Monitoring of the Biophysical Status of Vegetation : Using Multi-angular, Hyperspectral Remote Sensing for the Optimization of a Physically-based SVAT Mode

Diese Arbeit ist das Ergebnis der letzten acht Jahre meines wissenschaftlichen Lebensweges und spiegelt die Schwerpunkte meiner Forschungsinteressen wider: Einen wesentlichen Schwerpunkt bildet das Thema Pflanzen, das nahezu unerschöpfliche Möglichkeiten der Forschung bietet. Der Großteil aller Austauschprozesse zwischen der Landoberfläche und der Atmosphäre werden durch Landpflanzen vermittelt (Schurr et al. 2006). Dabei stellt die Photosynthese den primären Energiewandlungsprozess dar, der die Sonnenenergie in chemisch nutzbare Energie überführt, der Biomasseproduktion und Wachstum treibt. Photosynthese, Stoffproduktion und Pflanzenwachstum sind dynamische, in hohem Maße geregelte Prozesse, die von den verschiedensten Umweltfaktoren beeinflusst werden und zur Ausbildung vielfältiger räumlicher und zeitlicher Muster – von der Ebene der einzelnen Zelle bis zum Ökosystem – führen. Das Verstehen der komplexen Prozesse und ihrer Interaktionen führt dabei über die Analyse ihrer raumzeitlichen Dynamik auf verschiedenste Ebenen. Die Zukunft vieler Themen der Menschheit ist eng mit dem Verständnis der raumzeitlichen Dynamik der Entwicklung und Funktion der Landpflanzen verbunden, wozu unter anderem die Sicherung der Ernährung und der Versorgung der Atmosphäre mit Sauerstoff gehört (Osmond et al. 2004). Die Spannbreite der relevanten Muster reicht dabei von der subzellulären Ebene bis hin zu raum-zeitlichen Prozessen, die sogar aus dem Weltraum beobachtet werden können. Dies verdeutlicht die vielfältigen Möglichkeiten, welche Pflanzen für einen Wissenschaftler bieten und vielleicht erklärt sich damit mein Interesse an diesem Themenkomplex. Dabei liegt mir die Einbeziehung der Pflanzenphysiologie in die klassische Vegetationsgeographie besonders am Herzen. Wer sich mit Vegetation beschäftigt, stößt bald auf Fragestellungen zum Pflanzenbau und zu modernen Methoden des Managements von Pflanzen im Rahmen derer ackerbaulichen Nutzung, die in den letzten Jahren aufgrund der geänderten Anforderungen des Landbaus an den Umweltschutz vermehrt auftauchten. Insbesondere im teilflächenspezifischen Anbau (precision farming) spielt die flächenhafte Untersuchung von Ackerkulturen eine wichtige Rolle, wobei hier eine besondere Rolle der Fernerkundung als Möglichkeit zur Beobachtung raumzeitlicher Prozesse zwischen und innerhalb von Pflanzenbeständen zukommt. Dabei stehen insbesondere hyperspektrale Instrumente im Zentrum des Interesses, da die Vielzahl der engbandigen Kanäle die Analyse von Pflanzeninhaltsstoffen, wie z. B. Chlorophyll, ermöglicht. Damit bietet sich eine Vielzahl von Möglichkeiten zur Beobachtung von pflanzenphysiologischen Vorgängen und deren raum-zeitlichen Mustern. Im Rahmen dieser Arbeit werden dabei C3 und C4 Pflanzen untersucht, welche die gängigsten Wege der Kohlenstoffassimilierung darstellen. Als Beispielpflanzen dienen Weizen (Triticum aestivum L.) und Mais (Zea mays L.), welche im Rahmen von Geländekampagnen in den Jahren 2004 und 2005 intensiv beprobt wurden und mit Hilfe von Fernerkundungssensoren im Laufe der Vegetationsperioden dieser beiden Jahre überflogen wurden, so oft es die örtlichen Wetterbedingungen erlaubten. Die Fernerkundungssensorik bestand aus dem satellitengestützten, Abbildenden Spektrometer CHRIS sowie dem flugzeuggetragenen Hyperspektralsensor AVIS. Die Analyse der Frage zur winkelabhängigen Beobachtung von Sonnen- und Schattenchlorophyll basiert auf regelmäßigen CHRIS Überflügen, welche die fernerkundliche Datengrundlage liefern. Räumlich hochaufgelöste, winkelabhängige Aufnahmen konnten im Jahr 2004 mit dem lehrstuhleigenen Sensor AVIS erhoben werden, dessen Daten als wertvolle Ergänzung dienen. Neben der Analyse von Pflanzenbeständen hinsichtlich ihres Chlorophyllgehaltes und dessen raum-zeitlicher Dynamik stellt die modellhafte Abbildung dieser Dynamik einen weiteren Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Pflanzen reagieren aufgrund ihrer sessilen Lebensweise auf globale Klimaveränderungen und auf regionale Umwelteinflüsse sehr sensibel. Dies verdeutlicht das seit Jahren wachsende Interesse an der Abbildung des pflanzlichen Stoffwechsels und der Photosynthese im Rahmen von Modellen (von Caemmerer 2000). Dafür ist ein vertieftes Verständnis des Metabolismus von Pflanzen erforderlich sowie eben die raum-zeitliche Dynamik, welche mit Hilfe von Fernerkundungsdaten abgebildet werden kann. Daher sollen die fernerkundlich abgeleiteten Chlorophyllgehalte von Sonnen- und Schattenbereichen in das physikalisch-basierte SVAT Modell PROMET implementiert werden. In PROMET wird die Photosynthese von Pflanzenbeständen bereits in einen Sonnen- und Schattenbereich unterteilt vorgenommen. Die obere Bestandesschicht unterliegt dabei einem Strahlungsregime, welches hauptsächlich von direkter Strahlung dominiert wird. Die untere, beschattete Bestandesschicht unterliegt einem Strahlungsregime, das von der diffusen Strahlungskomponente dominiert wird…

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