1. Definition zu Infrarot Die Infrarotstrahlung (IR

УДК 528.7
Frank Konopka
Öffentlich bestellter Vermessungsingenieur, Deutschland
MÖGLICHKEITEN DES EINSATZES VON INFRAROT LUFTBILDERN
1. Definition zu Infrarot
Die Infrarotstrahlung (IR-Strahlung) besteht aus elektromagnetischen Wellen im
Spektralbereich zwischen dem „sichtbaren Licht“ und der „langwelligen
Mikrowellenstrahlung“. Dies entspricht einem Wellenlängenbereich von 780 nm bis
1mm. Tabelle 1 zeigt eine gängige Aufgliederung des infraroten
Wellenlängenbereiches.
Bezeichnung
„Nahinfrarot“ (near IR, NIR, IR-A)“:
“Kurzwelliges Infrarot” (short wavelength IR, SWIR,IR-B)
„Mittelwelliges Infrarot“ (mid wavelength IR, MWIR,IR-C
auch: „Zwischen-IR“ (intermediate-IR, IIR)
„Langwelliges Infrarot“ (long wavelength IR, LWIR,IR-C)
„Ferninfrarot“ (FIR)
Wellenlänge
0,7-1,4 μm
1,4-3 μm
3 – 8 µm
8 – 15 µm
15- 1000 μm;
grenzt an die
Terrahertzstrahlung
Tab 1: Aufgliederung des infraroten Wellenlängenbereiches
2. Reflexionseigenschaften des „Nahen Infrarot“
Im Gegensatz zur Satellitenfernerkundung ist mit Hilfe von Luftbildkameras nur
„Nahes Infrarot“ abbildbar. Das fotografisch erfassbare Spektrum wird mit
Infrarotbildern enorm erweitert. Abbildung 1 zeigt das erfassbare Spektrum mit
einem Normalfarbfilm im Vergleich mit einem Infrarotfarbfilm.
Bedeutend für die Fernerkundung ist, dass sich die Reflexion von Vegetation im
sichtbaren und im infraroten Bereich typisch abzeichnet. Abbildung 2 zeigt eine
typische Reflexionskurve eines Blattes.
Es ist zu sehen, dass die Reflexionskurve im sichtbaren Bereich des
Elektromagnetischen Spektrums durch die Pigmentabsorption geprägt ist. An
markanten Bereichen des Spektrums wird durch diese Pigmente Energie für die
Photosynthese absorbiert. Abbildung 3 zeigt hierzu die Absorptionsbanden
verschiedener Blattpigmente.
3
Abb. 1: Vergleich des elektromagnetisch erfassbaren Spektrums mit einem
Normalfarbfilm und einem Infrarotfarbfilm (HUSS 1984)
Im Bereich des Nahinfrarot wird die Reflexionskurve durch Menge und Zustand
der Biomasse beeinflusst, wobei insbesondere die Zellstruktur von ausschlaggebender
Bedeutung ist. Im mittleren Infrarot beeinflusst die Wasserabsorption die
Reflexionskurve.
Es ist zu beachten, dass dieser Bereich fototechnisch nicht erfassbar ist. Für den
Einsatz von Infrarot-Luftbildern relevant sind daher:
 Das Reflexionsverhalten durch die Pigmentabsorption, sowie
 Das Reflexionsverhalten der Biomasse.
Abb. 2: Typische spektrale Reflexionskurve von grünen Blattorganen
(nach HOFFER und JOHANNSEN, 1969)
4
Abb. 3.Absorptionsbanden verschiedener Blattpigmente (nach GATES, 1970)
Auf diesem Hintergrund haben auf den Verlauf der Reflexionskurve besonderen
Einfluss:
 Die Art der Vegetation und
 Der Zustand der Vegetation
Abbildung 4 zeigt beispielhaft die spektrale Rückstrahlung verschiedener
Baumarten, während Abbildung 5 auf den Unterschied der Reflexion bei
verschiedenem Gesundheitszustand eingeht.
Die gegebenen Zusammenhänge erlauben es, insbesondere zur Erfassung
verschiedener Vegetationszustände sowie auch zur Unterscheidung von Vegetation
und unbelebter Materie den Bereich der Infrarotrückstrahlung für die Fernerkundung
nutzbar zu machen.
Abb. 4: Spektrale Rückstrahlung versch.
Baumarten (nach BACKSTRÖM H. u.
Abb. 5:
Spektrale Rückstrahlung
gesunder und geschädigter Fichten
5
WELANDER E. (1953)
(nach KRITIKOS, 1983)
3. Nutzbarmachung durch die Fernerkundung
Im Bereich der Satellitenfernerkundung ist es möglich, durch verschiedene
Kanäle und Kanalkombinationen relevante, spezifische Reflexionen abzubilden.
Abb. 6: Spektralkanäle von Landsat TM (nach: http://www.unimuenster.de/GeoPalaeontologie/Geologie/Ferngis/fern_intro/index/satbild/original_in
tro.html)
Abb. 7: Spektralkanäle verschiedener Satelliten
So kann beispielsweise der klassische Satellit LANDSAT TM über je einen
Kanal im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums „blau“, „grün“ und
„rot“ und darüber hinaus je im „Nahen-“, „Mittleren-“ und „Fernen Infrarot“ die
Signatur der Reflexion abbilden (Abb. 6). Abbildung 7 zeigt die Spektralkanäle
weiterer gängiger Satelliten im Vergleich.
6
(nach:http://www.uni-kiel.de/ewf/geographie/forum/unterric/material/einf_fe/images/
spek_kanal_trans.gif)
Durch Verwendung der spektralen Reflexionssignaturen aus den einzelnen
Kanälen und deren Kombinationen können relevante Informationen über
Vegetationszustände abgeleitet werden. Als gängiges Beispiel sei die Berechnung des
„Normalized Difference Vegetation Index“ (NDVI) genannt. Er ist besonders gut
dafür geeignet, den Vegetationszustand darzustellen. Er berechnet sich aus den
Signaturen der Rückstrahlung im Bereich des „Nahen Infrarot“ und des „Rot“ nach
folgender Formel:
NDVI = (NIR - Rot) / (NIR + Rot)
Unter Verwendung der entsprechenden Kanäle des Wettersatelliten „NOAAAVHRR“ ergibt die Signatur des NDVI beispielsweise sehr deutlich ein großflächiges
Bild über den Entwicklungszustand der Vegetation (vgl. hierzu: http://www.unikiel.de/forum-erdkunde/hintergr/NDVI/ndvitext.html).
In bezug auf mögliche Kanalkombinationen und die entsprechende Berechnung
verschiedener Indices ist die Luftbildfernerkundung aber gegenüber der
Satellitenfernerkundung sehr eingeschränkt:
Zum einen war das Luftbild über sehr lange Zeit nur analog verfügbar, so dass
eine pixelweise Berechnung von Indices nicht möglich war. Für den Einsatz an
modernen photogrammetrischen, digitalen Auswertestationen ging man erst relativ
spät dazu über, die hochaufgelösten Filme auch zu scannen.
Zum anderen kann ein Infrarotfarbfilm neben der Reflexion des „Sichtbaren
Lichtes“ lediglich das „Nahe Infrarot“ abbilden. Er ist dem Satelliten in der
Spektralen Auflösung weit unterlegen. Erst durch das Aufkommen moderner
Luftbild-Digitalkameras ist nun erstmals auch die Berechnung von Indices wie z.B.
dem NDVI bei der Luftbildauswertung denkbar:
So handelt es sich beispielsweise bei der VEXEL Ultracam um eine digitale 4
Kanal, Multispektral Luftbildkamera, bei der nach der Aufnahme durch
entsprechende Kanalkombinationen sowohl Schwarzweissbilder, Farbbilder oder
Infrarotfarbbilder generiert werden können.
Die Vorteile herkömmlicher Luftbildfernerkundung
Satellitenfernerkundung liegen aber immer noch:
gegenüber
der
 Im relativ flexiblen Einsatz zur Bestimmung von Befliegungszeit und –ort,
 In der immer noch vergleichsweise hohen geometrischen Auflösung
 In der problemlosen etablierten photogrammetrischen Geometriedatenerfassung mit hoher Genauigkeit.
Durch den Einsatz der beschriebenen, modernen digitalen Luftbildsysteme
7
 Entstehen im Vergleich zu diesen herkömmlichen analytischen Systemen
erhebliche organisatorische Vorteile bei der Umsetzung der Befliegung,
 Können die Kosten deutlich reduziert werden,
 Können Bildfehler, wie z.B. eine schlechte Belichtung im Schattenbereich
verbessert werden oder „hotspots“ eliminiert werden,
 Kann ebenfalls mit hoher geometrischer Auflösung aufgenommen werden,
 Entfallen die Kosten für teures Filmmaterial, indem die Daten auf handliche
externe Festplatten geschrieben werden,
 Reduzieren sich die Flugkosten, weil die Kameras durch die geringe Größe
bereits in einfachen Kleinflugzeugen eingesetzt werden können.
Um solche Luftbilddaten schließlich nutzbar zu machen
 Können die Bilder entzerrt werden und in Geografischen Informationssystemen (GIS) hinterlegt werden
 Können die Bilder über Geländemodelle „gezogen“ werden und die
Landschaft dadurch simuliert und visualisiert werden
 Können die Bilddaten vom Experten unter Verwendung spezifischer
Interpretationsschlüssel nach ursächlichen Zusammenhängen hin interpretiert werden
 Können die Bilder dreidimensional stereophotogrammetrisch ausgewertet
werden, wodurch hochgenaue Geometriedaten (z.B.: Topografie und
Vermessungsdaten) effektiv verfügbar gemacht werden.
Kombinationen und
Ergänzungen dieser Nutzbarmachungen sind
selbstverständlich möglich.
Bei der stereophotogrammetrischen Auswertung unterscheidet man heute
analytische Auswertestationen, die rechnergestützt mit analogem Filmmaterial
arbeiten und Digitalstationen, die digitales Bildmaterial verwenden.
Abbildung 8 zeigt beispielhaft eine analytische Auswertestation „SD2000“ von
LH-Systems“. Bei einem solchen System werden 2 analoge Bilder verwendet, die
über ein optisches System dem linken und rechten Auge des Operateurs zugeordnet
werden. Durch Einblenden einer dreidimensional verstellbaren Messmarke (Handund Fußräder, oder 3D Maus) können für jeden dreidimensional sichtbaren Punkt die
Bildkoordinaten abgegriffen werden. Die hierzu nötige Bildorientierung sowie die
Übertragung in ein äußeres Koordinatenbezugssystem findet rechnergestützt statt.
8
Abb. 8: Analytische Auswertestation „SD 2000“ von LH Systems (ehemals Leica)
Bei einer digitalen photogrammetrischen Auswertestation wird mit digitalen
Luftbildern gearbeitet. Die dreidimensionale Betrachtung findet nicht an einem
optischen System, sondern am Bildschirm mit 3D Brille statt.
Auf
eine
Beschreibung
des
komplexen
photogrammetrischen
Auswertevorganges wird an dieser Stelle verzichtet, um den Rahmen der
vorliegenden Darstellung nicht zu sprengen.
Die photogrammetrisch erfassten dreidimensionalen Messdaten können
entweder direkt in ein CAD System oder in eine GIS Umgebung übertragen werden.
Moderne CAD Systeme ermöglichen eine realitätsnahe Simulation von
dreidimensionalen Objekten (Stadtmodelle, Landschaftssimulation). Um virtuelle
Realität zu simulieren, werden insbesondere „Imagedrape“ sowie „Licht- und
Schatten Rendering“ (Raytrace) verwendet. Im ersten Fall werden im
dreidimensionalen Computermodell Fotos lagegetreu und perspektivisch korrekt auf
das dazugehörige Objekt „gezogen“. Im zweiten Fall werden die Lichtstrahlen von
Sonne oder künstlicher Beleuchtung durch den virtuellen Raum verfolgt und die
entsprechenden Schattenwürfe generiert. Hierbei können auch Tagesverläufe von
Beleuchtung und Schattenwurf animiert werden.
GIS Systeme erfüllen den Zweck, eine Vielzahl von geografischen Daten in
einer grafischen Benutzeroberfläche sichtbar zu machen. Photogrammetrisch erfasste
dreidimensionale Daten (wie zum Beispiel die Delinierung von Grenzen) können hier
ebenso integriert werden, wie entzerrte Luftbilder selbst. Abbildung 9 zeigt hierzu ein
Beispiel.
9
Abb. 9:
Dreidimensionale GIS Daten, photogrammetrisch erfasst
(http://hvo.wr.usgs.gov/volunteer/gis/maunaloa-gis_large.jpg)
4. Praktische Anwendungen relevanter Themenbereiche
Um aus Luftbilddaten geometrische, vor allem auch dreidimensionale Daten
abzuleiten, bedient man sich meistens der hochgenauen Stereophotogrammetrie. Bei
Abstrichen an die Genauigkeit werden für einfache Anwendungen auch immer
wieder Grenzlinien in entzerrten Orthobildern abgegriffen.
Um Luftbilddaten allerdings für eine tiefgründige inhaltliche Auswertung
zugänglich zu machen, ist es nötig, themenspezifische Interpretationsschlüssel
abzuleiten. Hierzu müssen alle für die zu interpretierende Thematik relevanten,
luftbildsichtbaren Merkmale zusammengestellt werden. Diese, sich aus der aerialen
Perspektive ergebenden, Merkmale werden mit den zu interpretierenden Merkmalen
der terrestrischen Perspektive (am Boden) abgeglichen.
Hieraus werden schließlich Initialmerkmale herausgearbeitet, die von der
aerialen Perspektive Rückschlüsse auf die zu interpretierenden, terrestrischen
Erscheinungsformen zulassen. Meist handelt es sich bei solchen Initialmerkmalen um
Merkmalskombinationen. Zur Erstellung brauchbarer Interpretationsschlüssel bedarf
es ausreichend Expertenwissen und fachliche Kompetenz für die zu interpretierenden
Sachverhalte.
Mit Hilfe eines solchen verifizierten Interpretationsschlüssels kann schließlich
im Umkehrschluss aus Luftbildern auf terrestrische Situations- und
Zustandsbeschreibungen zurück geschlossen werden.
Im Folgenden werden Beispiele solcher Luftbildinterpretationsschlüssel
aufgezeigt. Es sind dies:
 Ein Interpretationsschlüssel für die Baumartenerkennung
 Ein Interpretationsschlüssel für die Waldzustandserfassung
 Ein Interpretationsschlüssel für die Bodenzustandserfassung
10
Die Interpretationsschlüssel sind in den Originalen jeweils mit Bildbeispielen der
aerialen Perspektive unter Darstellung typischer Merkmalsausprägungen dargestellt.
Im vorliegenden Bericht folgen den dargestellten Interpretationsschlüsseln
weitere Anwendungsbeispiele zum Einsatz von Farbinfrarotluftbildmaterial.
4.1 Interpretationsschlüssel für die Baumartenerkennung
Abbildung 10 zeigt einen Interpretationsschlüssel, der unter Berücksichtigung
der einfachen Gestaltmerkmale „Aufriss“ und „Umriss“ eine Interpretation von
Baumarten aus dreidimensional betrachteten Luftbildern zulässt. Untersuchungen
haben gezeigt, dass bei geschultem Personal und grob bekannten
Bestandesverhältnissen
in
vielfältigen
zusammengestellten
Auenwäldern
beispielsweise Baumartenerkennungen mit einer Trefferquote von 80% interpretiert
werden können. Die gängigen Hauptbaumarten werden unter einfachen
Bestandesverhältnissen mit erheblich höherer Trefferwahrscheinlichkeit ermittelt
(REIDELSTÜRZ, 1999b).
Abb. 10: Charakteristische Kronenformen der mitteleuropäischen Hauptbaumarten in
der Aufsicht (aus RHODY, 1983)
4.2 Interpretationsschlüssel für die Waldzustandserfassung
In Abbildung 11 ist ein Ausschnitt aus einem Interpretationsschlüssel zu sehen,
mit dessen Hilfe auf den Kronenzustand der Baumart Douglasie zu schließen ist.
Hierbei werden verschiedene Erscheinungstypen (A und B) unterschieden, die
jeweils nach der terrestrisch eingestuften Zustandsstufe (Nadelverluststufen 0-4)
untergliedert sind. Innerhalb jeder Zustandsstufe des Typs werden die
Erscheinungsformen „Form“, „Grobstruktur“ und „Feinstruktur“ differenziert, wie sie
in der EU - Richtlinie „Anwendungen der Fernerkundung zur Beurteilung des
Gesundheitszustandes der Wälder“ (WALPHOT 1992) vorgegeben sind. Es handelt
sich
also
um
einen
EU
konformen
Schlüssel
zur
aerialen
Baumkronenzustandsbeurteilung (REIDELSTÜRZ P. 1991).
11
Abb. 11: Ausschnitt aus einem Interpretationsschlüssel zur Ansprache des
Kronenzustandes von Douglasie (nach REIDELSTÜRZ, 1991)
4.3 Interpretationsschlüssel für die Bodenzustandserfassung
Ein Interpretationsschlüssel zur Erfassung kleinräumiger Unterschiede der
Bodenart anhand der aerialen Merkmale der darüber abreifenden Maispflanzen ist in
Abbildung 12 dargestellt. Ausgehend von terrestrischen Stichproben, mit denen alle
vorkommenden Bodenarten beschrieben wurden, konnten die luftbildsichtbaren
Merkmale der darauf stockenden Maisbestände beschrieben und diesen
Bodenzuständen zugeordnet werden. Daraus ergibt sich ein Interpretationsschlüssel,
mit dem im Umkehrschluss aus den aerialen Merkmalen auf Bodenzustände zurück
geschlossen werden kann. Auch hier wird nach 2 Erscheinungstypen (scharfrandig
und diffus) unterschieden.
Anhand
des
Schlüssels
konnten
unterschiedliche
Bodenzustände
photogrammetrisch deliniert und in ein GIS System überführt werden.
12
Abb. 12: Interpretationsschlüssel zur Erfassung der Bodenart
4.4
Weitere Anwendungen unter Zuhilfenahme von Infrarot
Im Folgenden werden beispielhaft weitere Anwendungen gezeigt, um das
Potenzial der Infrarotrückstrahlung im Bereich der Luftbildfernerkundung zu
skizzieren.
So spielt die Luftbildfernerkundung vor allem
 Bei flächenhaften Inventuren eine große Rolle,
 Aber auch dort, wo es auf die Andersartigkeit der aerialen Perspektive
ankommt.
Luftbildfernerkundung unter Zuhilfenahme von Infrarotaufnahmen ist besonders
auch interessant
13
 In schwer zugänglichen Gebieten und/oder
 Weitläufigen Gebieten.
So beschreiben ACKERMANN, OHLHOFF, FUCHS und EVERS (1996) eine
großflächige Erfassung von Bestandesverlichtungen und Bestandes-auflösungen mit
Hilfe von Infrarot Luftbildern.. Dabei wird begründet, dass für das vorgesehen Ziel
„die Informationen hierüber angesichts der Größe der in Frage kommenden Gebiete
und im Hinblick auf die zu untersuchenden Faktoren terrestrisch nicht mit
vertretbarem Aufwand erhoben werden können. Der Einsatz von
Fernerkundungsmitteln ist erforderlich“.
Die Vorteile durch die Effizienz einer Luftbildauswertung bei einer
großflächigen Erfassung werden damit deutlich:
„Vor allem Luftbilder eignen sich hierzu, da sie nicht nur großflächig und
vergleichsweise schnelle und genaue Datengewinnung mit hoher Informationsdichte,
sondern auch den Blick weit zurück ermöglichen. Umfangreiche Archivbestände an
Luftbildmaterialien sind verfügbar, die in vielen Fällen Entwicklungen der letzten 40
bis 50 Jahre nachvollziehbar machen.“
Eine luftbildgestützte Forsteinrichtung beschreiben DUVENHORST und
NIEHAUS-UEBEL (1996). Sie beschreiben, dass Fernerkundungsverfahren mit
Feldaufnahmen sehr effektiv in der Forsteinrichtung eingesetzt werden können, wenn
sie auch in der BRD bisher eine eher untergeordnete Rolle spielen. Beim
vorgestellten Verfahren stehen dem Forsteinrichter „nach Abschluss der
Luftbildinterpretation die Bestandesdaten sowie entsprechende Rohkarten (analog
und digital) für die terrestrische Verifikation zur Verfügung. Die bisherigen
Erfahrungen zeigen, dass durch den Einsatz des Verfahrens eine deutliche Erhöhung
der Effektivität im Rahmen der Forsteinrichtung erreicht wird, wobei Waldverteilung
und Strukturvielfalt entscheidende Einflussgrößen darstellen. Durchschnittlich betrug
die Reduktion des Zeitaufwandes für die terrestrischen Aufnahmen des
Forsteinrichters 50% gegenüber der rein terrestrischen Aufnahme.
LUCASCHEWSKI (1996) beschreibt eine Waldflächeninventur mit
Luftbildkarten. Dabei sollen „die Waldfläche und die Waldverteilung [...] genauer
ermittelt werden, als es durch das gewählte terrestrische Stichprobenraster möglich
ist. Hierzu wurden die in Nordrhein-Westfalen flächendeckend vorliegenden
Luftbildkarten genutzt.“
MAUSER H. (1996) verwendet Luftbilder als Planungsgrundlage für die
Schutzwaldbehandlung. Er schreibt, dass „mit Hilfe von Luftbildern und analytischen
Stereoauswertegeräten [...] flächendeckend detaillierte Informationen über Aufbau
und Zustand von Schutzwäldern erhoben werden können. Die Analyse dieser Daten
unter Einbeziehung eines Geländemodells, erlaubt die Beurteilung des Risikos von
Naturgefahren und der Maßnahmendringlichkeit. Durch den Einsatz dieser modernen
Technologien kann die Maßnahmenplanung mit höherer Qualität und Effizienz
erfolgen.“
GROSS C.P. und REIDELSTÜRZ P. (1999) kartieren Waldentwicklungsphasen aus Color-Infrarot Luftbildern: „Wesentliche Kriterien zur Ausscheidung von
14
Waldentwicklungsphasen können in Luftbildern angesprochen werden. Dazu gehört
der Überschirmungsgrad, die Anzahl der Baumindividuen auf einer gegebenen
Fläche, die Baumhöhe, horizontale und vertikale Bestandesstruktur. Voraussetzungen
sind ein geeigneter Bildmaßstab und die Möglichkeit der dreidimensionalen
Sichtweise. Von besonderem Vorteil ist die Verwendung von Color-Infrarot (CIR)
Filmmaterial, da hier die Differenzierung der lebenden Vegetation durch die
Abbildung der Rückstrahlung des Nahen Infrarotes besonders ausgeprägt ist (vgl.
HILDEBRANDT 1996, GROSS C.P., MÜNCH D. und DUVENHORST J. (1993).“
Ebenso berichten GROSS C.P. und REIDELSTÜRZ P. (1999) über den Nutzen
von CIR Luftbildern zur photogrammetrischen Auswertung innerhalb der
Sukzessionsforschung in Buchenwäldern im Nationalpark Müritz.
Mit Hilfe von CIR Luftbildern wurde auch der Grün- und Freiflächenbestand
der Stadt Berlin kartiert (ARMBRUSTER R. (2001)). Aufgrund der besonderen
Eignung kamen hierfür CIR Luftbilder in den Maßstäben 1:4000 und 1:6000 zum
Einsatz.
Mit Hilfe eines digitalen Orthophoto-Atlanten für das Gebiet des
Biosphärenreservats Berchtesgaden (KIAS U, DEMEL W., FUNCK W., SCHÄFER
D. RAUSCH E. (1988)) können Bereiche im Gelände wesentlich genauer identifiziert
werden, als durch die Abgrenzungen der Biotop- und Nutzungstypenkartierung. „Mit
geeigneten Plottern können die digitalen Orthophotos auch als Kartenhintergrund
ausgegeben werden. Besonders gut eignen sich die digitalen Orthophotos als
Digitalisiergrundlage. Abgrenzungen, die im Luftbild sichtbar sind, können direkt am
Bildschirm nachverfolgt und digitalisiert werden. Die digitalen Orthophotos dienen
auch als Grundlage für die Aktualisierung der Kartierung der Biotop- und
Nutzungstypen. Bei der Verwendung von digitalen Orthophotos als
Digitalisiergrundlage
kann
auf
die
zeitintensive
photogrammetrische
Geometrieerfassung, mit der die letzte Nachführungskartierung bearbeitet wurde,
verzichtet werden“.
„Mit dem Flug 2003 handelt es sich um die fünfte Befliegung nach 1980, 1985,
1990 und 1997. Damit können die luftbildsichtbare Entwicklung des Nationalparks
flächendeckend nachgewiesen werden.“
„Die Bilder dienen auch als wesentliche Grundlage für den Waldplan, der für die
Pflegezone des Nationalparks erstellt wird. Sie werden auch zentrale Datengrundlage
in der geplanten ökosystemaren Umweltbeobachtung sein.“
Nach der Wiedervereinigung haben alle neugebildeten Bundesländer
beschlossen, flächendeckende Bildflüge für ihre jeweilige Landesfläche mit CIRBildmaterial im Aufnahmemaßstab 1:10000 durchführen zu lassen. Das
Auswertungsziel bestand in digitalen Biotoptypenkarten. „Viele Basisdaten zur
Umweltqualität waren in der ehemaligen DDR geheim gehalten worden und deshalb
nicht sofort für Planungszwecke zugänglich. Hier spielt die Fernerkundung ihren
Vorteil der effektiven großflächigen Datenerfassung aus“(KENNEWEG, 1996).
15
Nach der Erfahrung von UMWELTDATA (2006) werden CIR Luftbilder
bevorzugt eingesetzt für Interpretationszwecke





Im Bereich Forstwirtschaft für
Schutzwaldinventuren
Kronenzustandserhebungen
Monitoring Systeme
Grundlagenerhebungen für die Forsteinrichtung
 Im allgemeinen Bereich Vegetation für:
 Vegetationskartierungen
 Biotoptypenerhebungen
 Im Bereich der Landwirtschaft für:
 Anbaukontrollen
 Precision farming
Darüber hinaus wurden für einzelne Anwendungen Monitoring Systeme auf
Basis von Luftbilderhebungen entwickelt und erfolgreich eingeführt. Insbesondere
bei Monitoringaufgaben werden photogrammetrische Methoden eingesetzt im
Zusammenhang mit:






Schutzwaldmonitoring
Waldbrandflächenerfassung
Waldzustandserfassung
Biotop- und Biotoptypenmonitoring
Lawinenkartierung
Monitoring von Wildbach- und Lawinenmonitoring
Über den Nutzen großflächiger Waldzustandserfassungen mit CIR Bildmaterial
berichtet auch REIDELSTÜRZ (1999).
GROSS (1997) veröffentlicht aus CIR Befliegungen abgeleitete
Waldbestandsanalysen,
Kronenkarten,
Kronenzustandskarten
und
Kronenentwicklungskarten (Abb. 13).
16
Abb. 13: Ausschnitt einer Kronenentwicklungskarte
Bauch (2005) berichtet über den Einsatz von CIR Luftbildern für die Kartierung
von Biotop- und Nutzungstypen im Nationalpark „Hohe Tauern“. Dabei werden die
Vorteile des Einsatzes von CIR Luftbildern in einem groß angelegten
Forschungsprojekt deutlich heraus gestellt:
„Im Zusammenhang mit dem EU Forschungsprojekt Namens „HABITALP“
sollen anhand einer international einheitlichen Datengrundlage Entwicklungen im
Alpenraum vorhersagbar werden. Elf Schutzgebiete, davon acht Nationalparks aus
fünf europäischen Ländern, haben sich zu einem einzigartigen Forschungsprojekt
zusammengeschlossen. In dem von der EU finanzierten Projekt gilt es jene
Instrumente zu schaffen, die es in Zukunft ermöglichen sollen, Entwicklungen in den
Alpen einschätzen und vorhersagen zu können. Der Alpenraum ist riesig. Niemand,
auch kein internationales Expertenteam, kann jeden km² mit eigenen Augen
begutachten, um den ökologischen Zustand oder Trends zu beurteilen. Die Forschung
bedient sich daher Methoden, die einen größtmöglichen Überblick bei bestmöglicher
Detailschärfe und einem finanzierbaren Rahmen erlauben: der Luftbildinterpretation.
Infrarot-Luftbilder werden als Grundlage für einen revolutionären Anspruch an
die Wissenschaftler dienen:
Die Erstellung eines über den gesamten Alpenbogen anwendbaren, einheitlichen
Klassifizierungsmodus zur Interpretation von Luftbildern. Das Ergebnis: exakt
vergleichbare Daten zu den wichtigsten Parametern der einzelnen Landschaftsräume.
Die Methoden der Luftbildinterpretation erlauben in Verbindung mit detaillierten
Geländeerhebungen eine Vielzahl von Analysen. Gerade dort, wo Biotope sehr
sensibel oder Eingriffe besonders wirksam sind. Aber nur wenn die Methoden, die für
die Erhebung und die Dokumentation der entscheidenden messbaren und
beschreibenden Informationen überall die gleichen sind, können Vergleiche gezogen
werden. Diese erst lassen eindeutig erkennen, wie es um die Lebensräume bestellt ist
und wohin sie sich entwickeln werden. Mit Hilfe dieses ehrgeizigen NationalparkProjektes werden Fragen, wie sich der Klimawandel auf die alpinen Hochlagen, der
landwirtschaftliche Strukturwandel auf die Almregionen oder bauliche Maßnahmen
auf die Natura 2000-Schutzgebiete tatsächlich auswirken, in Zukunft alpenweit
beantwortet werden können.“
Im Bereich der Präzisionslandwirtschaft zeigen REIDELSTÜRZ P., JUNCKERSCHWING F., RECKNAGEL J. (2005) Möglichkeiten zum Einsatz von
Farbinfrarotbildern zur Ableitung von Applikationskarten zur Modulation des
Stickstoffs im Sinne der teilflächenspezifischen Ausbringung im Bereich der
Präzisionslandwirtschaft.
Ebenfalls mit dem Bereich der Präzisionslandwirtschaft befasst sich das
Verfahren „Loris ® Maps“ von Kemira Grow how (www.kemira-growhow.com). Hierbei
werden Luftbilder in einer Flughöhe von 1 bis 7 km mit Infrarotfilm aufgenommen.
17
Entsprechend der bekannten Zusammenhänge in der Fernerkundung werden den
Bereichen hoher Reflexionen des Infrarotes hohe Biomassen zugeordnet. Auf dieser
Grundlage wird eine Biomassen – Verteilungskarte berechnet. Diese Verteilungskarte
wird zu teilflächenspezifischen Düngungs- und Pflanzenschutzmaßnahmen
herangezogen und dient der Erkennung von Differenzierungen innerhalb der Fläche.
4.5 Potenzielle Anwendungen unter Zuhilfenahme von Infrarot
Aus den gegebenen Zusammenhängen heraus kann unter Berücksichtigung der
gezeigten praxistauglichen Beispiele zusammenfassend skizziert werden, für welche
Anwendungen
sich
Luftbildinterpretationen
unter
Zuhilfenahme
von
Farbinfrarotfilmen eignen:
Potentielle Anwendungen sind überall dort gegeben,
 wo Vegetation flächig zu erfassen ist
 wo Vegetationszustände voneinander differenziert werden müssen
 wo Vegetation von Nichtvegetation einwandfrei abgegrenzt werden muss.
Typische Anwendungen sind dabei beispielsweise











Flächenbilanzen,
Kartografische Darstellungen oder
Dreidimensionale Simulationen von:
Unterschiedlichen Anbauarten und Anbausystemen,
Abreife in landwirtschaftlichen Schlägen,
Trocken- und Feuchtflächen, sowie –teilflächen
Baumarten, oder Altersklassenverteilungen in schwer zugänglichen Gebieten
Wald- und Vegetationszuständen
Flächenversiegelung
Baumkataster mit Einschätzung von Zustand und Disposition
Und Ähnliches
Sowohl
 Als einmalige Zustandserfassung,
 In Zeitreihen, sowie auch
 Als Dauerbeobachtung einer Entwicklung (Monitoring).
5. Grenzen der Luftbildauswertung
Selbstverständlich stößt auch die Luftbildauswertung an Grenzen. Im folgenden
werden diese Grenzen zusammenfassend skizziert:
 Bei der Luftbildauswertung handelt sich immer nur um eine
Momentaufnahme. Zustände zu einem bestimmten Zeitpunkt werden dokumentiert.
18
 Für die Auswertung langzeitiger Prozesse wie Bestandesentwicklungen
werden wiederholte Momentaufnahmen benötigt.
 Von einer Zustandsbeschreibung aus der aerialen Perspektive ausgehend, ist
eine eindeutige Ursachenzuweisung nicht immer möglich.
 Für eine erweiterte Ursachenanalyse kann es nötig werden, ergänzende
Untersuchungen heranzuziehen.
 Zu klein abgebildete Objekte, wie beispielsweise Forstkulturen, können
nicht immer eindeutig beurteilt werden, wenn sie zu schlecht abgebildet sind.
 Die unterschiedliche Perspektive lässt wegen Sichtverdeckungen nicht
immer alle Auswertungen zu.
 Es gibt zeitliche und organisatorische Einschränkungen für die Befliegung.
 Die unterschiedliche Perspektive kann im Vergleich zur terrestrischen
Erfassung unterschiedliche Ergebnisse ergeben, ohne dass eines der beiden
Ergebnisse „falsch“ sein muss. Es können möglicherweise Schwierigkeiten beim
Abgleich
mit
Referenzwerten
auftreten. Aus
diesem
Grund
sind
Interpretationsschlüssel immer sehr sorgfältig zu erstellen und anhand terrestrischer
Referenzwerte zu kontrollieren.
6. Zusammenfassung
In der vorliegenden Darstellung werden die Möglichkeiten des Einsatzes von
Farbinfrarot - Luftbildern erörtert.
Dabei wird zunächst „Infrarot“ im Bereich des elektromagnetischen Spektrums
definiert (1.). Es folgt die Darstellung der Signatur der Reflexion von Vegetation,
wobei auf die Besonderheiten im infraroten Bereich besonders eingegangen wird (2).
Daraus leiten sich die Reflexionseigenschaften ab, die für die Luftbildfernerkundung
relevant sind. Hiervon ausgehend werden die Methoden skizziert, durch welche diese
Infrarotreflexionen nutzbar gemacht werden können (3.). Es folgen Beispiele
praktischer Anwendungen (4.), wobei zunächst auf die Erstellung unterschiedlicher
Interpretationsschlüssel eingegangen wird (4.1.-4.3.). Beispielhaft werden dann
weitere Anwendungen zusammen getragen (4.4.). Schließlich werden die potenziellen
Anwendungen der Luftbildfernerkundung unter Zuhilfenahme von „Infrarot“
dargestellt (4.5.) und die Grenzen der Luftbildauswertung gezeigt (5).
Es zeigt sich, dass durch Einbeziehung des Nahen Infrarotes unter Verwendung
von CIR Luftbildern sowohl das Absorptionsverhalten der Vegetation in den
relevanten Wellenlängenbereichen des sichtbaren Lichtes durch die Photosynthese,
als auch die durch die Biomasse bestimmte Reflexion im Nahen Infrarot
berücksichtigt werden können. Daher eignen sich Farbinfrarotbilder besonders für
Auswertungen, bei denen Vegetation untereinander unterschieden oder aber von
„Nicht-Vegetation“ differenziert werden muss.
19
Bei Verwendung herkömmlicher analoger CIR Luftbilder ist der Aufwand groß,
macht sich aber bei größeren Inventuren schnell bezahlt. Allerdings bestehen
aufgrund des empfindlichen Filmmaterials hohe Anforderungen an den Umgang.
Auch bestehen Einschränkungen bezügliche eines spontanen und flexiblen Einsatzes.
Durch Verwendung moderner digitaler Luftbildaufnahmesysteme können diese
Einschränkungen stark reduziert werden. Das wirkt sich besonders auf flexiblere
Einsatzmöglichkeiten
aus.
Auch
können
Normalfarbaufnahmen
und
Infrarotaufnahmen parallel durchgeführt und die Kosten stark reduziert werden. Auch
kann die Bildqualität stark verbessert werden. Es wird nicht mit verderblichem
Datenmaterial gearbeitet. Schließlich ist die Integration des „NDVI“ denkbar.
Es besteht weiterhin eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten, die bei
bestimmten Anwendungen sowohl aus Sicht der Möglichkeiten der Datenerfassung,
als auch aus Kostengründen konkurrenzlos sind. Auch besteht der große Vorteil der
Dokumentation, der insbesondere bei später relevant werdenden Fragestellungen
bedeutsam werden kann.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch den Einsatz von digitaler
Photogrammetrie die Verwendung von Farbinfrarotfilmen im Zusammenhang mit
landschaftsbezogenen Auswertungen für eine Vielzahl potenzieller Anwendungen
interessanter denn je ist.
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Gewann, ITADA Arbeitsprogramm !!!: Abschlussbericht zum Projekt Nr. 02. ITADA-Sekretariat:
2 allée de Herrlisheim, F-68000 COLMAR, Tel.: 00333 09229550 Fax: 00333 89229559 eMail:
[email protected] www.itada.org; 282 S.
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Europäischen Gemeinschaften, Generaldirektorat für Landwirtschaft und Walphot S.A, Namur (B).
Herausgabe, fachliche Aufsicht und Revision lagen bei Prof. Dr. Dr. G. Hildebrandt, Freiburg (D),
unterstützt von C.P. Gross, Abteilung Luftbildmessung und Fernerkundung, Universität Freiburg.
© Frank Konopka, 2006
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