Uni-Bayreuth

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Doktorarbeit

Evaluation of MODIS products over four European ecological study sites

Dinh Nguyen (04/2006-04/2009)

Betreuer: Thomas Foken, John Tenhunen

Aufgrund der komplexen Interaktionen zwischen Geosphäre, Biosphäre und Atmosphäre spielt die Vegetation auf der Erde eine der Schlüsselrollen des globalen Klimas. Das Verständnis dieser Interaktionen und Prozesse ist von grundlegender Bedeutung zur Vorhersage zukünftiger Klima- und Vegetationsszenarios. Eigenschaften der Kontinentoberflächen, wie Vegetationsbedeckung und Blattflächenindex (LAI) fließen ein als essentielle Vorgaben für die Berechnung hydrologischer, ökologischer und klimatischer Modelle. Es sind dies Schlüsselparameter zur Erklärung der „Funktion“ der Pflanzendecke und sie werden daher benötigt für die Modellierung der Biomasse-Produktion, des Klimas der Landoberflächen, der globalen Kohlenstoff-Bilanz und der Landwirtschafts-Erträge in Abhängigkeit zum anthropogenen Ressourcen-Management. Ihre realistische Modellierung für eine exakte quantitative Charakterisierung globaler Dynamiken verlangt die periodische und globale Definition dieser Prozesse in höchster Genauigkeit. Hierfür wurden MODIS-basierte Land-Oberflächen-Modelle entwickelt, welche inzwischen weltweit verfügbar sind.

Zur Überprüfung der Vorhersagegenauigkeit der MODIS-Modellierungen sind dennoch Tests hinsichtlich Land-Vegetationsbedeckung und LAI erforderlich, um die Simulationen hinsichtlich der Quantifizierung der großmaßstäblichen Wasser- und Kohlenstoff-Bilanz überprüfen zu können. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Bestimmung der Zuverlässigkeit von MODIS-Produkten, die die spektrale Reflexions-Eigenschaften der Land-Bedeckung, der Landnutzung und des LAIs in typischen europäischen Landschaften räumlich charakterisieren sollen, welche aber hinsichtlich des viel zu großen 1 km-Rasters von MODIS als äußerst fragwürdig zu werten sind. Durchgeführt wurde deshalb eine stufenweise Analyse für die Licht- Reflexion, Landbedeckung und LAI, wobei hoch aufgelöste LANDSAT-TMSatelliten- Bilder und reale Daten von den jeweiligen Orten mit den gröber aufgelösten MODIS-Informationen verschnitten wurden. Dabei wird der Einfluß der Landschaftsfragmentierung auf die MODIS-Simulation verständlich und es müssen daher in der Zukunft klare Regeln angewandt werden, sie einzusetzen.

Vier europäische Orte wurden für die vorliegende Studie ausgewählt; Landschaften in denen folgende Vegetationsformen dominierten: laubabwerfende Wälder in der Umgebung von Hesse (Frankreich), Nadelholzforste bei Tharandt (Deutschland), Mischwälder sowie alpine Matten im Nationalpark Berchtesgaden (Deutschland) und im Stubai-Tal (Österreich). Alle vier Regionen besitzen darüber hinaus eine stark variierende Landnutzung. Um die detaillierten vor-Ort-Messungen mit MODIS (mit 1 km-Rasterauflösung) vergleichen zu können, war es notwendig, eine Brücke zu schlagen mit Hilfe der LANDSAT TM-Satellitenbilder in 30 m- Rasterauflösung. Es zeigte sich, dass die Bestimmungsgenauigkeit von LANDSAT TM-Bildern für alle 4 Regionen nicht mehr als um einen halben Pixel abwich und dass die Standardabweichung weniger als 0,3 Pixel betrug. Hierzu war es notwendig, mindestens 40 vor-Ort-Punkte mit der Nearest Neighbour-Resampling Methode einzubeziehen.

Die Ergebnisse der Evaluation zeigten, dass die modifizierten MODISReflexdaten- Produkte hinreichend genau sind (weniger als 10 % des absoluten Fehlers). Entsprechend sollten die Reflexions-Daten von zwei verschiedenen Satelliten-Bildern verwendet werden und diese Informationen sollten in Vergleichsuntersuchungen eingesetzt werden zur Feststellung der Landbedeckung und zur Schätzung der Blattflächenindices. Der Vergleich der Landbedeckung zeigte, dass sowohl der Maßstab bei der Klassifizierung als auch die Zahl und der Typ der Landnutzung sich wesentlich verschiebt beim Sprung von der 30 m- zur 1 km-Auflösung. Die kleinräumliche Fragmentierung der europäischen Landschaft bleibt ein zu lösendes Problem bei der Verwendung von MODIS-Produkten. Eine echte Repräsentierung der Landbedeckung kann jedenfalls nicht aus der geläufigen MODIS-Landbedeckungs-Klassifikation im 1 km-Raster gewonnen werden. Die Verwendung solcher Deskriptoren in Modellen zur Landbedeckungs-Klassifikation kann daher zu erheblichen Fehlern führen. Dementsprechend sind MODIS-basierte- Modelle, die sich mit dem Verhalten von Wasser und CO2 im Austausch zwischen der Landoberflächen und der Atmosphäre befassen, fehlerbehaftet oder zumindest nur mit Einschränkungen zu betrachten. Die sich dabei ergebenden Probleme der Klassifikation führen zu weiteren Schwierigkeiten in der Ansprache der Landnutzung, solange der LAI auf Annahmen der Landnutzungen als Input-Variable basiert. Auf dem Höhepunkt der jährlichen Vegetationsentwicklung erscheinen LAI Werte, jeweils ermittelt aus den LANDSAT-Satellitenaufnahmen und der MODISModellierung als stark unterschätzt. Während des Winters treten diese Fehlerraten noch stärker ins Gewicht, sind jedoch nicht übereinstimmend für Grasland zu laubabwerfendem Wald oder Nadelwald. Die Ergebnisse lassen Zweifel aufkommen über die Nützlichkeit von MODIS LAI-Berechnungen als Inputs für Simulationsmodelle auf kontinentalem Maßstab hinsichtlich der Kohlenstoff- und Wasserbilanz. Dies gilt zumindest für das in der anthropogenen Landnutzung stark fragmentierte und heterogene Europa. Die Anwendung von MODIS-Produkten innerhalb Europas verlangt daher die hier vorgestellten neuen Technologien bei der Suche nach vergleichbaren und aggregierbaren Dateninformation zur Landnutzung und ihrer Reflexions-eigenschaften zur Bestimmung des LAI für großräumige Maßstäbe.

Letzte Änderung 11.11.2013