Radarsatelliten erfassen Pflanzenwachstum für Landwirtschaft und Umwelt

Das Erntejahr 2014 nähert sich dem Ende und in ganz Deutschland zeichnen sich für Weizen, Mais & Co. insgesamt gute Erträge ab. Standortabhängig zeigen sich jedoch extreme Unterschiede. Für optimalen Anbau ist es daher wichtig, den Zustand des Bodens und der Pflanze regelmäßig und flächendeckend erfassen können. Am besten mit Radar.

Techniken und Verfahren speziell zur Radar-Fernerkundung der Landmasse werden am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Oberpfaffenhofen entwickelt. Die Wissenschaftler haben ihre Testkampagne 2014 fast abgeschlossen und einen umfangreichen Datensatz erstellt: hochauflösende Radaraufnahmen von landwirtschaftlichen Gebieten, die Aufschluss geben über die gesamte Wachstumsperiode der Pflanzen. Die Radarmessungen per Flugzeug und Satellit wurden von Mai bis September 2014 über Wallerfing in Bayern, nahe Deggendorf, durchgeführt. Ergänzt werden die Daten durch detaillierte In-Feld-Messungen am Boden.

Strukturen verändern Radarsignal, Farben machen’s sichtbar

Das erste Bild zeigt die Art der Vegetatinsbedeckung und der Bodenbeschaffenheit durch Farbcodierung. Die Farben ergeben sich aufgrund unterschiedlich starker Rückstreuung des Radarsignals in verschiedenen Polarisationen. Dunkle Farben markieren dagegen glatte und ebene Flächen wie Straßen. Das voll polarimetrische RGB-Bild zeigt die Testregion Wallerfing vom 12.05.2014 im C-Band, bei fünf cm Wellenlänge.

Das zweite Bild zeigt ein voll polarimetrisches RGB-Bild der Testregion Wallerfing vom 22.05.2014 im L-Band, bei 23 cm Wellenlänge. Helle Flächen im Radarbild kennzeichnen rauhere Oberlfächen auf dem Erdboden, desto komplexer die Struktur. Bäume und Wälder verändern und streuen die Radarstrahlung stark in mehreren Polarisationen, und erscheinen daher grün bis weiß. Im langwelligen Radarbereich können die Sensoren auch den Boden gut erfassen. Rote und braune Färbungen lassen auf die Bodeneigenschaften unter der Vegetation schließen.

Radaraufnahmen sind besonders gut geeignet, flächendeckende Beobachtungen durchzuführen – per Flugzeug oder per Satellit. "Es ist für uns ein Segen, dass durch die hervorragende Kooperationen mit den Landwirten vor Ort ein einmaliger Datensatz von Feld-Messungen zur Validierung unserer SAR-Algorithmen zur Verfügung steht", sagt Dr. Thomas Jagdhuber vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Boden- und Biomasse-Erfassung für die Präzisionslandwirtschaft

Radarsensoren können je nach Wellenlänge auch durch hohen Pflanzenbewuchs bis in den Boden dringen. In der aktuellen Studie verwenden die Forscher die am DLR entwickelte F-SAR-Antenne (Synthetic Aperture Radar) für Messungen in unterschiedlichen Wellenlängen. So können mit einer Aufnahme verschiedene Eigenschaften eines Gebiets flächendeckend erfasst werden – dazu gehören Pflanzenhöhe, Anbaudichte und Pflanzenstruktur sowie Bodenfeuchte, Bodenrauhigkeit und Biomasse. Diese Parameter sind nicht nur für Präzisionslandwirtschaft, sondern auch für hydrologische Fragestellungen und die Klimaforschung relevant.

Die Bodeneigenschaften liefern Landwirten beispielsweise Hinweise für die gezielte Bewässerung oder zum Schutz des Erdreichs vor Überschwemmungen oder Erosionen. Klimaforschern geben die Messungen Aufschluss über den Wasserkreislauf und seine Wechselwirkungen mit dem lokalen Klima. So können die wissenschaftlichen Prognosen für regionale Klimaänderungen und weitere Auswirkungen verbessert werden.

Auch die Radardaten zur Biomasse sind für Klimaforscher und Landwirte gleichermaßen wertvoll. Als natürlicher Kohlenstoffspeicher hat Biomasse unmittelbaren Einfluss auf den Treibhauseffekt – für Klimaexperten ein zentrales Forschungsthema. Landwirte können anhand der Biomasse bereits vorab ihre Ernteerträge abschätzen, sowohl für die Produktion von Nahrungsmitteln wie für die Energiegewinnung (Biogas).

3D-Charakterisierung der Vegetation durch SAR-Technologien

Die Radaraufnahmen geben die einzelnen Parameter jedoch nicht auf Anhieb preis: Die Radarsignale müssen differenziert, die Informationen daraus erst abgeleitet werden. Die DLR-Wissenschaftler verwenden dazu Fernerkundungsmethoden wie die SAR-Polarimetrie, die polarimetrische SAR-Interferometrie und die polarimetrische SAR-Tomographie. Die spezifischen Algorithmen werden nun für die unterschiedlichen Parameter zu den jeweils verschiedenen Stadien des Pflanzenwachstums weiter verfeinert.

Dadurch ist eine Trennung der Rückstreuungsbeiträge von Pflanze und Boden möglich. Bodenfeuchte, Bodenrauhigkeit und Vegetationsparameter können auf diese Weise eindeutig bestimmt werden. Für die 3D-Charakterisierung der Vegetation werden außerdem neue Algorithmen entwickelt, so Hannah Jörg vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme. Als Referenzziel für die Kalibrierung der SAR-Daten wurde bei Wallerfing ein trihedaler Reflektor aufgestellt (Bild 6). Dieser reflektiert 100 Prozent der einfallenden Radarstrahlung, ähnlich wie bei einem Katzenauge am Fahrrad.

Die Weiterentwicklungen der Verfahren dienen auch der Vorbereitung für ein neues Forschungsprojekt des Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme: Tandem-L. Dabei handelt es um den Vorschlag für eine hochinnovative Radarsatellitenmission zur Beobachtung von Erde und Umwelt – global, kontinuerlich und in bisher unerreichter Qualität und Auflösung.

Tandem-L: Erfassung der gesamten Erde

Ziel von Tandem-L ist es, die Landmasse der Erde im Wochenrhythmus dreidimensional zu erfassen und auf essenzielle Umweltparameter hin zu überwachen. Die entsprechenden wissenschaftlichen Aufgaben werden in der HGF-Allianz "Remote Sensing and Earth System Dynamics", unter Beteiligung von acht deutschen Forschungsinstituten und elf Universitäten, gebündelt. In diesem Rahmen finden auch die Flugkampagnen statt.

Seit 2008 werden in Wallerfing Flüge zur Radar-Fernerkundung durchgeführt, in einer Zusammenarbeit des DLR-Instituts für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme (Prof. Irena Hajnsek, Ralf Horn) mit dem Lehrstuhl für Geographie und geographische Fernerkundung der Ludwig-Maximilians-Universität München (Prof. Ralf Ludwig). Im Einsatz ist das DLR-Forschungsflugzeug Dornier Do-228 mit weißem Antennenhalter des F-SAR-Sensors, betrieben von der DLR-Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen.

Das Zielgebiet Wallerfing ist aufgrund seiner großen Pflanzenvielfalt für die Forschungsarbeit besonders gut geeignet. Seit 2010 ist es offizielles Testgelände für Referenzmessungen der deutschen Radarsatellitenmissionen TerraSAR-X und TanDEM-X. Künftig könnte Wallerfing auch als Testgelände für die vorgeschlagene Radarsatellitenmission Tandem-L genutzt werden.