Grundlagen Fernerkundung

Der Begriff Fernerkundung bezeichnet die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche oder andere nicht direkt zugängliche Objekte durch Messung und Interpretation der von ihnen ausgehenden oder reflektierten elektromagnetischen oder Schallwellen.

Fernerkundung wird im Waldbereich zur Kartierung, Modellierung und für das Monitoring von Waldkomposition, -struktur und -dynamik eingesetzt und stellt wertvolle Grundlagen für die Waldplanung und das Waldmanagement bereit. Die Datengewinnung findet mittels Sensoren statt, die von Satelliten, Flugzeugen, Helikoptern oder Drohnen getragen werden. Dabei spielen die verschiedenen Fernerkundungsplattformen, Aufnahmesysteme und Sensoren sowie die eingesetzten Analysemethoden eine zentrale Rolle.

Fernerkundungsplattformen

Es handelt sich um die Einheit, welche den Sensor trägt, also um Satelliten, Flugzeuge, Helikopter oder Drohnen. Der primäre Unterschied neben den Kosten ist die Distanz zur Erdoberfläche. Grundsätzlich nimmt die Auflösung der erfassten Daten mit zunehmender Distanz zur Erdoberfläche bzw. zunehmender Grösse des Ausschnitts ab (Abb. 2). Die Aufnahme von grösseren Flächen in einer Befliegung kann dafür kostengünstiger sein, häufiger wiederholt werden und liefert für grosse Flächen homogene Daten (z.B. gleiche Beleuchtungsintensität).

Die verschiedenen Plattformen eignen sich dementsprechend für unterschiedliche Fragenstellungen. Mit Drohnen können z.B. sehr detaillierte Informationen für kleine Waldgebiete erhoben werden, sie sind jedoch für eine rasche Übersicht nach einem nationalen Sturmereignissen nicht geeignet.

• Satelliten
• Flugzeug / Helikopter
• Drohne

Aufnahmesysteme und Sensoren

Es wird zwischen aktiven und passiven Systemen unterschieden, wobei die passiven Systeme die reflektierte Sonnenstrahlung aufzeichnen, die aktiven Systeme dagegen selbst Mikrowellen- oder Laserstrahlen aussenden. Aktive Systeme wie LiDAR (Light Detection and Ranging) und Radar (Radio Detection and Ranging) sind grösstenteils unabhängig von Wetter und Sonnenstand, wobei passive Systeme (optische Sensoren) stark witterungsabhängig sind.

Mit den beiden Aufnahmesystemen können sehr unterschiedliche Informationen über den Wald erhoben werden. So liefern z.B. LiDAR-Daten detaillierte Informationen über die Vegetationshöhe, eignen sich aber nicht für Spektralanalysen (Blattfarbe, Vitalität etc.). Bei den passiven Systemen wird zwischen multispektralen (mehrere Bänder) und hyperspektralen Sensoren (mehrere hundert Bänder) unterschieden. Die verschiedenen spektralen Bereiche, z.B. Infrarot, liefern für Vegetationsanalysen wertvolle Informationen. Typischerweise werden multispektrale Sensoren mit 4 bis 13 Kanälen verwendet, wie dies bei diversen Luft- und Satellitenbildern (swissimage, Landsat, Sentinel-2) der Fall ist.

• Optische Sensoren
• LiDAR
• Radar

Fernerkundungsprodukte

Was produziert Fernerkundung?

Die folgenden vier Auflösungen beschreiben die wichtigsten Eigenschaften von Fernerkundungsdaten:

• räumliche Auflösung (Pixelgrösse, Punktdichte)
• zeitliche Auflösung (Zeitdauer zwischen zwei Aufnahmen)
• spektrale Auflösung (Anzahl spektraler Kanäle)
• radiometrische Auflösung (unterscheidbare Graustufen, z.B. 8 Bit)

Je höher eine Auflösung, desto höher der Detaillierungsgrad. Die verschiedenen Auflösungen stehen in einem Trade-Off, das heisst, es können nicht alle Auflösungen gleichzeitig optimiert werden ohne Zusatzkosten. Es zählt nicht nur die Pixelgrösse bzw. die Punktdichte - für gewisse Anwendungen sind die Erfassung der zeitlichen Dynamik, die grossflächige Verfügbarkeit oder spezifische spektrale Informationen entscheidend. Zudem stellen räumlich hochaufgelöste Daten, obwohl sie für das menschliche Auge sehr gut interpretierbar sind, hohe Ansprüche an die Rechenleistung und sind eine Herausforderung für die automatische Auswertung.

• Luftbilder
  • Orthofotos
• Satellitendaten
  • Vegetationsindices aus Spektralbändern
• Punktwolken / 3D Modelle
  • Ditigale Höhenmodelle (DSM, DTM, VHM)
• Radar

Fernerkundung in der Waldwirtschaft

Einsatzgebiete, Was bringt mir Fernerkundung?

• Monitoring und Modellierung
  • Wissenschaft: z.B. Entwicklung im Kontext von Klimawandel
  • Wirtschaft: Bestandsentwicklung, Zunahme von Nutzholz, ...
• Inventur und Statistiken
  • Bestandsaufnahme
• Katastrophenschutz (Waldbrände, Erosion/Lawinen, ...)
• Totholzerkennung
• Waldstruktur

Datenverarbeitung

mit welchen Methoden arbeitet die Fernerkundung?

• TOOLS

• visuelle Überprüfung
• Machine Learning / Modellierung
• spektrale Indizes