Photochemical Reflectance Index (PRI) hohe Korrelationen mit dem gemessenen Wassergehalt der Bestände sowie der Blätter von Weizen. Die beobachteten Maisbestände zeigten einen ganzjährig hohen und wenig variablen Wassergehalt, der die Notwendigkeit dessen Ableitung mit Hilfe von Fernerkundung nicht zwingend erfordert. Unter gegebenen klimatischen Bedingungen kann der Wassergehalt von Mais als konstant angenommen werden. Die Integration der Fernerkundungsergebnisse in ein biophysikalisch basiertes Pflanzenwachstumsmodell konnte durch einen laufzeitparallelen Import der aus Fernerkundungsdaten abgeleiteten Absorptivität für photosynthetisch aktive Strahlung, unterschieden nach zwei Bestandesschichten, erreicht werden, wodurch die Abbildung räumlicher Heterogenitäten der photosynthetischen Aktivität im Modell signifikant verbessert wurde.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2004): Core site Gilching (Germany) - PI activities in 2003 and aims for 2004. In: Proc. of the Second Workshop "Chris/Proba", April 28-30 2004, ESA/ESRIN Frascati (Italy). Published on CD-Rom ISBN 92-9092-889-1
Oppelt, N.; Mauser, W., Efinger R., Klotz P.
- (2004): GVIS - Ground-Operated Visible/Near Infrared Imaging Spectrometer. Proceedings of the "Workshop Precision Farming" held 1.-2.06.2004 at Freising/Weihenstephan (Lehrstuhl für Pflanzenbau und -züchtung)
Klotz, P.; Oppelt, N.; Bach, H.; Mauser, W.
- (2006): Potential of the tractor mounted hyperspectral system GVIS for the monitoring of winter wheat – a field study in 2004. In: Proc. of the 8th International Conference on Precision Agriculture, July 23-26 2006, Minnesota (USA)
Oppelt, N.; Hank, T.; Mauser, W.
- (2006): Simulation of a winter wheat site using the physically based SVAT model WHNSIM. In: Proc. of the 8th International Conference on Precision Agriculture, July 23-26 2006, Minneapolis (USA)
Hank, T.; Oppelt, N.; Mauser, W.
- (2006): Three generations of the hyperspectral imaging spectrometer AVIS – expectations, applications, results. In: Proc. of SPIE conference “Europhotonics Europe”, Strasbourg (France), 02.04.-07.04.2006, Vol. 6189, CD-Rom publication ISBN 97-80819462459
Oppelt, N.; Mauser, W.
- (2006): Use of multi-angular CHRIS data for analysis of the vertical structure of biophysical variables. Proc. of 4th CHRIS/Proba Workshop in Frascati (Italy), September 19-21 2006, ESA/ESRIN EWSA Publication
Oppelt, N.; Mauser, W.
- (2007): Airborne Visible /Infrared Imaging Spectrometer AVIS: Design, Characterization and Calibration. In: Sensors, Vol. 7, pp.1934-1954
Oppelt, N.; Mauser, W.
- (2007): Assessment of vertical variation of chlorophyll using hyperspectral, multiangular imagery. In: Stafford, J. (Ed.): Precision Agriculture 07, Wageningen Academic Publishers. pp. 181-188
Oppelt, N.; Hank, T.; Mauser, W.
- (2007): Characterization of sun and shade chlorophyll in wheat using angular CHRIS/Proba data. Proc. of the Envisat Symposium, April 23-27 2007, Montreux (Switzerland). CD-Rom ESA Publication SP-636
Oppelt, N.; Mauser, W.
- (2007): Gonio-Exp06 - a field goniometer intercomparison campaign, in support of physical model inversion and upscaling methods for hyperspectral, multidirectional RS data. Proc. of the ESA ENVISAT Symposium 2007, April 23-27 2007, Montreux (Switzerland), CD-Rom ESA Publication SP-636
Schneider, T.; Schöpfer, J.; Oppelt, N., Dorigo, W., Vreeling, W., Gege, P.
- (2007): GVIS –ground based hyperspectral remote sensing. In: Proc of the 2nd International Symposium on Optics, Informatics and Cyber-Technology (OIC 2007). 8.–11. July 2007, Orlando/Florida. CD-ROM publication
Oppelt, N.; Hank, T.; Mauser, W.
- (2007): Modeling the Impact of Climate Change on the Phenological Development of Forest Trees in the Upper Danube Basin. In: Proceedings of "Managing Alpine Future", International Conference on Global Change, 15-17 October 2007, Innsbruck, Austria
Hank, T.; Mauser, W.
- (2007): Physically based modelling of photosynthetic processes. In: Stafford, J. (Ed.): Precision Agriculture 07, Wageningen Academic Publishers. pp. 165-172
Hank, T.; Oppelt, N.; Mauser, W.
- (2007): Towards a Comparison of Spaceborne and Ground-based Spectrodirectional Reflectance Data. Proc. of the ESA ENVISAT Symposium 2007, April 23-27 2007, Montreux (Switzerland), CD-Rom ESA Publication SP-636
Schopfer, J.; Huber, S., Odermatt, D. Schneider, T.; Oppelt, N. Dorigo, W., Koetz, B., Kneubuehler, M., Itten, K.
- (2008): Vergleichende Analyse modellierter Landoberflächenverdunstung für das Einzugsgebiet der Oberen Donau. Hochwasser, Wassermangel, Gewässerverschmutzung - Problemlösung mit modernen hydrologischen Methoden - Beiträge zum Tag der Hydrologie 2008, 27./28. März 2008 an der Leibnitz Universität Hannover, In: FGHW (Hrsg.): Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung, Heft 23: Tagungsband zum Tag der Hydrologie 2008
Hank, T.; Mauser, W.
