Landnutzungswachstumsanalyse und Anomaliebewertung auf Basis von Fernerkundungsbildern aus Zeitreihen

Fallhintergrund

In Lanzhou, Provinz Gansu, zeigten einige neu urbar gemachte Flächen im neuen Stadtentwicklungsgebiet Lanzhou im vierten Quartal 2024 deutliche Ertragsunterschiede. Einige Flächen wiesen ein deutlich geringeres Wachstum auf, obwohl Sorte, Aussaatstärke, Hangneigung und Bewässerungsquelle identisch waren. Der landwirtschaftliche Betrieb plant daher, mithilfe von Fernerkundung das Wachstum der verschiedenen Flächen zu analysieren und die Gründe für die Unterschiede zu ermitteln, um die Bewirtschaftung zukünftig zu optimieren.

Dieses Grundstück befindet sich im östlichen Teil der Neuen Zone Lanzhou und umfasst eine Fläche von ca. 2.900 Mu (ca. 193 Hektar). Nach der Einebnung wird das Land terrassiert und ab der Saison 2024 mit Mais bepflanzt. Die spezifischen phänologischen Perioden sind wie folgt:

Überwachungs- und Bewertungsmethoden

Für die vergleichende Analyse wurden drei Parzellen ausgewählt: Parzelle 1 war die Parzelle, die Auffälligkeiten aufwies, Parzelle 2 war eine weitere neu angelegte Parzelle in südöstlicher Richtung, und Parzelle 3 war ein Grundstück, das seit vielen Jahren von einem nahegelegenen Dorf bewirtschaftet wurde.

Die Analyse der Vegetationsindex-Zeitreihen erfolgte unter Verwendung von Fernerkundungsdaten aus verschiedenen Quellen. Die Daten umfassten den Zeitraum von Anfang 2023 vor der Einebnung des Geländes bis Ende 2024 nach der Pflanzung.

Anhand der aus den Vegetationsindexänderungskurven extrahierten phänologischen Perioden wurde festgestellt, dass es sich bei der in den drei Parzellen angebauten Kulturpflanze um Mais handelte.

Durch den Vergleich von Gebieten mit signifikanten Wachstumsunterschieden lässt sich feststellen, ob diese Unterschiede räumliche Verteilungsmerkmale aufweisen. Gleichzeitig ist anhand von Referenzflächen die Intensität der Wachstumsunterschiede zu ermitteln. Meteorologische, bodenkundliche und weitere Faktoren sind in einer umfassenden Analyse zu berücksichtigen, um die Ursachen der Wachstumsunterschiede zu bestimmen.

Auswertungsergebnisse

Abbildung 1. Verteilung des Vegetationsindex vor der Landnivellierung

Abbildung 2. Verteilung des Vegetationsindex nach der Landnivellierung

Abbildung 1 ist eine zusammengesetzte Karte, die die maximalen NDVI-Werte während der Vegetationsperiode vor der Einebnung des Geländes im Jahr 2023 zeigt. Abbildung 1 zeigt, dass das Gebiet vor der Landgewinnung gebirgig war und dass auf beiden Seiten der Straße auf flachen Parzellen Nutzpflanzen angebaut wurden, die normal wuchsen (blauer Bereich in der Abbildung).

Abbildung 2 zeigt die Verteilungskarte des Vegetationsindex nach der Geländenivellierung im Jahr 2024. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich die Landnutzungsart erheblich verändert hat; große Flächen wurden als Ackerland rekultiviert. Die Untersuchungsfläche befindet sich im zentralen Teil der Region und unterscheidet sich hinsichtlich Topographie und Hangneigung nicht wesentlich von der Umgebung. Das Vegetationswachstum ist jedoch deutlich geringer und ungleichmäßig verteilt. Gleichzeitig weist die Vegetationsverteilung deutliche räumliche Merkmale auf, mit signifikanten Unterschieden zwischen den einzelnen Flächen.

Da die Parzellen alle künstlich unterteilt und zum ersten Mal bepflanzt wurden, die Bewirtschaftungspläne alle gleich waren und die phänologischen Perioden ähnlich waren, konnten Unterschiede zwischen den Parzellen aufgrund landwirtschaftlicher Eingriffe ausgeschlossen werden.

Durch den Vergleich der Verteilung der Ackerflächen vor und nach der Landgewinnung wurde festgestellt, dass die neuen Ackerflächen mit besserem Wachstum nach der Landgewinnung eine gewisse Ähnlichkeit in der räumlichen Verteilung mit den alten Ackerflächen vor der Landgewinnung aufweisen, d. h. sie erstrecken sich von Nordwesten nach Südosten, und die neuen Ackerflächen in der Nähe der alten Ackerflächen weisen im Allgemeinen ein besseres Wachstum auf als andere Flächen.

Abbildung 3. Zeitreihe des durchschnittlichen Vegetationsindex für verschiedene Parzellen

(Die violetten und blauen Kurven stellen neu bebaute Grundstücke dar, während die grünen Kurven Grundstücke repräsentieren, die seit vielen Jahren bewirtschaftet werden.)

Abbildung 4. Verteilungskarte der verschiedenen Parzellen

Durch die Kombination der Abbildungen 3 und 4 zeigte sich, dass die neu angelegten Parzellen schlechter wuchsen als die Vergleichsparzellen. Daraus wurde geschlossen, dass das Problem im Boden lag. Nach Rücksprache mit den Mitarbeitern des landwirtschaftlichen Betriebs wurden die Methoden der Bodennivellierung und -abdeckung erläutert: Der Boden wurde im Wesentlichen vor Ort abgedeckt. Die am besten wachsenden Bereiche erhielten den ursprünglichen Ackerboden, andere Parzellen mit durchschnittlichem Wachstum wurden zusätzlich mit Oberboden bedeckt, und die am schlechtesten wachsenden Bereiche erhielten den Unterboden aus der Bodennivellierung.

Durch langjährige landwirtschaftliche Produktionsprozesse des Menschen, wie beispielsweise Bodenbearbeitung und Düngung, wurde der Humusgehalt des Bodens erhöht, seine Struktur verbessert und seine Fruchtbarkeit gesteigert. Gleichzeitig fördert die mikrobielle Aktivität die Bodenreifung. Unbehandelter Boden, der hauptsächlich aus verwittertem Gestein und abgelagertem Ausgangsmaterial besteht, weist jedoch typischerweise eine schlechte Struktur und geringe Fruchtbarkeit auf und ist arm an Humus und Nährstoffen. Unter natürlichen Bedingungen verläuft die Reifung von unbehandeltem Boden sehr langsam.

Die Ursache für die Wachstumsunterschiede wurde daher in den Bodenverhältnissen gefunden. Obwohl der unbehandelte Boden wenig fruchtbar ist, kann er durch Bodenverbesserungs- und Düngungsmaßnahmen schrittweise in fruchtbaren Boden umgewandelt werden, wodurch die Landnutzungseffizienz gesteigert wird. Dieser Verbesserungsprozess erfordert jedoch einen erheblichen Einsatz an personellen und materiellen Ressourcen.

Anhand der Vegetationsindex-Verteilungskarte lassen sich Ober- und Unterbodenflächen präzise unterscheiden und das jeweilige Mischungsverhältnis von Ober- und Unterboden anhand des relativen Vegetationsindexwerts abschätzen. Dies ermöglicht die Erstellung von Bodenverbesserungsplänen mit unterschiedlichen Intensitäten für verschiedene Gebiete, wodurch variable Bodenverbesserungsmaßnahmen realisiert und landwirtschaftliche Betriebsmittelkosten eingespart werden können.

Darüber hinaus kann die Fernerkundung genutzt werden, um das Pflanzenwachstum kontinuierlich zu überwachen, die Wirksamkeit der Bodenverbesserung zu beurteilen und das variable Schema sowie das Anwendungsgebiet von Jahr zu Jahr anzupassen, um eine wissenschaftliche Bewirtschaftung und nachhaltige Nutzung der landwirtschaftlichen Ressourcen zu erreichen.