Die Fernerkundung mittels Satelliten liefert wissenschaftliche Beweise für die Kohlenstoffbindung in Feuchtgebieten.

Kohlenstoffsenkenabschätzung

Im globalen Kohlenstoffkreislauf spielen Feuchtgebiete als wichtiger Ökosystemtyp eine entscheidende Rolle für die Erforschung der dynamischen Veränderungen ihres Kohlenstoffkreislaufs und ihrer Kohlenstoffbilanz und tragen wesentlich zur globalen Kohlenstoffbilanz bei. Als einer der wichtigsten Kohlenstoffspeicher terrestrischer Ökosysteme enthalten Feuchtgebiete, obwohl sie nur etwa 6 % der Landoberfläche ausmachen, 10–30 % des gesamten Kohlenstoffs in terrestrischen Böden. Ihre Kohlenstoffspeicherung kann den Anstieg des CO₂-Gehalts in der Atmosphäre abmildern und spielt somit eine wichtige Rolle bei der Stabilisierung des globalen Klimas und der Abschwächung des Treibhauseffekts.

In den letzten Jahren sind Feuchtgebiete aufgrund des Klimawandels und menschlicher Aktivitäten dramatisch geschrumpft, und auch ihre natürlichen Kohlenstoffkreislaufprozesse haben sich erheblich verändert. Um die Kohlenstoffspeicherkapazität von Feuchtgebieten und deren Auswirkungen auf die regionale Umwelt quantifizieren zu können, ist eine eingehende Untersuchung von großer Bedeutung. Dies gilt insbesondere für die Quantifizierung der Kohlenstoffspeicherfunktion von Feuchtgebietsökosystemen in sensiblen Gebieten unter den Bedingungen des globalen Klimawandels. Angesichts des globalen Klimawandels hat sich die Forschung zur Kohlenstoffspeicherung und Emissionsreduzierung in Feuchtgebietsökosystemen weltweit zunehmend zu einem Thema von gemeinsamem Interesse entwickelt.

Mein Land gehört zu den Ländern weltweit mit der größten Vielfalt an Feuchtgebieten, der größten Fläche und der weitesten Verbreitung. Es umfasst eine Fläche von 0,65 Milliarden Hektar, was 10 % der gesamten weltweiten Feuchtgebietsfläche entspricht und damit den ersten Platz in Asien und den vierten weltweit darstellt. Es verfügt über ein enormes Potenzial zur Kohlenstoffbindung, wobei die Kohlenstoffbindungskapazität der verschiedenen Feuchtgebietstypen stark variiert.

Schilfgebiete zählen zu den weltweit am weitesten verbreiteten Feuchtgebietstypen und spielen eine wichtige Rolle in der Erforschung des Kohlenstoffhaushalts von Feuchtgebieten. Diese Arbeit untersucht ein Schilfgebiet-Ökosystem und nutzt eine Kombination aus Fernerkundungsdaten und Bodenmessungen, um die biologische Kohlenstoffspeicherkapazität des Feuchtgebiets zu schätzen und zu analysieren. Dies liefert eine wissenschaftliche Grundlage für den Schutz und die nachhaltige Nutzung von Feuchtgebietsressourcen sowie für die Bewältigung des globalen Klimawandels.

Technische Lösung

technische Route

Bei der Abschätzung der Kohlenstoffspeicherung in Feuchtgebieten dienen multispektrale hochauflösende Satellitenbilder als primäre Datenquelle. Die Vorverarbeitung umfasst radiometrische Verfahren und Orthorektifizierung. Objektorientierte Techniken werden eingesetzt, um Schilfgebiete automatisch zu extrahieren und deren Verbreitungsgebiet im Untersuchungsgebiet zu ermitteln. Anschließend werden Fernerkundungsparameter, die mit der Kohlenstoffspeicherung in den Schilfgebieten zusammenhängen, invertiert. Mithilfe des Inversionsmodells wird so eine Karte der räumlichen Verteilung der Kohlenstoffspeicherung im Schilfgebiet erstellt.

Vorverarbeitung von Fernerkundungsbildern

Bevor multispektrale Fernerkundungsbilder als Datenquelle zur Ermittlung von Kohlenstoffsenken verwendet werden können, müssen Operationen wie radiometrische Korrektur, radiometrische Kalibrierung, atmosphärische Korrektur, Orthorektifizierung, Bildmosaikierung und Zuschneiden der Daten durchgeführt werden.

• Strahlungskorrektur

Die radiometrische Korrektur dient primär dazu, Abweichungen zwischen den vom Sensor erfassten Messwerten und physikalischen Größen wie dem spektralen Emissionsgrad oder der spektralen Strahldichte des Messobjekts zu eliminieren. Diese Abweichungen werden durch Faktoren wie den Zustand des Sensors selbst, die atmosphärischen Bedingungen, den Sonnenstand und -winkel sowie unvermeidbares Rauschen verursacht. Die radiometrische Korrektur umfasst im Wesentlichen zwei Teile: die radiometrische Kalibrierung und die atmosphärische Korrektur.

• Strahlungskalibrierung

Die radiometrische Kalibrierung wandelt empfangene Fernerkundungsdaten, typischerweise Graustufenwerte von Bildern, in physikalische Größen (wie Strahlungswerte, Bodenreflexion usw.) um. Ihr Hauptzweck ist die Beseitigung sensorbedingter Fehler und die Bestimmung präziser radiometrischer Werte am Sensoreingang. Man unterscheidet zwischen absoluter und relativer radiometrischer Kalibrierung.

• Atmosphärische Korrektur

Die atmosphärische Korrektur dient primär der Eliminierung von Strahlungsfehlern, die durch atmosphärische Einflüsse verursacht werden, um die tatsächliche Reflektivität des Bodens zu ermitteln. Die vom Bodensensor empfangene Gesamtstrahlung des Zielobjekts entspricht nicht der tatsächlichen Oberflächenemissivität, da sie von Faktoren wie der Aerosolstreuung in der Atmosphäre und dem Sonnenlicht beeinflusst wird.

• Orthografische Kalibrierung

Die Orthorektifizierung ist der Prozess der Korrektur räumlicher und geometrischer Verzerrungen eines Bildes, der Beseitigung von Bildneigung und Projektionsfehlern und somit der Ausgabe eines Orthofotos mit mehreren Projektionsebenen.

• Bildmosaikierung und -zuschnitt

Mithilfe der ENVI-Verarbeitungssoftware wurden Fernerkundungsbilder aus derselben Datenquelle, die das Untersuchungsgebiet abdeckten, zu einem Mosaik zusammengefügt. Anschließend wurden die Mosaikbilder entsprechend dem Vektorbereich des Untersuchungsgebiets zugeschnitten, um das Bild des Schilfgebiets zu erhalten.

▲ Verbreitungskarte von Schilf in multispektralen Fernerkundungsbildern

Forschungsmethoden

In dieser Studie wurde hauptsächlich ein objektorientierter Ansatz verwendet, um Schilfgebiete automatisch aus Fernerkundungsbildern zu extrahieren. Die Schilfgebiete wurden in natürliche und künstliche Schilfflächen unterteilt. Die spektralen Informationen der Fernerkundungsbilder dienten dazu, die Fernerkundungsfaktoren, die mit der Kohlenstoffsenke im Untersuchungsgebiet in Zusammenhang stehen, zu invertieren. Die umfassende Kohlenstoffsenke wurde durch Integration mehrerer Fernerkundungsfaktorparameter geschätzt.

Ergebnisse der Fernerkundungsinversion

Verteilung der Kohlenstoffsenken im Jahr 2022

Die Kohlenstoffspeicherung im Untersuchungsgebiet wurde anhand von Daten aus Stichprobenflächen berechnet. Fernerkundungsdaten aus Januar, Juni und September 2022 wurden ausgewählt. Um ein optimales Regressionsmodell für die Inversionsschätzung der Kohlenstoffspeicherung in Schilfgebieten zu erstellen, wurde eine Korrelationsanalyse zwischen den Vegetationsindizes NDVI, MSAVI, RVI, SAVI und DVI und der Kohlenstoffspeicherung in den Stichprobenflächen durchgeführt. Die räumliche Verteilung der monatlichen Kohlenstoffspeicherung im Untersuchungsgebiet während der verschiedenen Jahreszeiten wurde mithilfe des Fernerkundungsmodells ermittelt (siehe Abbildung oben). Diese Abbildung zeigt die Verteilung der Kohlenstoffspeicherung im Schilf in den verschiedenen Monaten der drei Jahreszeiten im Jahr 2022. Die Kohlenstoffspeicherkapazität des Schilfs wird maßgeblich von saisonalen Faktoren beeinflusst: Im Januar (Frühling) ist sie gering bis nicht vorhanden; im Juni (Sommer) steigt sie mit dem Schilfwachstum allmählich an; ab September nimmt sie wieder ab.

Diese Studie untersucht Schilfsumpfgebiete als Forschungsobjekt und kombiniert Felduntersuchungen mit Fernerkundungsdaten, um deren Kohlenstoffspeicherkapazität zu schätzen und zu analysieren. Darüber hinaus prognostiziert sie das Kohlenstoffsenkenpotenzial unter Berücksichtigung lokaler Entwicklungsbedingungen sowie der nationalen wirtschaftlichen und sozialen Entwicklung. Dies liefert eine wissenschaftliche Grundlage für den Schutz und die nachhaltige Nutzung von Schilfsumpfgebieten und trägt zur Bekämpfung des globalen Klimawandels bei.