Gomadingen Pflanzenvielfalt aus der Luft bestimmen

Gomadingen / Von Ralf Ott 11.07.2018

Wie steht es um die Artenvielfalt zum Beispiel auf einer Wiese? Um das herauszufinden, bestimmen Biologen klassischerweise auf einer definierten Parzelle die Anzahl der unterschiedlichen Pflanzen. Der Aufwand dafür ist groß und die Ausdehnung der untersuchten Flächen daher begrenzt. Hier setzt das Infrastruktur-Projekt „Instrumentierung und Fernerkundung“ an, das in diesem Jahr im Biodiversitäts-Exploratorium Alb läuft: Ziel ist es, Aussagen über die Artenvielfalt in vergleichsweise kurzer Zeit durch eine Befliegung mit Drohnen zu erhalten. Die gewonnenen Grundlagendaten sollen für alle weiteren Projekte nutzbar sein.

Doch wie funktioniert die Fernerkundung? Die Idee dazu entstand bei der Analyse von Luftbildern, die im Jahr 2015 mit Flugzeugen aufgenommen wurden. In diesen zeigte sich, dass die Wiesen auf Grund der verschiedenen Pflanzenzusammensetzung unterschiedliche Reflektionen hervorgerufen haben, berichtet Paul Magdon, der für die Abteilung Waldinventur und Fernerkundung der Universität Göttingen das Drohnenprojekt umsetzt. Genaue Aussagen dazu erhoffen sich die Forscher jetzt von Aufnahmen aus geringerer Höhe als dies bei einem Flugzeug möglich ist. „Wir haben uns gefragt, ob durch Bodenaufnahmen in hoher räumlicher Auflösung Rückschlüsse auf die Artenvielfalt möglich sind“, so Magdon. Wenn ja, könnte auf diese Weise auch die Pflanzengesellschaft kartiert werden.

Daher werden alle Grünlandflächen mit Drohnen beflogen. „Das geschieht nach Rücksprache mit den Eigentümern“. Ausgenommen sind Naturschutzgebiete und der ehemalige Truppenübungsplatz. Zugleich erfolgt als Vergleichsbasis eine Kartierung der Pflanzengesellschaft am Boden. „Jede Art hat eine eigene spektrale Signatur“, erläutert Magdon weiter. Um diese zu erkennen, muss das Licht in unterschiedlichen Wellenlängen getrennt erfasst werden. Dafür werden sogenannte Hyperspektralkameras verwendet, die das Licht in über 100 verschiedenen Kanälen aufzeichnen. Der Einsatz solcher Kameras mit Drohnen ist aufgrund ihres hohen Gewichts neu. „Die im Projekt eingesetzte Kamera wurde in Ulm von der Firma Cubert GmbH entwickelt. Solche Kameras werden auch in der Lebensmittelanalyse zur Ermittlung des Reifezustands von Obst eingesetzt.“

Vor dem Start wird an der Kamera mit Hilfe einer Referenzplatte ein Weißabgleich vorgenommen. Die Platte strahlt 50 Prozent des Sonnenlichts in allen Wellenlängen zurück. Anschließend wird ein „schwarzes Bild“ aufgenommen, um den Rauschfaktor als Folge des Dunkelstromeffekts herausrechnen zu können. Die Kamera liefert ein 50 mal 50 Pixel großes hyperspektrales Bild mit 125 Spektralkanälen, sowie ein 1000 mal 1000 Pixel großes Graustufenbild über alle Kanäle. „Werden beide Aufnahmen zusammengefügt, können hochauflösende Bilder ähnlich zu herkömmlichen Fotos erstellt werden“.

Für die Flugplanung zuständig ist Johanna Friedrich, Assistentin im selben Arbeitsbereich an der Uni Göttingen. Die Drohne überfliegt den jeweiligen Plot mit einer Fläche von 50 mal 50 Meter auf vorgegebenen Bahnen. Nach dem Start erfolgt in 30 bis 40 Meter Höhe eine Kontrollaufnahme, dann schaltet Magdon den Autopilot ein. Die Drohne stoppt jeweils zwei Sekunden für eine Aufnahme und fliegt dann weiter. Die Zeit ist knapp bemessen, denn der Akku reicht für den Start, einen zwölfminütigen Flug und die Landung. „Je nach Windgeschwindigkeit steigt der Energieverbrauch an“. Grundsätzlich erfolgen die Aufnahmen nur bei guten Wetter. Jedes Pixel des Bildes erfasst auf diese Weise eine Fläche von 15 mal 15 Zentimeter, während es beim Flugzeug zwei mal zwei Meter waren. Dadurch können mit den Drohnenbildern wesentlich mehr Details erkannt werden. „Auf der Basis der Flugergebnisse soll ein Modell entstehen, das durch Hochrechnung Aussagen über die Pflanzenzusammensetzung ermöglicht“. Damit ließe sich der gesamte Plot erfassen und feststellen, ob dieser homogen oder differenziert aussieht. Bislang erfolgte die Bestimmung nur auf Teilbereichen.

Der eingesetzte Octocopter ist eine spezielle Anfertigung. Acht Rotoren erhöhen die Sicherheit, denn bis zu zwei könnten gleichzeitig ausfallen – allerdings nicht auf einem Arm. Sollte die Drohne fluguntauglich werden, löst sie einen Sicherheitsfallschirm aus und dreht sich um. So ist eine sanfte Landung garantiert und die Hyperspektralkamera, die immerhin rund 70 000 Euro kostet, ist zusätzlich geschützt.

Biodiversität: Projekt zur Fernerkundung

In drei großen Langzeituntersuchungsgebieten (Biosphärenreservat Schorfheide-Chorin, Nationalpark Hainich und Biosphärengebiet Schwäbische Alb), den Biodiversitäts-Exploratorien, wird unter standardisierten Bedingungen der Einfluss der Landnutzungsintensität auf die Artenvielfalt untersucht. Wir berichten heute über das Infrastruktur-Projekt „Instrumentierung und Fernerkundung“.

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