Überwachung der Vegetationsbedeckung mittels hyperspektraler Fernerkundungstechnologie

In der Fernerkundungstechnik werden Vegetationsindizes häufig zur Gewinnung von Vegetationsinformationen eingesetzt. Sie sind charakteristische Größen, die aus der Reflexion im sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereich berechnet werden und den Grad und den Wachstumszustand der Oberflächenvegetation widerspiegeln. Zu den gebräuchlichen Vegetationsindizes zählen der Naturalized Difference Vegetation Index (NDVI), der Difference Vegetation Index (DVI) und der Virtualisierungsindex (VI).

Methoden zur Überwachung von Vegetationsbedeckungsänderungen auf Basis von Fernerkundungstechnologien

1. Methode zur Änderung des Vegetationsindex

Die Methode der Vegetationsindexänderung vergleicht Vegetationsindizes in mehreren Fernerkundungsbildern und berechnet deren Veränderungen, um den Zustand der Vegetationsbedeckung zu bestimmen. Durch die Analyse dieser Veränderungen lassen sich Wachstum und Absterben von Vegetation sowie Veränderungen der Vegetationsbedeckung ermitteln.

2. Klassifizierungs- und Variationsmethode

Die klassifizierungsbasierte Änderungsmethode nutzt Fernerkundungsbilder zur Klassifizierung, um Veränderungen der Vegetationsbedeckung abzubilden. Durch die Klassifizierung und Analyse von Fernerkundungsbildern gewinnt diese Methode Informationen über Veränderungen und Arten der Vegetationsbedeckung und liefert genauere Überwachungsergebnisse als die Methode der Vegetationsindexänderung.

Grundlegender Prozess der Überwachung der Vegetationsbedeckung

1. Datenerfassung

Der erste Schritt bei der Nutzung von Fernerkundungstechnologien zur Überwachung der Vegetationsbedeckung ist die Erfassung geeigneter Daten. Fernerkundungsdaten können von Satelliten, Drohnen oder anderen Fernerkundungsplattformen stammen. Satellitendaten weisen typischerweise eine große räumliche Abdeckung und eine geringere zeitliche Auflösung auf, während Drohnendaten eine kleinere räumliche Abdeckung und eine höhere zeitliche Auflösung bieten. Je nach Bedarf können verschiedene Datentypen ausgewählt werden. Darüber hinaus müssen Faktoren wie die Bandkombination und die Auflösung der Daten berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass die Daten aussagekräftige Informationen über die Vegetation liefern.

2. Datenvorverarbeitung

Nach der Erfassung von Fernerkundungsdaten sind verschiedene Vorverarbeitungsschritte erforderlich, um für die Vegetationsbedeckungsüberwachung nutzbare Daten zu erhalten. Zu diesen Vorverarbeitungsschritten gehören die Wolkenentfernung, die atmosphärische Korrektur und die radiometrische Kalibrierung. Zur Wolkenentfernung können Wolkenerkennungsalgorithmen eingesetzt werden, um wolkenbedeckte Bereiche zu entfernen, oder es kann eine Wolkenbildfusionstechnologie verwendet werden, um wolkenbedeckte und wolkenfreie Bilder zusammenzufügen. Die atmosphärische Korrektur erfolgt mithilfe von atmosphärischen Korrekturmodellen, um atmosphärische Einflüsse zu eliminieren und Fehler zu reduzieren. Darüber hinaus ist eine radiometrische Kalibrierung notwendig, um die Fernerkundungsdaten in physikalische Größen umzurechnen.

3. Berechnung des Vegetationsindex

Vegetationsindizes sind wichtige Indikatoren zur Überwachung der Vegetationsbedeckung. Zu den häufig verwendeten Vegetationsindizes gehören der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) und der Difference Vegetation Index (DVI).

Vegetationsindizes lassen sich anhand verschiedener Bänder von Fernerkundungsdaten nach festgelegten Formeln berechnen. Beispielsweise kann der NDVI durch Berechnung des Verhältnisses von Infrarot- zu sichtbarem Licht ermittelt werden. Die berechneten Vegetationsindizes geben Aufschluss über den Zustand der Vegetationsbedeckung und ermöglichen somit deren Überwachung.

4. Dateninterpretation und -analyse

Nach der Berechnung des Vegetationsindex müssen die Daten interpretiert und analysiert werden, um weitere Informationen über die Vegetationsbedeckung zu gewinnen. Für die Interpretation und Analyse können Methoden wie Bildklassifizierung und Veränderungserkennung eingesetzt werden. Die Bildklassifizierung teilt verschiedene Pixel in einem Fernerkundungsbild in unterschiedliche Kategorien ein, beispielsweise Vegetation, Gewässer und Gebäude. Die Veränderungserkennung vergleicht Fernerkundungsbilder aus verschiedenen Zeiträumen, um Veränderungen der Vegetationsbedeckung zu identifizieren. Durch Interpretation und Analyse lassen sich Informationen wie die räumliche Verteilung und die Veränderungstrends der Vegetationsbedeckung gewinnen. Diese Informationen bilden eine Grundlage für Entscheidungen im Vegetationsmanagement und im Naturschutz.

5. Ergebnisprüfung und Genauigkeitsbewertung

Um die Genauigkeit der Überwachungsergebnisse zu überprüfen, sind Ergebnisverifizierung und Präzisionsbewertung erforderlich. Die Verifizierung kann durch Felduntersuchungen und Probenahmen erfolgen, wobei die Übereinstimmung zwischen den Felduntersuchungsergebnissen und den Fernerkundungsdaten verglichen wird. Die Präzisionsbewertung kann mithilfe spezieller Software für räumliche statistische Analysen durchgeführt werden, um Präzisionsindikatoren der Überwachungsergebnisse wie Genauigkeit und Präzision zu berechnen. Durch Ergebnisverifizierung und Präzisionsbewertung lässt sich die Zuverlässigkeit der Fernerkundung beurteilen und als Grundlage für nachfolgende Überwachungsarbeiten dienen.

△ Verteilung der Vegetationsbedeckung in Xi'an im März 2023

CAS Xiguang Aerospace - Fernerkundungsüberwachung der Vegetation

Die durchschnittliche Vegetationsbedeckung in Xi'an im Frühling und Sommer zeigt einen deutlichen saisonalen Trend, was darauf hindeutet, dass Xi'an über ein gutes natürliches ökologisches Umfeld verfügt.Regionale statistische Ergebnisse zeigen, dass das Pflanzenwachstum im Qinling-Gebirge und der Schwemmebene des Weihe-Flusses im südlichen Berggebiet relativ stabil ist; entlang der Hügel und Lössplateaus sind deutliche Wachstumstrends zu beobachten; in neu bebauten Stadtgebieten und wichtigen Entwicklungszonen ist die Vegetationsbedeckung gering. Die Landschaftsmusteranalyse zeigt, dass die Dichte und Anzahl der Vegetationsflächen in Xi’an relativ hoch sind, was darauf hindeutet, dass die Ressourcen Xi’ans kontinuierlich erschlossen und genutzt werden. 

△ Verteilung der Vegetationsbedeckung in Xi'an im August 2023

Der Einsatz von Fernerkundungstechnologien zur Überwachung von Vegetationsveränderungen hat die Effizienz und Genauigkeit dieser Überwachung deutlich verbessert. Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung dieser Technologien werden auch zukünftig neue Verfahren und Methoden entstehen, die präzisere und umfassendere Informationen für die Überwachung von Vegetationsveränderungen liefern. Mithilfe der Fernerkundungstechnologie werden unser Verständnis und der Schutz der Umwelt präziser und effizienter.