Aus der Vogelperspektive

Fernerkundung besitzt großes Potential für die Biodiversitätsforschung

21.12.2016 | von Redaktion Pflanzenforschung.de

Die Qualität der Daten hängt von vier Variablen ab. Der räumlichen, spektralen, zeitlichen und radiometrischen Auflösung. (Bildquelle: © Rmatt/wikimedia.org; CC BY 3.0)
Die Qualität der Daten hängt von vier Variablen ab. Der räumlichen, spektralen, zeitlichen und radiometrischen Auflösung. (Bildquelle: © Rmatt/wikimedia.org; CC BY 3.0)

Neben der klassischen Freilanduntersuchung bietet die Erkundung aus Luft und Weltraum eine wachsende Zahl an Möglichkeiten bei der Biodiversitätsforschung. Ein Forscherteam veröffentlichte nun eine Übersichtsstudie zum aktuellen Stand von Fernerkundungstechnologien.

Manches wird durch einen entfernten Blick erst sichtbar. Bestimmte Folgen des Klimawandels, wie der Verlust an Biodiversität, werden aus der Vogelperspektive besonders deutlich. Aus diesem Grund nutzen Forscher seit rund 30 Jahren neben der klassischen Freilanduntersuchung auch verschiedene Methoden der luft- und weltraumgestützten Fernerkundung. Diese sind in der Lage quantitative und qualitative Aussagen über den Zustand der Biodiversität auf dem Boden zu geben. Sie haben den Vorteil, dass sie über die betrachtete Fläche vergleichsweise kostengünstig, vor allem aber wiederholbar sind und damit vergleichbare Daten liefern.

Vier Variablen bestimmen die Qualität

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Satelliten, die mit spektralen Sensoren ausgestattet sind, können dabei helfen, Pflanzenarten anhand ihres spezifischen Gehalts an biochemischen Merkmalen, wie Chlorophyll-, Cellulose- oder Wassergehalt, zu unterscheiden und zu erfassen.

Bildquelle: © Human Physical Geography/wikimedia.org; CC BY 4.0

Die Qualität der Daten hängt von vier Variablen ab. Der räumlichen, spektralen, zeitlichen und radiometrischen Auflösung. Die räumliche Auflösung gibt die Fläche eines Pixels auf der Erdoberfläche an. Hochauflösende satellitengestützte Systeme schaffen bisher Auflösungen von bis zu einem Meter. Damit lässt sich zwar nicht das Nummernschild an Autos, noch dazu senkrecht stehend, wie in Agentenfilmen, aber Details von Objekten sehr gut erfassen. Mit der spektralen Auflösung wird die Anzahl der Spektralkanäle eines Sensors charakterisiert. Dadurch lassen sich Signaturunterschiede der verschiedenen Oberflächenarten, aber auch des Bewuchses erfassen. Die Zeitdauer zwischen zwei Überflügen ein und desselben Gebietes wird durch die zeitliche Auflösung eines Fernerkundungssystems angegeben. Die radiometrische Auflösung, als vierte Variable, gibt die Anzahl der unterscheidbaren Grautonstufen eines Sensors an. Die meisten Fernerkundungssysteme quantifizieren die aufgenommenen Daten in 8 oder 12 Bit.

Ein internationales Forscherteam, unter der Leitung von Wissenschaftlern des Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung in Leipzig, veröffentlichte nun eine Übersichtsstudie über die verschiedenen Ansätze der Fernerkundung zur Biodiversitätsforschung in der Fachzeitschrift "Ecological Indicators". Zur Vergleichbarkeit der Ansätze nutzten die Wissenschaftler in ihrer Studie drei Aspekte der Biodiversität. Zur Erinnerung: Biodiversität ist eine Synonym für die biologische Vielfalt. Darunter versteht man die Vielfalt des Lebens auf der Erde. Sie integriert die genetischen Vielfalt, die Artenvielfalt und die Vielfalt der Ökosysteme. Um die Biodiversität zu erfassen, konzentrierten sich die Forscher in ihre Untersuchung dementsprechend auf die taxonomische, die strukturelle und die funktionelle Vielfalt, also der Einbindung in ein Ökosystem.

Sensorik richtet sich nach der Fragestellung

Die verschiedenen Ansätze der Fernerkundung mit optischen Sensoren sowie thermischen und Radar-Sensoren, sind je nach Fragestellung unterschiedlich gut geeignet, um Schlüsselparameter zu messen. Radar-Sensoren haben den Vorteil, dass sie auch bei Bewölkung und in der Nacht brauchbare Ergebnisse liefern können. Vielfach kommen diese Sensoren in unterschiedlichen Kombinationen zum Einsatz.

Mithilfe von Satellitenaufnahmen kann beispielsweise das Vorkommen einer zu untersuchenden Pflanzenart anhand ihrer Wuchsform, Blattform, Blattgeometrie oder der Erscheinungsform – Phänologie in Abhängigkeit der Witterung, des Klima oder der Jahreszeit, aber auch der Blütenfarbe – bestimmt werden und das über große Flächen und im zeitlichen Verlauf. Darüber hinaus können Satelliten, die mit spektralen Sensoren ausgestattet sind, dabei helfen, Pflanzenarten oder Pflanzengesellschaften anhand ihres spezifischen Gehalts an biochemischen Merkmalen wie Chlorophyll-, Cellulose- oder Wassergehalt zu unterscheiden und zu erfassen.

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Radarsensoren haben den Vorteil, dass sie auch bei Bewölkung und in der Nacht brauchbare Ergebnisse liefern können.

Radarsensoren haben den Vorteil, dass sie auch bei Bewölkung und in der Nacht brauchbare Ergebnisse liefern können.

Bildquelle: © NASA/JPL/wikimedia.org; CC0

Hyperspektralsatellit startet 2018

Mit dem geplanten Start des deutschen Hyperspektralsatelliten EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Program) im Jahr 2018 verbinden die Wissenschaftler große Hoffnungen. Bilddaten mit besonders hoher spektraler Auflösung sollen durch dieses System möglich werden. Noch sehr viel mehr biochemische Parameter, etwa Stickstoff- oder Phosphatgehalte oder der Blattwassergehalt können mit diesem System erfasst werden.

Ergänzt werden diese durch Satellitenprojekte anderer Länder, die mit anderen optischen Sensoren bestückte werden. Dazu zählt zum Beispiel die Satelliten-Projekte, PRISMA aus Italien, HISUI in Japan oder HYPXIM-P in Frankreich. Sie alle stehen in den Startlöchern. Ein Novum stellt die Kombination aus der Abdeckung des sichtbaren und nahen Infrarotspektrums, kurzwelliger Infrarotstrahlung (SWIR) und thermischen Sensoren dar. Diese Kombination wird im HyspIRI-Satelliten der NASA verbaut und soll voraussichtlich 2020 an den Start gehen. Auch im Bereich der Laser-Sensorik, die dreidimensionale Modelle zur Berechnung der Vegetation erstellt, plant die NASA ein Projekt.

Das Eine geht nicht ohne das Andere

Ohne Untersuchungen vor Ort, bei denen Proben gesammelt, Arten und Pflanzengesellschaften erfasst und ökosystemare Zusammenhänge bestimmt werden, geht es künftig trotzdem nicht. Sie stellen zwar im Gegensatz zur Fernerkundung immer nur einen lokal und zeitlich begrenzten Ausschnitt dar und sind zudem aufwendig, aber sie liefern entscheidende Informationen, die mit Fernerkundung nicht erfasst werden kann. Dazu gehören unter anderem die ökologische Potenz (Toleranz gegenüber der Schwankungsbreite eines Umweltfaktors), das Stressverhalten und die Anpassungsfähigkeit von Arten und Pflanzengemeinschaften. Vor allem aber sind diese Arbeiten am Boden vorerst unersetzlich, um die Fernerkundungsdaten auszuwerten und sinnvoll zu interpretieren.

Stolpersteine der Biodiversitätsforschung

In der praktischen Umsetzung bei der Biodiversitätsmessung gibt es jedoch noch einige Stolpersteine. Dazu gehört etwa, dass es weltweit nach wie vor kaum einheitliche Standards gibt, mit denen Biodiversitätsdaten erfasst werden. Ein wichtiger Schritt auf diesem Weg ist die Entwicklung der sogenannten „Essentiellen Biodiversitätsvariablen“ (EBV), an deren Erstellung auch die Leipziger Forscher beteiligt sind.

Die Beobachtung der Biodiversität ist wichtig

Warum aber ist Biodiversität und Information über ihren Zustand wichtig? Für den Menschen ist eine breit gefächerte Artenvielfalt eine der wichtigsten Lebensgrundlagen. Eine umfangreiche Biodiversität ist aber auch für die Sicherstellung einer ausgewogenen und vielfältigen Ernährung notwendig. Der Verlust der Artenvielfalt steigert auch die Zahl gefährlicher Krankheitserreger. Weniger Vielfalt bedeutet hier mehr, da wichtige Gegenspieler verloren gehen und neue Nischen von den Krankheitserregern und Schädlingen besetzt werden können. Die Biodiversität trägt zum Gleichgewicht der Ökosysteme bei. Luft, Wasser, aber auch der Boden werden sauber gehalten.

Zwar ist eine sich wandelnde Biodiversität im evolutionären Sinne nichts Besonderes, jedoch verschwinden Arten derzeit 114-Mal schneller von der Erde als das natürlicherweise der Fall wäre. Schuld daran ist der Mensch. Wenn sich das Massenaussterben in dieser Geschwindigkeit fortsetzt, bräuchte die Erde viele Millionen Jahre, um sich zu regenerieren. Auch deshalb sind Daten wichtig, die den Status quo aufzeichnen, Prozesse innerhalb der Ökosysteme untersuchen und mögliche Änderungen als auch Störungen aufspüren und Hinweise geben, wie diese Systeme stabilisiert werden können.

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