Gewässeranalyse mit passiver Fernerkundung: Ein Modell zur Interpretation optischer Spektralmessungen

Kurzfassung

Gewässerforschung ist ohne den Einsatz abbildender Instrumente auf Flugzeugen oder Satelliten nicht mehr denkbar, denn inhomogene Verteilungen der im Wasser gelösten und suspendierten Stoffe lassen sich durch Schiffsmessungen nur ansatzweise erkennen. Für Substanzen, die Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums absorbieren oder streuen, ist prinzipiell die Konzentrationsbestimmung in einer oberflächennahen Schicht, je nach Trübung bis in mehrere Meter Tiefe, anhand optischer Spektralmessungen möglich und damit der Fernerkundung zugänglich. Bei Flugzeug- und Satellitenmessungen macht Streulicht der Atmosphäre den Hauptanteil des Meßsignals aus, und auch die Reflexionen an der Wasseroberfläche sind zum Teil größer als das Signal aus dem Wasserkörper. Für die Interpretation von Spektralmessungen an Gewässern ist daher die Korrektur von Atmosphäre und Oberflächenspiegelungen genauso wichtig wie der anschließende "Bioalgorithmus", der das Unterwasser-Reflexionsspektrum mit den Konzentrationen einzelner Substanzen verknüpft. Für die vorliegende Arbeit wurden von Deck eines Forschungsschiffs aus passive Spektralmessungen durchgeführt, die die Sonne als Lichtquelle nutzen. Sie sind für den Vergleich mit abbildenden Instrumenten auf Flugzeugen und Satelliten geeignet, und die Positionierung des Spektrometers wenige Meter über der Wasseroberfläche hat den Vorteil, ohne fehlerträchtige Atmosphärenkorrektur auszukommen, da das atmosphärische Streulicht vernachlässigbar ist. Es konnte damit eine Methode entwickelt werden, mit der sich das an der Wasseroberfläche reflektierte Licht von dem Signal aus dem Wasserkörper trennen läßt, und dies auch unter kritischen Lichtverhältnissen (Bewölkung), bei denen üblicherweise Spektralmessungen nicht ausgewertet werden. Bisherige Bioalgorithmen wurden hauptsächlich für den offenen Ozean und in seltenen Fällen für küstennahe Meere entwickelt. Sie unterscheiden zwischen maximal drei Substanzklassen: gelösten organischen Stoffen (Gelbstoff), suspendierten anorganischen Partikeln (Schwebstoff) und Chlorophyll. Die Messungen der vorliegenden Arbeit wurden an einem Binnengewässer, dem Bodensee, durchgeführt und decken den biologisch interessanten Zeitraum April bis November ab. Parallel dazu wurde von der Universität Konstanz durch Analyse von Wasserproben ein umfangreicher in-situ-Datensatz gewonnen. Dies gestattete die Entwicklung eines Algorithmus, mit dem sich anstelle der einen Klasse "Chlorophyll" nun 4 optische Klassen des Phytoplanktons spezifizieren lassen. Die Trennung der 4 Phytoplanktonklassen gelingt mit einer Genauigkeit von 12 bis 25%.