Vegetationszustandsanalyse im Qinling-Gebirge auf Basis hyperspektraler Fernerkundungstechnologie

Angesichts steigender Anforderungen an Umwelt- und Naturschutz rücken Umweltschutz und ökologisches Bauen zunehmend in den globalen Fokus. Die Forstwirtschaft spielt dabei eine entscheidende Rolle. Aufgrund der signifikanten Zunahme der Waldfläche in meinem Land ist die Verbesserung der Waldqualität zu einem zentralen Anliegen der aktuellen Forstwirtschaft geworden. Die derzeitige Forschung zur Waldgesundheit in meinem Land beschränkt sich auf traditionelle Flächenerhebungen – eine zeitaufwändige und arbeitsintensive Methode, die Veränderungen des Waldzustands nicht effektiv abbildet. Fortschritte bei Spektralbildgebern und hyperspektraler Fernerkundungstechnologie ermöglichen es, detailliertere Informationen über die Landmerkmale zu gewinnen. Unser Unternehmen nutzt Vegetationsindizes, die aus hyperspektralen Bildern extrahiert werden, um die Waldgesundheit zu bewerten. Basierend auf den spektralen Eigenschaften der Waldvegetation entwickeln wir ein Indikatorensystem zur Bewertung der Waldgesundheit anhand von Vegetationsindizes. Dieses System berücksichtigt drei Aspekte: Vegetationsverteilung, Photosyntheseintensität und Stress durch Schädlinge, Krankheiten und Wassermangel.

Vegetationsindex (VI)

Vegetationsindizes (VIs) werden berechnet, indem die Reflexion von Bodenmerkmalen in zwei oder mehr Wellenlängenbereichen kombiniert wird. Diese Indizes können bestimmte Eigenschaften der Vegetation hervorheben. Basierend auf wichtigen chemischen Komponenten, die die spektralen Eigenschaften der Vegetation maßgeblich beeinflussen, wie Pigmente, Stickstoff, Wasser und Kohlenstoff, wurden verschiedene praktische Indizes entwickelt. Dazu gehören Grünanteil, Lichtnutzungseffizienz, Stickstoffgehalt der Vegetationsdecke, Trockenheits- bzw. Kohlenstoffabbau, Blattpigmentierung und Wassergehalt der Vegetationsdecke. Diese Vegetationsindizes bieten eine einfache Möglichkeit, die Menge und den Wachstumszustand grüner Vegetation zu messen.

Grünheitsindex

Der NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) dient primär der Erfassung und Darstellung der Verteilung grüner Vegetation und des Pflanzenwachstums und reagiert sehr empfindlich auf Chlorophyllgehalt, Blattoberfläche und Kronenstruktur – allesamt essenzielle Substanzen für die Photosynthese. Durch die Berechnung des NDVI lässt sich der Wachstumszustand der Vegetation beurteilen.

Lichtnutzungsindex

Es dient zur Messung der Effizienz der Vegetation bei der Nutzung des einfallenden Lichts während der Photosynthese. Die Lichtnutzungseffizienz korreliert direkt mit der Wachstumsrate der Vegetation und der photosynthetisch aktiven Strahlung (fAPAR). Durch die Bewertung und Quantifizierung der Lichtnutzungseffizienz der Vegetation mittels des Rot-Grün-Verhältnisses (RG) lässt sich die Entwicklung des Vegetationsbestands abschätzen. Es ist zudem ein Indikator für die Blattproduktivität und Stressbelastung und kann zur Beurteilung des Wachstumszustands der Vegetation herangezogen werden.

Blattpigmentindex

Diese Indizes dienen der Messung von Stresspigmenten in der Vegetation, vorwiegend Anthocyanen, die hauptsächlich in absterbender Vegetation vorkommen. Chlorophyll kann mit diesen Indizes nicht gemessen werden. Der Anthocyan-Index I (ARI1) innerhalb der Blattpigmentindizes gibt Aufschluss darüber, ob die Vegetation abgestorben ist. ARI1 reagiert besonders empfindlich auf Anthocyane in Blättern; ein höherer ARI1-Wert deutet auf einen höheren Anthocyangehalt im Pflanzenbestand und somit auf ungünstigere Lebensbedingungen hin.

Methoden zur Beurteilung der Gesundheit von Waldbäumen

Das System nutzt drei Vegetationsindizes: erstens den Grünanteil, der die Verteilung der oberflächlichen Vegetation anzeigt; zweitens den Chlorophyllgehalt, der den Gehalt an Carotinoiden und Anthocyanen angibt; und drittens die Lichtnutzungsrate, die das Waldwachstum widerspiegelt. Dadurch lässt sich eine Karte der räumlichen Verteilung des allgemeinen Waldzustands erstellen, die die Erkennung von Schädlingen, Krankheiten und Welkeerscheinungen sowie die Bewertung der Holzernte in einem bestimmten Gebiet ermöglicht.

Die Unterteilung des Eingangsbildes anhand des Gesundheitszustands der Bäume trägt wesentlich zur Beurteilung des Gesamtzustands der Bäume im Bild bei. Die folgende Abbildung zeigt die vom Baumgesundheitsanalyse-Tool generierte Klassifizierungskarte:

Das Bild zeigt ein schematisches Diagramm zur Klassifizierung des Gesundheitszustands von Waldbäumen.

Ergebnisse der Waldgesundheitsbewertung

△ Hyperspektrales Bild des Satelliten XIGUANG-002 (Qinling-Gebiet)

△ Ergebnisse der Waldzustandsanalyse im Qinling-Gebirge

Der Gesundheitszustand des Waldes wird bewertet, wobei höhere Zahlen auf gesündere Bäume hinweisen.

Ausblick

Hyperspektrale Fernerkundungssatellitendaten können genutzt werden, um die Wahrscheinlichkeit von Waldbränden, Pflanzenstress und die Entflammbarkeit der Vegetation im Qinling-Gebirge zu analysieren und zu bewerten. Die Wahrscheinlichkeit von Waldbränden korreliert mit dem Grünindex, dem Wassergehalt des Kronendachs, Trockenheit und dem durch nicht-photosynthetische Pflanzen verursachten Kohlenstoffabbau. Pflanzenstress steht in engem Zusammenhang mit dem Grünindex, dem Blattflächenindex, dem Wassergehalt des Kronendachs, dem Stickstoffgehalt des Kronendachs und der Lichtnutzungseffizienz. Die Vegetationsunterdrückung korreliert mit Veränderungen der spektralen Reflexion im roten und nahinfraroten Spektralbereich des Bildes.