Vergleich hyper- und multispektraler optischer Sensoren bezüglich ihres Potentials zur Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen in Binnengewässern

Kurzfassung

Aquatische Systeme wie Seen und Flüsse bilden eine wesentliche Grundlage des Lebens sowohl für den Menschen als auch für viele Tier- und Pflanzenarten und erbringen darüber hinaus zahlreiche sogenannte Ökosystemleistungen. So dienen sie unter anderem als Trinkwasserreservoir für Menschen und Nutztiere, der landwirtschaftlichen Bewässerung und dem Hochwasserschutz. Außerdem erfüllen sie viele weitere Funktionen, zum Beispiel als Transportweg für die Binnenschifffahrt, für das Fischereiwesen und für Naherholung und Tourismus. Binnengewässer spiegeln auch den Zustand einer sich verändernden Umwelt wider, in der sich Klimawandel, anthropogene Einflüsse und Veränderungen der Landnutzung- und Bedeckung beobachten lassen. Mit der seit 2000 geltenden Wasserrahmenrichtlinie (WRRL) der Europäischen Gemeinschaft ist die Einhaltung von Mindestanforderungen an die Wasserqualität vorgeschrieben. Das Monitoring von größeren Seen ist demnach von extremer Wichtigkeit. Allerdings kann es aufgrund der teilweise schlechten Zugänglichkeit Probleme geben. Auch sind Beprobungen in Form von In-situ-Messungen mit hohem Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Lokale Wasserproben, welche üblicherweise per Boot oder mittels stationärer Messstationen entnommen werden, können im Labor analysiert werden. Fernerkundung (FE) ist eine Möglichkeit flächendeckende, räumlich und zeitlich hochaufgelöste sowie kostengünstige Informationen über die Erdoberfläche zu erhalten. Die Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen durch deren Spektralcharakteristik sowie der Einfluss der Atmosphäre auf die Messwerte stellen die Gewässerfernerkundung vor Schlüsselprobleme. Durch die Streuung und Absorption des Sonnenlichts innerhalb der Atmosphäre kommt es zu einem Störeinfluss der am Sensor ankommenden Strahlung. Ein weiterer Störfaktor ist die Spiegelreflexion des Lichts an der Oberfläche des Wasserkörpers. Bevor das am Sensor empfangene Signal interpretiert und der Gehalt von Wasserinhaltsstoffen bestimmt werden kann, muss es mittels Korrekturverfahren bereinigt werden. Mit speziellen Algorithmen lassen sich die Konzentrationen von Wasserinhaltsstoffen (z.B. Phytoplankton, Sedimenten und gelösten organische Substanzen) berechnen, die dann wiederum Informationen über den ökologischen Zustand eines Gewässers liefern. Das Ziel der Arbeit ist die Untersuchung des Potentials der multi- und hyperspektralen Fernerkundungssensoren bezüglich der Bestimmung der Wasserinhaltsstoffe. Als Grundlage dafür dienen die Daten der Messkampagne vom Stechlinsee. Dazu werden mit dem Programm WASI typische Wasserinhaltsstoffe (Chlorophyll-a, Schwebstoffe, Gelbstoffe) für den Stechlinsee bestimmt. Die Atmosphärenkorrektur der FE-Sensoren sowie die Maskierung der Wasseroberfläche sind essenzielle Vorbedingungen für eine möglichst korrekte Berechnung der Wasserinhaltsstoffe. Die Genauigkeit der ermittelten Wasserinhaltsstoff-Konzentrationen aus den optischen FE-Sensoren wird untersucht und mittels der In-situ-Messungen überprüft. Durch die Nutzung von statistischen Maßen wird eine Rangfolge erstellt, in welcher die FE-Sensoren nach ihrer geringsten Abweichung zu den In-situ-Messungen geordnet werden. Die sich ergebende Rangfolge gibt Aufschluss darüber, wie gut die eingesetzten Sensoren zur Bestimmung von Wasserinhaltsstoffen geeignet sind.