Analyse von Synthetik-Apertur-Radar- (SAR-) Aufnahmen trocken gefallener Wattgebiete

Diese Arbeiten gehen zurück auf Analysen von mehrfrequenten SAR-Aufnahmen, die während der beiden SIR-C/X-SAR-Kampagnen 1994 über der deutschen Nordseeküste aufgenommen worden waren. Daraus entstand 1998 die Diplomarbeit von Gerd Tanck, und später ein Technischer Report im Rahmen des DLR-Programms "Erstellung beispielhafter X-SAR Endprodukte". Seit 2008 wird im Rahmen des Teilprojektes 4 des deutschen Verbundprojektes "DeMarine Umwelt" untersucht, wie sich die Klassifizierungsmethode auf die Nutzung von Daten mehrerer Satelliten ausdehnen lässt.

Ein Teil des Deutschen Wattenmeeres, abgebildet vom Radarsensor des Europäischen Fernerkundungssatelliten ERS-1. Aus dem Meer aufgetauchte Wattgebiete erscheinen in dieser Aufnahme dunkler als das Meer und das Festland. Das Bild wurde am 26. März 1992, um 10:25 UTC, bei vollständig bewölktem Himmel aufgenommen

Zusammenfassung der Diplomarbeit von G. Tanck:

Die vorliegende Arbeit befaßt sich mit Radarsignaturen trockengefallener Wattgebiete, die vom SIR-C/X-SAR, einem Radar mit synthetischer Apertur, das auf dem amerikanischen Space-Shuttle flog, über dem schleswig-holsteinischen Wattenmeer bei Büsum aufgenommen wurden. Auf der Grundlage des physikalischen IEM-Radarrückstreumodells wurde ein Inversions-Verfahren zur Kartierung der statistischen Rauhigkeitsparameter rms-Höhe und Korrelationslänge von Wattgebieten auf der Basis multifrequenter Radarmessungen entwickelt. Dazu wurden in-situ-Messungen der für die Radarrückstreuung von Wattgebieten verantwortlichen Parameter Wassergehalt und Reliefstruktur durchgeführt. Die Messung der Reliefstruktur, für welche ein spezielles Gerät entwickelt und gebaut wurde, wurde bei gleichzeitigem Überflug des Satelliten ERS-2 durchgeführt, was einen Vergleich mit dem Radarrückstreuquerschnitt der untersuchten Gebiete ermöglichte. Unter Verwendung der gemessenen in-situ-Daten und einer umfangreichen Wattenmeer-Datenbank konnte gezeigt werden, daß sich mit der entwickelten Methode numerische Werte für die statistische Oberflächenrauhigkeit der Wattgebiete aus den Radaraufnahmen ableiten lassen, die gut mit den in der Datenbank enthaltenen und den in-situ-gemessenen Werten im Untersuchungsgebietes übereinstimmen. Auf diese Weise konnten Karten der statistischen Rauhigkeitsparameter erstellt werden, die Aufschluß über die lokalen Werte von Höhenvarianzen und Korrelationslängen der Wattoberfläche geben.

An Hand der Datenbank wurde die Möglichkeit einer Kartierung weiterer Zustandsgrößen von Wattgebieten auf der Grundlage der erstellten Rauhigkeitskarten geprüft. Die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen Oberflächenstruktur und Sedimentologie von Wattgebieten hat ergeben, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, aus der mit Hilfe des Radars bestimmbaren Oberflächenrauhigkeit zuverlässige Informationen über Wattenmeer-relevante Parameter wie z.B. die Sedimentcharakteristik oder den Wassergehalt des Wattbodens, zu gewinnen. Die Sedimenteigenschaften eines Wattgebietes hängen hauptsächlich von den in diesem Gebiet im raum-zeitlichen Mittel vorherrschenden hydrodynamischen Kräften ab. Die Form des lokalen Oberflächenreliefs von Wattgebieten wird dagegen von einer großen Anzahl unterschiedlicher Faktoren bestimmt, die nicht in direktem Zusammenhang mit diesen mittleren Kräften stehen. So ist die Größe und Ausrichtung von Rippelstrukturen von den aktuellen lokalen Strömungsverhältnissen abhängig, die wiederum von der lokalen Topographie und nicht zuletzt von den aktuellen Wetterbedingungen abhängig sind. Es hat sich außerdem gezeigt, daß auch Erosion und Bioturbation wichtige strukturbildende Prozesse sind, die wiederum von speziellen hydrodynamischen, sedimentologischen und biologischen Faktoren abhängen. Ein weiterer Faktor ist, daß sich mit Hilfe eines Radars nicht die tatsächliche Rauhigkeit des Mikroreliefs untersuchen läßt, son-dern nur die Rauhigkeit derjenigen Oberfläche, die vom Restwasser und den daraus hervorragenden Reliefteilen gebildet wird. Die Gestalt dieser Oberfläche ist extrem von der zum Aufnahmezeitpunkt eingetretenen Tiedephase abhängig.

Aus diesen Gründen ist es nach den bisherigen Erkenntnissen fragwürdig, ob mit Radarverfahren allein eine zuverlässige Kartierung sedimentologischer Parameter von Wattgebieten durchführbar ist. Eine sehr vielversprechende Möglichkeit dazu liegt jedoch in der Kombination von Radar- und optischen Sensoren. Es ist bekannt, daß mit optischen Fernerkundungssensoren zwar vereinzelt erfolgreiche Kartierungen sedimentologischer Größen des Wattenmeeres durchgeführt worden sind (Kleeberg, 1990), diese Verfahren jedoch nicht so zuverlässig sind, daß sie operationell eingesetzt werden könn-ten. In einer Kombination der beiden Verfahren können sich die Sensoren optimal ergänzen, und je-weils komplementäre Informationen über die beobachteten Flächen beisteuern. Während der optische Teil Daten über die spektrale Zusammensetzung der von den beobachteten Gebieten abgestrahlten elektromagnetischen Wellen, und damit Informationen über die Temperatur und die chemische Zusammensetzung des betrachteten Materials liefert, steuert das Radar Informationen über die geometrische Oberflächenbeschaffenheit bei. Da diese Oberflächenbeschaffenheit teilweise im Zusammenhang mit der Sedimentologie von Wattgebieten steht, stellt sie eine wertvolle Zusatzinformation dar, die in Kombination mit optischen Daten die Möglichkeit einer erfolgreichen Klassifikation von Wattgebie-ten stark vergrößern würde.

Wissenschaftliche und technische Arbeitsziele des Teilprojekts 4 von DeMarine Umwelt :

Das Wattenmeer an den Küsten der Niederlande, Deutschlands und Dänemarks ist das größte zusammenhängende Wattgebiet der Welt. Der Deutsche Teil ist durch die Nationalparke Niedersächisches, Hamburgisches, und Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer geschützt. Seine Überwachung – sowohl im überfluteten wie im trocken gefallenen Zustand - ist durch die EU Wasserrahmenrichtlinie, die EU FHH und Vogelschutz Richtlinien (Natura 2000) sowie das Trilaterale Monitoring und Assessment Programm TMAP auf Europäischer Ebene festgelegt. Das hier beantragte Teil-Projekt dient dazu, die aus diesen Richtlinien folgenden Berichtspflichten besser und effektiver erfüllen zu können.

Das hier vorgestellte Vorhaben hat zum Ziel, das Potenzial der Kombination von optischen multispektralen Satellitendaten (Landsat, ASTER, Rapid Eye) mit Radardaten (ENVISAT, TerraSAR-X und PALSAR) sowie in-situ Daten und vorhandener Hintergrundinformation (Habitate, DGM, …) zu untersuchen und ein synergistisches Klassifkationsverfahren für Wattenmeeroberflächen zu entwickeln.

Die spezifischen Ziele des Projektes sind:

• Optimierung des laufenden Wattenmeermonitorings

• Integration der Daten neuer und zukünftiger nationaler und internationaler Sensoren (TerraSAR-X, PALSAR, Rapid Eye, EnMap, Tandem-X) in die Verfahren zum Wattenmeermonitoring

• Anwendung entwickelter Klassifizierungsverfahren für optische Fernerkundungsdaten (Linear spektrale Entmischung) auf weitere Satellitendaten (unterschiedlicher räumlicher und spektraler Auflösung)

• Entwicklung eines synergistischen Klassifikationsverfahrens, um durch die Kombination von optischen und Radardaten mit vor Ort gewonnenen Messdaten und Hintergrundinformationen einen Mehrwert an Informationen und dadurch eine verbesserte Klassifikation zu erzielen (Habitatkartierung).

  • Erweiterung des Klassifikationsverfahrens um zusätzliche Eingangsinformationen bzgl. des Ökosystems (DEM, Wahrscheinlichkeitskarten)

  • Erweiterung des Klassifikationsverfahrungs um Informationen aus Radaraufnahmen über die Rauhigkeit der Wattoberfläche

• Aufbau eines pre-operationellen Services für das Niedersächsische, Hamburgische, und Schleswig-Holsteinische Wattenmeer

Die Arbeiten in diesem Projekt sollen in enger Abstimmung mit den Nutzern durchgeführt werden. Die in einer „Hauptanwendergruppe“ zusammen gefassten Nutzer begleiten und bewerten das Projekt:

• Landesamt für Natur und Umwelt, Schleswig-Holstein (LANU)

• Niedersächsischer Landesbetrieb für Wasserwirtschaft, Küsten- und Naturschutz (NLWKN)

• Nationalparkverwaltung Niedersächsisches Wattenmeer (NLPV)

• Landesamt für den Nationalpark Schleswig-Holsteinisches Wattenmeer (NPA)

• Commom Wadden Sea Secretariat (CWSS)

Die Hauptanwendergruppe ist im Nutzerbüro organisiert. Im Rahmen dieses Teilprojekts werden fachliche Themen wie z.B. Validation und Bewertung der Ergebnisse mit den oben genannten Einrichtungen bearbeitet.

Zu den internen Seiten der SAR-Auswertung geht's hier.

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