Hyperspectral, bi-directional remote sensing for the coupled analysis of the chlorophyll and water content of plants
Final Report Abstract
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.
Publications
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(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.
