Earth Observation and Modelling

Verknüpfung von Vegetationsdaten und Fernerkundungsmethoden zur Erfolgskontrolle eines nachhaltigen Grünland-Managements

Systematische Erfolgskontrollen sind ein Stiefkind des Naturschutzes. Es fehlen auf Kontinuität und Großflächigkeit ausgelegte Monitoring-Konzepte zur regelmäßigen Kontrolle des Entwicklungsprozesses von Ökosystemen nach Umsetzung von Naturschutzmaßnahmen. Das beantragte Projekt soll einen Beitrag zur Schließung dieser Lücke leisten. Gegenstand des Vorhabens sind Grünland-Ökosysteme des Norddeutschen Tieflandes, die in den vergangenen Jahrzehnten einen dramatischen Flächen- und Funktionsverlust erfahren haben. Die Forschungsabteilungen „Earth Observation and Modelling“ und „Angewandte Ökologie“ der Christian-Albrechts-Universität Kiel haben sich in enger Zusammenarbeit mit der Stiftung Naturschutz Schleswig-Holstein zum Ziel gesetzt, durch komplexe Verknüpfung von Vegetations- mit Fernerkundungsdaten ein in der Naturschutzpraxis langfristig einsetzbares Instrument zur Erfolgskontrolle eines nachhaltigen Grünland-Managements zu entwickeln. Die Stiftung Naturschutz besitzt beziehungsweise verwaltet aktuell ca. 20.000 ha Grünland, das sich qualitativ in sog. „Wertgrünland“ (gesetzlich geschützte Biotope) und „Intensivgrünland“ differenzieren lässt. Letzteres kennzeichnet ehemals intensiv als Grünland oder Acker genutzte Ökokonto-Flächen, die im Rahmen von naturschutzrechtlichen Ersatzmaßnahmen einer ökologisch nachhaltigeren Nutzung zugeführt wurden. Von beiden Grünlandtypen liegen ältere, zu Beginn der Naturschutzmaßnahmen aufgenommene vegetationskundliche Daten vor, mit denen durch den Vergleich mit neu zu erhebenden Daten zeitlich differenzierte und den teilweise irreversiblen Systemveränderungen Rechnung tragende realistische Entwicklungs- (Sukzessions-) linien abgeleitet werden können. Sie sind die Grundlage für die Definition von in die Zukunft weisenden Entwicklungszielen und ein sich daran orientierendes Monitoring. Auf den für die Sukzessionsanalysen vorgesehenen Standorten erfolgt eine enge Abstimmung mit den Daten unterschiedlicher Methoden der Fernerkundung mit dem Ziel, bezüglich wertbestimmender Systemfunktionen (Biodiversität, Nährstoffrückhalt, Kohlenstoff-Speicherkapazität) aussagekräftige Indikatoren zu identifizieren. Die aus den Fernerkundungsdaten abgeleiteten Proxies sollen eine flächendeckende und kontinuierliche Bewertung des naturschutzfachlichen Entwicklungszustandes des Grünlandes erlauben, so dass eine Überprüfung des Zustandes am Boden nur noch im Bedarfsfall erfolgen muss. Dabei soll ein Schwerpunkt auf der Nutzung der Copernicus Daten liegen. Es soll aber keine Ausschließlichkeit in der Verwendung von Copernicus liegen, sondern andere satelliten-, flugzeug-, oder auch drohnengestützte Sensoren werden in die Analyse einbezogen und bei besserer Passung für ein fernerkundungsgestütztes Monitoring von Indikatoren diskutiert. Die Bewertung der in dem Projekt erprobten Methoden erfolgt unter Berücksichtigung der Aussagekraft der Ergebnisse, der praktischen Umsetzbarkeit innerhalb eines auf Dauer angelegten Monitoringkonzeptes und des Kosten/Nutzen-Verhältnisses vor dem Hintergrund der begrenzt für Monitoring zur Verfügung stehenden finanziellen Mittel. Methodisch neu ist dabei die modellhafte multifaktorielle Verknüpfung von Fernerkundungsdaten mit unterschiedlicher räumlicher und zeitlicher Aussagekraft für die Anwendung im nachhaltigen Umweltschutz von Grünland. Für die Durchführung der Arbeiten sind aktuell 11 Testgebiete vorgesehen, in denen umfangreiche ältere Daten vorliegen und nahezu alle Grünlandtypen des Nordwestdeutschen Tieflands mit unterschiedlicher Nutzungsgeschichte vertreten sind.

Die entwickelten Methoden werden in ein auf Dauer angelegtes Monitoring-Programm der Stiftung Naturschutz integriert. Kernpunkte dieses Programmes sind auf Fernerkundungsdaten basierende Auswertungsroutinen, stichprobenhafte Zustandserhebungen und Bewertung von Probeflächenkomplexen mit einer Kombination aus den im Vorhaben zu entwickelnden Methoden der Fernerkundung und Feldbotanik sowie gegebenenfalls einer Rekonstruktion des Ausgangszustandes mit älteren Fernerkundungsdaten von Flächen, in denen am Boden keine aussagefähigen Vegetations- und Standortsdaten erhoben wurden. Das geplante Forschungsvorhaben wird für das Monitoring aller potentiell in Deutschland zukünftig geplanten Maßnahmen/Programme im Grünland Modellcharakter haben. Die Umsetzung und kontinuierlich Nutzung des Konzeptes in der Stiftung Naturschutz ist gesichert. Eine Implementierung in den Naturschutzverwaltungen des Landes Schleswig-Holsteins und darüber hinaus wird potentiell möglich sein. 

Förderer: Deutsche Bundesstiftung Umwelt

Zeitraum: 1.09.2020 – 30.08.2023

Projektmitarbeiter: N.N.

Kooperationspartner:

Prof. Joachim Schrautzer (Angewandte Ökologie der CAU)
Stiftung Naturschutz Schleswig-Holstein

Links:

Deutsche Bundesstiftung Umwelt https://www.dbu.de/
AG Schrautzer https://www.ecosystems.uni-kiel.de/de/personen_angew_palaeo/persoenliche_homepage/jschrautzer
Stiftung Naturschutz https://www.stiftungsland.de/

Operationalisierung von DAS-Indikatoren mit Fernerkundungsdaten (DASIF)

Mit Methoden der Fernerkundung entwickeln wir in diesem Projekt operationelle Verfahren, mit denen das Umweltbundesamt analysieren kann, wie sich DAS-Indikatoren in Deutschland entwickeln.

Das Bundeskabinett beschloss 2008 die Deutsche Anpassungsstrategie an den Klimawandel (DAS). Sie enthält ein Mandat, Indikatoren zu entwickeln, die die zeitliche Entwicklung von (unterstützende) Maßnahmen zur Anpassung an den Klimawandel visualisieren und evaluieren können (Response-Indikatoren). Um zu zeigen und zu diskutieren, wie sich der Klimawandel in Deutschland auswirkt wurden in der DAS sog. Impact-Indikatoren entwickelt. Im November 2019 veröffentlichte das Umweltbundesamt (UBA) den aktuellen Monitoringbericht.

Um Response- und Impact-Indikatoren zu berechnen, benötigt das UBA geeignete Datengrundlagen. Die Datengrundlage basiert meist auf klassischen Messverfahren und ist für einige Indikatoren unzureichend. Satellitendaten können diese Datenlücken teilweise schließen. Allerdings müssen erst Verfahren (weiter-)entwickelt werden um aus Satellitendaten die Indikatoren berechnen zu können.

Solche Verfahren untersuchen und entwickeln wir im Projekt DASIF gemeinsam mit dem KMU Brockmann-Consult GmbH aus Hamburg. Die Personen, die im DAS-Monitoring arbeiten, beziehen wir in Workshops und Fachgesprächen eng in die Entwicklung der Verfahren ein, damit diese nach Projektende optimal genutzt werden können. Im Projekt betrachten wir fünf Indiaktoren genauer:

  • Vier ImpactIndikatoren von stehenden Gewässern: Eintritt der Frühjahrsblüte, Vorkommen von Blaualgen in Badegewässern, Wassertemperatur, Dauer der Eisbedeckung
  • Einen ResponseIndikator an Land: Dachbegrünung

 

Die ersten Wochen des Projekts beschäftigen sich intensiv mit den Datenlücken im DAS-Monitoring und den Bedarfen der Fachpersonen. Darauf aufbauend entwickeln wir für jeden Indikator Fallstudien, in denen wir verschiedene Algorithmen und Sensoren der Fernerkundung untersuchen. Die Ergebnisse werden intensiv validiert und daraufhin die Algorithmen gegebenenfalls verändert. In den Fallstudien untersuchen wir außerdem wie die pixelbasierten Ergebnisse am besten zusammengefasst werden, um dann die Indikatoren zu berechnen. Die am besten geeigneten Verfahren operationalisiert dann Brockmann-Consult. Darüber hinaus empfehlen wir am Ende des Projekts weitere Schritte, um DAS-relevante Fragestellungen mit Fernerkundungsdaten und –methoden zu bearbeiten. 

Nach Ende des Projekts kann das UBA die ausgewählten und operationalisierbaren Indikatoren mit Verfahren der Fernerkundung berechnen. So können wir besser erkennen, wie sich Impact-Indikatoren des Klimawandels in Seen entwickeln.

Förderer: Bundesministerium für Umwelt und nukleare Sicherheit / Umweltbundesamt (BMU/UBA)

FKZ: 3719481010

Zeitraum: 1.11.2019 – 31.1.2023

Teil-Projektleitung: Natascha Oppelt

Projektmitarbeiter: Katja Kuhwald

Kooperationspartner: Brockmann-Consult GmbH

Links:

https://www.umweltbundesamt.de/publikationen/monitoringbericht-2019

www.umweltbundesamt.de

www.brockmann-consult.de

 

Entwicklung einer ferngesteuerten Mess-Plattform zur Kalibrierung und Validierung optischer Fernerkundungsdaten im arktischen Meereis im Rahmen des internationalen arktischen Driftexperimentes MOSAiC

In den letzten Jahrzehnten wurde ein steter Rückgang von Eisfläche, -dicke und Bedeckungszeit in weiten Bereichen des sommerlichen arktischen Meereises beobachtet. Dessen direkte Kopplung mit Veränderungen der sommerlichen Albedo ist dabei unumstritten, aber noch unzureichend untersucht. Das Ziel des Projektes ist das Verständnis der raum-zeitlichen Dynamik von Schmelztümpeln im Feld zu vertiefen. Der Einsatz einer Schwimmplattform ist die einzige Möglichkeit flächenhafte Informationen zu generieren. Diese sind zur Kalibrierung/Validierung von fernerkundungsbasierten Anwendungen essentiell. Traditionell erfordert die Entwicklung von Fernerkundungsanwendungen in situ Daten. Ein durchwaten der Tümpel ist logistisch und zeitlich sehr aufwändig, mitunter gefährlich und zudem invasiv. Der Einsatz einer Schwimmplattform ermöglicht die Erhebung von flächenhaften Daten ohne Betreten. Der Einsatz während der Polarstern Expedition MOSAiC Begleit-Expedition auf dem schwedischen Eisbrecher ODEN sorgt für Ergebung von einzigartigen Daten zur Analyse von Schmelzprozessen während eines kompletten arktischen Sommers. Diese Daten dienen der Entwicklung von Anwendungen, die ein Monitoring während und unabhängig von Expeditionen ermöglichen.

Förderer:                  Prof. Dr. Werner Petersen Stiftung

Projektzeitraum:      10/2019 bis 10/2020

Koordination:            Prof. N. Oppelt

Projektmitarbeiter:   Felix Linhardt

 

Links:

MOSAiC  www.mosaic-observatory.org

Petersen Stiftung:  :www.petersen-stiftung.de