Geographisches Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn. Flusseinzugsgebiet der Rur. Diplomarbeit. vorgelegt von Carsten Montzka

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1 Geographisches Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Cluster-Analyse und überwachte Klassifikation von LANDSAT-Daten für die Disaggregierung von Nährstoffbilanzüberschüssen im Flusseinzugsgebiet der Rur Diplomarbeit vorgelegt von Carsten Montzka betreut durch Prof. Dr. Gunter Menz Bonn, im September 2003

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3 Geographisches Institut der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn Cluster-Analyse und überwachte Klassifikation von LANDSAT-Daten für die Disaggregierung von Nährstoffbilanzüberschüssen im Flusseinzugsgebiet der Rur Diplomarbeit im Fach Geographie vorgelegt von Carsten Montzka Rheinbacher Str Bonn betreut durch Prof. Dr. Gunter Menz Bonn, im September 2003

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5 i Danksagung Mein Dank gilt allen, die zum Gelingen dieser Diplomarbeit beigetragen haben. Meinem Betreuer an der Universität Bonn, Herrn Prof. Dr. G. Menz, möchte ich für seine wertvollen Anregungen danken. Herzlich danke ich auch dem Forschungszentrum Jülich, insbesondere den Mitarbeitern der Programmgruppe STE, dass es mir möglich war diese Arbeit am Institut zu erstellen und die umfangreichen Ressourcen zu nutzen. Mein ganz besonderer Dank gilt meinem Betreuer am Forschungszentrum Jülich, Herrn Dr. M. J. Canty, für seine geduldigen Versuche mir die in dieser Arbeit verwendeten Theorien zu erläutern. Ihm danke ich ebenso wie Herrn Dr. F. Wendland für seine stete Bereitschaft zur Diskussion und die kritische Durchsicht des Manuskripts. Dr. R. Kunkel möchte ich für sein Engagement danken, mir durch die Befragung von Landwirten die Erfassung von Ground Truth-Daten zu ermöglichen. Dr. H. Bogena danke ich für seine Hilfe in GIS, Dr. G. Stein für die Beschaffung der LANDSAT-Szenen des Untersuchungsgebietes und M. Frank für die Unterstützung mit Datenmaterial. Herrn Dipl.-Ing. Agr. P. Kreins von der FAA Bonn danke ich für die Bereitstellung der Daten zu Nährstoffbilanzüberschüssen und die Umrechnung auf Verfahrenseinheiten. Ich danke meiner Freundin Sandra für ihre Hilfe, Aufmunterung, Geduld und das ausdauernde Korrekturlesen dieser Arbeit. Das letzte Wort des Dankes gilt meinen Eltern, deren Unterstützung in den vergangenen Jahren - finanziell wie moralisch - nicht nur mein Studium und damit diese Arbeit, sondern meinen ganzen bisherigen Lebensweg erst möglich gemacht hat. Bonn, im September 2003 Carsten Montzka

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7 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Einstieg in die Thematik Ziele und Aufbau der Arbeit Grundlagen der Fernerkundung Theoretische Grundprinzipien LANDSAT 7 ETM Das Untersuchungsgebiet Topographie Geologie Klima Landnutzung Datengrundlagen 23 5 Preprocessing Wavelet Fusion Weitere Korrekturverfahren Geometrische Entzerrung Radiometrische Korrektur durch MAD Hauptkomponententransformation Cluster-Analyse Fuzzy k-means Fuzzy Maximum Likelihood iii

8 iv INHALTSVERZEICHNIS 7 Überwachte Klassifikation Maximum Likelihood Neuronale Netze Objektorientierte Klassifikation Das Verfahren Anwendung Postprocessing Probabilistic Label Relaxation Accuracy Assessment GIS-basierte Disaggregierung von Nährstoffbilanzen Zusammenfassung und Ausblick 97 Literaturverzeichnis 99 A Kartenmaterial 107 B IDL-Programme 111 B.1 Fuzzy k-means B.2 Fuzzy Maximum Likelihood B.3 Probabilistic Label Relaxation C Ergebnistabellen 123 C.1 Maximum Likelihood C.2 Maximum Likelihood nach PLR C.3 Neuronale Netze C.4 Neuronale Netze nach PLR C.5 Objektorientierte Klassifikation

9 Abbildungsverzeichnis 2.1 Das elektromagnetische Spektrum mit atmosphärischen Absorptionsbanden Von einem Fernerkundungssensor aufgenommene Radianzpfade Orbit eines nah-polarumlaufenden Satelliten wie LANDSAT Das hydrologische Einzugsgebiet der Rur Topographie des Rureinzugsgebietes Wavelet Filter Bank zur Kompression des Originalbildes durch Anwendung von Hoch- und Tiefpassfilter Kompression des panchromatischen Kanals für das Gebiet des Rursees durch Wavelets Anwendung des ARSIS-Konzeptes auf Landsat-Daten Ergebnis der Wavelet Fusion am Beispiel des Forschungszentrums Jülich Histogrammvergleich von Kanal 4 der Juni Szene vor und nach der Wavelet Fusion Radiometrische Kalibrierung durch die Orthogonale Regression von Kanal Transformation von zwei hochkorrelierten Kanälen in die Haupkomponenten Scatter Plot von korrelierten Originaldaten und unkorrelierten Hauptkomponenten Nach Größe geordnete Eigenwerte der sechs Hauptkomponenten für Juni v

10 vi ABBILDUNGSVERZEICHNIS 5.10 Erhöhung der visuellen Interpretierbarkeit durch die Hauptkomponententransformation am Beispiel der Bördenlandschaft nördlich von Jülich Konventionelle harte Klassifikation und unscharfes Fuzzy Clustering zur Unterscheidung von drei Landnutzungsklassen Durch Fuzzy k-means entstandene kreisförmige Cluster in einer Punktwolke Hauptkomponenten von Juni 2001 und Ergebnis der Cluster- Analyse mit Fuzzy k-means für ein Gebiet nördlich von Jülich Durch Fuzzy Maximum Likelihood entstandene elliptische Cluster in einer Punktwolke Scatter Plot der ersten beiden Hauptkomponenten der Juni-Szene und Ergebnis der Analyse mit Fuzzy Maximum Likelihood für ein Gebiet nördlich von Jülich Isoprobabilistische Ellipsen dreier bivariat-normalverteilter Klassen Maximum Likelihood Klassifikationsergebnis der Szene vom 26. Juni Das Perzeptron als Grundeinheit eines Neuronalen Netzes Gradientabstiegsverfahren zur Bestimmung des geringsten Klassifikationsfehlers Feed Forward-Netz. Ein zweischichtiges Perzeptron ohne Rückkopplungen Problem des Gradientabstiegsverfahren: Das Verfangen in einem lokalen Minimum der Fehlerfunktion Hierarchisches Netzwerk von Bildobjekten Klassifikationsergebnis mit ecognition für die Satellitenszenen von 25. Mai, 26. Juni und 29. August Untersuchung der Nachbarschaft jedes zehnten Pixels zur Probabilistic Label Relaxation Ergebnis der Maximum Likelihood Klassifikation und einfache bzw. zweifache Filterung mit der Probabilistic Label Relaxation für Juni

11 ABBILDUNGSVERZEICHNIS vii 9.3 Aufbau einer Konfusionsmatrix Stickstoffbilanzüberschüsse für das Rureinzugsgebiet im Jahr 1999 in kg/ha Gegenüberstellung der in dieser Arbeit ermittelten und den von der FAA Bonn angegebenen Stickstoffbilanzen

12 viii ABBILDUNGSVERZEICHNIS

13 Tabellenverzeichnis 2.1 Spektralbereiche und räumliche Auflösung von LANDSAT ETM Verwendete Datensätze Landbedeckungsklassen und Fläche der Trainingsgebiete für den Agrarsektor Klassifikationsgüte nach Verfahren und Datenbasis Producers Accuracy in der Konfusionsmatrix (Prozent) der Maximum Likelihood Klassifikation von 26. Juni 2001 nach der Filterung mit der Probabilistic Label Relaxation (Teil 1) Producers Accuracy in der Konfusionsmatrix (Prozent) der Maximum Likelihood Klassifikation von 26. Juni 2001 nach der Filterung mit der Probabilistic Label Relaxation (Teil 2) Producers und Users Accuracy der Maximum Likelihood Klassifikation von 26. Juni 2001 nach der Probabilistic Label Relaxation Commissions- und Ommissionsfehler der Maximum Likelihood Klassifikation von 26. Juni 2001 nach der Probabilistic Label Relaxation Stickstoffbilanzen auf Kreisebene nach Fruchtarten ix

14 x TABELLENVERZEICHNIS

15 Kapitel 1 Einführung 1.1 Einstieg in die Thematik Die vorliegende Diplomarbeit entstand in der Programmgruppe Systemforschung und Technologische Entwicklung (STE) am Forschungszentrum Jülich. Ein thematischer Schwerpunkt der STE ist die Erarbeitung von wissenschaftlichen Grundlagen für die Entwicklung von Konzepten für ein nachhaltiges und vorausschauendes Management von Wassereinzugsgebieten. In mehreren Forschungsprojekten werden die dort entwickelten Wasserhaushalts- bzw. Stofftransport- und Stoffretentionsmodelle (GROWA, WEKU) mit agrarökonomischen Modellen (RAUMIS) verknüpft. Das Modell GROWA (vgl. Kunkel und Wendland 2002 [25]) berechnet regionale Wasserhaushaltsbilanzen und analysiert die regionalen Austragspfade für Pflanzennährstoffe in die Oberflächengewässer hinein. Das Modell WEKU (vgl. Kunkel und Wendland 1997 [24] und Wendland et al [48]) berechnet die Verweilzeiten des Grundwassers im Aquifer sowie den Transport und den Abbau von Nitrat (NO 3 ) im Grundwasser. Die praktische Anwendung der Modelle erfolgt im Rahmen des Projektes Entwicklung von umsetzungsorientierten integrierten Modellsystemen für die wert- erhaltende bzw. -verbessernde Bewirtschaftung der Wasserressourcen im Flusseinzugsgebiet der Rur (MOSYRUR), welches die STE gemeinsam mit dem Institut für Chemie und Dynamik der Geosphäre - Teilinstitut Agrosphäre (ICG-IV) des Forschungszentrums Jülich bearbeitet. Die hier vorliegende Diplomarbeit ist in dieses Projekt eingebunden und beschäftigt sich deshalb mit dem hydrologi- 1

16 2 KAPITEL 1. Einführung schen Einzugsgebiet der Rur. Im MOSYRUR-Projekt werden die Modelle GROWA und WEKU mit dem agrarökonomischen Modell RAUMIS der Forschungsgesellschaft für Agrarpolitik und Agrarsoziologie (FAA) in Bonn verknüpft (vgl. Gömann et al [14]). Während mit den hydrologischen Modellen räumliche Differenzierungen von bis zu 50m x 50m erreicht werden, liegen die Ergebnisse des agrarökonomischen Modells, Nährstoffbilanzüberschüsse, z. Zt. lediglich disaggregiert bis auf Verwaltungseinheiten (Kreisebene) vor. Ursache hierfür sind allgemeine Datenschutzbestimmungen, die eine Veröffentlichung von Daten zu Anbauflächen und Düngemitteleinsatz für einen einzelnen landwirtschaftlichen Betrieb nicht erlauben. Zur Analyse von Nährstoffströmen in mesoskaligen Flusseinzugsgebieten wie z. B. das der Rur reicht eine auf Kreisebene bezogene Disaggregierung der Nährstoffbilanzüberschüsse jedoch weder aus um die Teilflächen in einem Einzugsgebiet zu identifizieren, von denen ein Gefahrenpotential für Oberflächengewässer bzw. das Grundwasser ausgeht, noch ist dies ausreichend um Konzepte zum nachhaltigen Schutz der Wasserressourcen zu entwickeln. Das Modellsystem RAUMIS berechnet als Zwischenprodukt Stickstoffbilanzüberschüsse auf Verfahrenseinheiten, d. h. für die in einem Landkreis Deutschlands angebauten Feldfrüchte. Dadurch kam die Idee einer Bestimmung der Landnutzung mit anschließender Übertragung der Nährstoffbilanzen auf Parzellenebene auf. Mit der vorliegenden Diplomarbeit Cluster-Analyse und überwachte Klassifikation von LANDSAT-Daten für die Disaggregierung von Nährstoffbilanzüber- schüssen im Flusseinzugsgebiet der Rur soll untersucht werden, ob es die modernen Technologien der Fernerkundung und digitalen Bildverarbeitung erlauben, die auf Kreisbasis vorliegenden Stickstoffüberschüsse des RAUMIS-Modells bis auf real existierende Parzellen zu disaggregieren. Auf diese Weise könnten einerseits Flächen der landwirtschaftlichen Produktion, die ein gewisses Gefahrenpotential für die Gewässerbelastung bieten, exakter identifiziert werden. Andererseits wäre eine Erhöhung der Genauigkeit der Nährstofftransportmodellierung mit den Modellen GROWA und WEKU des Forschungszentrums Jülich möglich.

17 1.2. Ziele und Aufbau der Arbeit Ziele und Aufbau der Arbeit Ziel dieser Diplomarbeit ist es, eine Analyse verschiedener Klassifikationsalgorithmen in dem heterogenen Untersuchungsgebiet Rur durchzuführen. Verschiedene Verfahren sollen anhand von LANDSAT-Daten in ihrer Qualität vergleichend betrachtet werden und die beste Methode ermittelt werden. Mit der Analyse von Fernerkundungsdaten durch Klassifikation ist es möglich, große Datenmengen durch Automatisierung effizient zu verarbeiten und in thematischen Karten darzustellen. Liegt dann eine thematische Karte der Landnutzung im Rureinzugsgebiet parzellengenau vor, sollen Stickstoffbilanzen von Kreis- auf Parzellenebene disaggregiert werden und eine Kalibrierung am aktuellen Bewuchs erfolgen. Damit soll beurteilt werden, ob neue Technologien der Fernerkundung auch für hydrologische Fragestellungen genutzt werden können. Im ersten Teil der Diplomarbeit werden kurz die Grundlagen der Fernerkundung angesprochen, das Untersuchungsgebiet charakterisiert und die Datenbasis erläutert. Im zweiten Teil wird die übliche Vorverarbeitung der Rohdaten erläutert. Hierzu zählen Methoden zum panchromatischen Schärfen der Satellitenbilder und zur radiometrischen Angleichung, sowie die geometrische Korrektur und die Hauptkomponententransformation zur Kontrastverbesserung. Im Hauptteil werden verschiedene hier verwendete Algorithmen zur Klassifikation beschrieben. Beginnend mit der Fuzzy-Cluster-Analyse des k-means und des Maximum Likelihood, erfolgt dann unter Verwendung von Trainingsgebieten die Beschreibung der überwachten Klassifikation mit dem Maximum Likelihood- Verfahren und einem neuronalen Netz. Darüber hinaus wird der aktuell viel diskutierte, moderne Ansatz der segment- und objektorientierten Klassifikation angesprochen. Damit wird in dieser Arbeit ein weites Feld von unüberwachten zu überwachten Klassifikationen, von einfachen Modellen wie Maximum Likelihood bis zu komplizierten Klassifikationssystemen wie neuronalen Netzen und von pixelbasierten bis hin zu objektbezogenen Verfahren abgedeckt. Neben mittlerweile standardmäßig verwendeten Methoden werden auch relativ unkonventionelle Algorithmen vorgestellt. Die Probabilistic Label Relaxation entfernt anschließend falsch klassifizierte

18 4 KAPITEL 1. Einführung Pixel der überwachten Verfahren, um homogene Anbauflächen zu erhalten. Die Ergebnisse aller Klassifikationen werden danach durch eine Konfusionsmatrix vergleichend gegenüber gestellt und die genaueste Methode ermittelt. Zum Schluss wird vor einer Zusammenfassung und einem kurzen Ausblick die Disaggregierung der Stickstoffbilanzüberschüsse in einem Geographischen Informationssystem vorgenommen. Jedes Kapitel ist dabei so aufgebaut, dass zuerst die Theorie erklärt wird und danach die Durchführung der Transformationen und Analysen am vorhandenen Datensatz beschrieben wird.

19 Kapitel 2 Grundlagen der Fernerkundung 2.1 Theoretische Grundprinzipien In diesem Kapitel sollen kurz die Grundlagen der Fernerkundung zum allgemeinen Verständnis der Entstehung der verwendeten Daten angesprochen werden, weiterführende Informationen sind jedoch der entsprechenden Literatur wie Campbell 1996 [6], Jensen 1996 [20], Mather 1999 [30] oder Schowengerdt 1997 [44] zu entnehmen. Die Fernerkundung interpretiert elektromagnetische Energie, die von jedem Objekt, dessen Temperatur nicht am absoluten Nullpunkt liegt, emittiert wird. Manche Objekte reflektieren zusätzlich die Strahlung, die ein anderer Körper wie z. B. die Sonne aussendet. Dabei nimmt ein flugzeug- oder satellitengetragener Sensor die Information nicht direkt an der Oberfläche des Zielobjektes auf, sondern in einer gewissen Distanz. Man versucht nun in einer Erdbeobachtung die elektromagnetische Strahlung mit dem Zustand der Atmosphäre oder der Erdoberfläche in Beziehung zu setzen. In diesem Fall scannt der LANDSAT ETM+ als nah-polarumlaufender Satellit die Erdoberfläche unterhalb seiner Umlaufbahn ab, indem er senkrecht zur Umlaufbahn einen Bereich der Erdoberfläche Streifen für Streifen abtastet (siehe Kapitel 2.2 und Abbildung 2.3). Die Vorwärtsbewegung wird ausgenutzt um zweidimensionales Datenmaterial sammeln zu können. Danach werden Computer verwendet um die digital aufgenommenen Daten darzustellen, zu verbessern und zu manipulieren. Eine Reihe dieser Prozessierungstechniken werden in den folgenden Kapiteln dieser Arbeit erläutert. 5

20 6 KAPITEL 2. Grundlagen der Fernerkundung Räumliche Muster in den Bildern können als geographische Variationen in der Natur interpretiert werden. Dabei sind die Materialeigenschaften besonders wichtig. Solche Materialien können Vegetation, Gewässer, Boden oder Gestein sein. Um die Unterscheidbarkeit dieser Materialien dokumentieren zu können muss auf die elektromagnetische Strahlung und ihre Wechselwirkungen mit der Atmosphäre eingegangen werden. Das menschliche Auge nimmt nur das sichtbare Licht auf, das in die Farben des Regenbogens von violet über blau, grün, gelb, orange bis rot aufgespalten werden kann. Über dieses sichtbare Spektrum hinaus gibt es Infrarot-, Ultraviolett-, Mikrowellenstrahlung und Radiowellen. Dies sind alles Variationen einer gleichen Art von Strahlung. Der Unterschied liegt in der Wellenlänge. Ultraviolette Strahlung besitzt eine sehr kurze, Radiowellen eine sehr große Wellenlänge (Abbildung 2.1). Alle elektromagnetischen Strahlen zusammengenommen werden als das elektromagnetische Spektrum bezeichnet (vgl. Mather 1999 [30], S. 5). Abbildung 2.1: Das elektromagnetische Spektrum mit atmosphärischen Absorptionsbanden (vgl. Jensen 1996 [20], S. 112) Elektromagnetische Strahlung besteht aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld, welche sich orthogonal und in Phase zueinander ausbreiten. In der Vergangenheit wurden zwei Theorien vertreten, die den Aufbau der elektromagnetischen Strahlung modellieren sollten. Zum Einen stellte man sich die Ausbreitung

21 2.1. Theoretische Grundprinzipien 7 von Energie in Wellen vor, zum Anderen in Form von Partikeln. Heute geht man aber von einer die zwei Konzepte verbindenden Wellen-Korpuskular-Dichotomie aus. Man unterscheidet nicht mehr zwischen Partikeln und Wellen, da im atomaren Maßstab Wellen Eigenschaften von Partikeln besitzen und Partikel sich in Form von Wellen fortbewegen (vgl. Mather 1999 [30], S. 4). Die Interaktion zwischen elektromagnetischer Strahlung und Oberflächen wie die der Erde kann am besten mit der Strahlungsflussdichte (Radiant Flux Density) verstanden werden. Radiant Flux ist die Transferrate von elektromagnetischer Energie, die Dichte beschreibt eine durchströmte Fläche. Somit kann Radiant Flux Density als Größe zur Beschreibung eines Strahlungsflusses, der von einer Oberfläche ausstrahlt oder auf eine Oberfläche einwirkt, in der Einheit W/m 2 bezeichnet werden. Strahldichte oder Radianz beschreibt die Strahlungsflussdichte, die durch einen Einheitskörper in einem Raumwinkel strömt (W/m 2 /sr). Für eine qualitative und insbesondere quantitative Beurteilung einer Scanneraufnahme ist es notwendig den Verlauf der Strahlung von der Sonne über die Reflektion am Boden bis hin zum Sensor genauer zu untersuchen. Die Atmosphäre hat dabei wesentlichen Einfluss auf die Ausbreitung von Strahlung. Für eine Interpretation der Daten ist es von Interesse die Eigenschaften und Bestandteile der Atmosphäre und deren Verteilung entlang des Strahlungsweges zu kennen. Die Strahlung interagiert dabei mit der Atmosphäre einerseits durch Absorption an Molekülen (besonders Wasserdampf, Kohlendioxid und Ozon) und andererseits durch Streuung an Aerosolen (Mie-Streuung) und an Molekülen (Rayleigh- Streuung). Dabei kommt es häufig zu Mehrfachstreuungen. Ein Teil der von der Sonne emittierten Strahlung E 0 gelangt wie in Abbildung 2.2 gezeigt durch die Atmosphäre der Erde auf das zu betrachtende Objekt. Dabei kann zwischen einem direkten (T θ 0 ) und diffusem (E d ) Anteil unterschieden werden. Der diffuse Anteil entsteht hauptsächlich durch oben erwähnte Mehrfachstreuung in der Atmosphäre. Dies wird als Diffuse Sky Irradiance bezeichnet, wobei die Irradianz oder Bestrahlungsstärke die gesamte Menge der auf eine Oberfläche treffenden elektromagnetischen Energie beschreibt. Das Objekt reflektiert entsprechend seiner Eigenschaften einen Teil der einfallenden Strahlung in Richtung des Sensors. Diese Reflektanz L I ist die eigentliche Information, an der man interessiert ist. Die elektromagnetische Energie passiert

22 8 KAPITEL 2. Grundlagen der Fernerkundung Abbildung 2.2: Von einem Fernerkundungssensor aufgenommene Radianzpfade (vgl. Jensen 1996 [20], S. 111) jedoch ein weiteres Mal die Atmosphäre und erfährt auf diesem Weg eine weitere Veränderung. Ebenso wird sie an der meist rauhen Erdoberfläche in verschiedene Richtungen des oberen Halbraumes gestreut (Backscattering). Die am Sensor gemessene Radianz L s setzt sich insgesamt aus der vom Oberflächenobjekt reflektierten Strahlungsflussdichte L T und dem durch Streuung als Path Radiance bezeichneten Rauschsignal L p zusammen. Die Stärke des Rauschsignals variiert jedoch sehr stark in Abhängigkeit von der Beschaffenheit der Atmosphäre, den Sensorkanälen und der Erdoberfläche (vgl. Jensen 1996 [20], S ).

23 2.1. Theoretische Grundprinzipien 9 Um Satellitenbilder verschiedener Zeitpunkte vergleichen zu können müsste man also Radianzen in Reflektanzen umrechnen. Zur Bestimmung der Reflektanzen ist eine Berechnung verschiedener radiometrischer Größen (u. a. die einfallende und reflektierte Strahldichte) nötig. Diese können durch Algorithmen zur Atmosphärenkorrektur bestimmt werden. Die Reflektanzen geben für die Oberflächen charakteristische Eigenschaften wieder und besitzen gegenüber den Originaldaten (Radianzwerten) den Vorteil, dass sie physikalische Größen darstellen, die im Idealfall unabhängig von den Sensoreigenschaften, den Atmosphärenbedingungen, der Beleuchtung und der Aufnahmegeometrie sind. Erst diese komplexe Normierung ermöglicht es die im Rahmen der Fernerkundung aufgenommenen Bilddaten physikalisch sinnvoll auszuwerten und zu vergleichen. In dieser Arbeit soll jedoch mit der MAD-Methode (Kapitel 5.2.2) keine absolute Berechnung der Reflektanzen erfolgen, sondern eine relative Angleichung der drei Satellitenszenen zueinander. Jede Anstrengung, die unternommen wird um die spektralen Eigenschaften eines Materials durch die Erdatmosphäre hindurch zu messen, muss die atmosphärische Absorption der elektromagnetischen Strahlung in Betracht ziehen. Da die Atmosphäre nicht aus einem Vakuum besteht sondern zu verschiedenen Anteilen an Gasen wie Ozon (O 3 ), Kohlendioxid (CO 2 ) und Wasserdampf (H 2 O) wird die elektromagnetische Strahlung verschieden stark in bestimmten Wellenlängenbereichen absorbiert. Die Wellenlängenbereiche in denen das Signal fast ungehindert die Atmosphäre passieren kann, werden auch als atmosphärische Fenster bezeichnet (Abbildung 2.1). Diese Bereiche sind von besonderer Bedeutung für die Fernerkundung, da hier das Signal kaum durch die Erdatmosphäre behindert wird. Viele multispektrale Sensoren, zu denen auch LANDSAT 7 ETM+ gehört, machen sich diese Eigenschaft zunutze und nehmen über gerade die Wellenlängenintervalle auf, die die größte atmosphärische Transmissivität besitzen. Zusätzlich zu den Einschränkungen durch die Atmosphäre wird die Definition der Kanäle durch die zur Verfügung stehenden spektralen Intervalle von der Intention der Erdbeobachtung eingeschränkt. Möchte man vorwiegend eine Unterscheidung der Landvegetation vornehmen, werden wiederum spezielle Wellenlängenbereiche ausgewählt. Beispielsweise zeigt eine Reflektanzkurve der gesunden grünen Vegetation einen starken Anstieg um 0.75µm von 10% bis über

24 10 KAPITEL 2. Grundlagen der Fernerkundung 50%. Die relativ niedrigen Werte im roten Spektralbereich durch die hohe Absorption zur Energieaufnahme für die Photosynthese gehen sprunghaft in relativ hohe Werte im Nahinfrarot über (vgl. Campbell 1996 [6], S. 460). Dieser Red Edge oder Red Shift kann von zwei unter bzw. über 0.75µm gelegenen Kanälen erfasst und z. B. in Vegetationsindizes genutzt werden. Die Bänder 3 und 4 des LANDSAT ETM+ zeichnen genau diese Information auf. 2.2 LANDSAT 7 ETM+ Die Satellitenplattform LANDSAT 7 wurde am 15. April 1999 in Umlauf gebracht und ist der aktuelle Satellit einer Serie, die 1972 gestartet wurde. Betrieben wurde sie von der National Aeronautics and Space Administration (NASA), weitere amerikanische Bundeseinrichtungen wie National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) und United States Geological Survey (USGS) trugen zu einigen Bereichen des Programms bei. Letztere sind heute für die operationelle Durchführung bzw. die Datenarchivierung und -vermarktung zuständig (vgl. Campbell 1996 [6], S. 178). LANDSAT 7 trägt den Sensor ETM+ (Enhanced Thematic Mapper Plus), der eine Weiterentwicklung des MSS (Multispectral Scanner) auf LANDSAT 1-5 und des TM (Thematic Mapper) auf LANDSAT 4-5 darstellt. LANDSAT 6 mit dem Aufnahmesystem ETM erreichte seine Umlaufbahn nicht. Seit Ende 1999 ist LANDSAT 7 im operationellen Einsatz. Daten werden in ungefähr 705km Höhe über dem Meeresspiegel in einer nah-polaren, sonnensynchronen Umlaufbahn aufgezeichnet. Der Orbit wurde gegenüber dem Äquator um 98,2 geneigt, dieser Winkel wird als Inklination bezeichnet (Abbildung 2.3). Für einen Erdumlauf braucht er 98,8 Minuten, überfliegt somit alle 16 Tage das gleiche Gebiet. Um die gesamte Erdoberfläche aufzeichnen zu können, benötigt der Satellit 233 Orbits, da eine Szene 183km breit ist und sich benachbarte Pfade um 5% überlappen. Die Höhe eines Ausschnitts wird auf 170km festgelegt. Die Identifizierung der für das Untersuchungsgebiet relevanten Daten erfolgt über das Path/Row-System. Für das Rureinzugsgebiet wurde der Pfad 197 und der Abschnitt 25 ausgemacht. Ausgangskoordinaten für dieses System sind Path 1 bei Ost-Grönland und Row 1 bei 80 Nord, Row 60 liegt am Äquator.

25 2.2. LANDSAT 7 ETM+ 11 Abbildung 2.3: Orbit eines nah-polarumlaufenden Satelliten wie LANDSAT 7 (vgl. Campbell 1996 [6], S. 159) Wie der Name schon sagt, ist der Landsat 7 ETM+ spezialisiert auf das Aufzeichnen der Landoberfläche. Dies zeigen auch die in Kanälen abgebildeten Wellenlängenbereiche in Tabelle 2.1. Kanal Wellenlängenbereich in µm Spektralbereich Auflösung in m blau grün rot nahes Infrarot mittleres Infrarot thermal thermal mittleres Infrarot panchromatisch Tabelle 2.1: Spektralbereiche und räumliche Auflösung von LANDSAT ETM+ Der Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) zeichnet die Radianzen in insgesamt acht Wellenlängenbereichen auf, die innerhalb von 0,45 bis 12,5µm liegen. Die Kanäle 1, 2 und 3 liegen im sichtbaren Bereich des Spektrums und repräsentieren die Farben blau, grün und rot. Die Kanäle 4, 5 und 7 hingegen bil-

26 12 KAPITEL 2. Grundlagen der Fernerkundung den den nahen bis mittleren Infrarot-Bereich ab. Während bei den Kanälen 1 bis 5 und 7 jeweils 16 Detektoren der Datenaufnahme dienen und so eine räumliche Auflösung von 28.5m erreicht wird, zeichnet Kanal 6 lediglich über vier Detektoren auf. Dieser kann den thermalen Spektralbereich nur in 57m Auflösung abbilden. Die spektralen Bereiche der Kanäle sind unter besonderer Berücksichtigung der Reflektionseigenschaften von Vegetation und der Durchlässigkeit der Atmosphäre für reflektierte Strahlung festgelegt worden. So wird der in Kapitel 2.1 schon angesprochene Red Shift ebenso erfasst wie Pigmentation und Feuchtegehalt von Blattflächen oder die Struktur im Kronenschluss von Waldgebieten (vgl. Jensen 1996 [20], S. 40). Eine wichtige Innovation stellt der erst beim ETM-Sensor auf LANDSAT 6 verwendete panchromatische Kanal 8 dar, der über einen Teil des sichtbaren bis zum nah-infraroten Wellenlängenbereich von 0.52 bis 0.9µm die Erdoberfläche abscannt. 32 Detektoren arbeiten gleichzeitig, um eine räumliche Auflösung von 14.25m zu liefern. Dieser Kanal wird in Kapitel 5.1 verwendet, um mit der Wavelet Fusion die räumliche Information auf die multispektralen Kanäle zu übertragen. Für jeden dieser Kanäle wird die Radianz jedes Pixels in 8 bit, also 2 8 = 256 Grauwertstufen aufgezeichnet. Das Qualitätsniveau der Rohdaten, die vom Rotations-Zeilen-Scanner des ETM+ aufgenommen werden, bezeichnet man als Processing Level 0. Das Satellitenbild wird mit Hilfe eines internen Kalibrators radiometrisch korrigiert und man erhält Daten im Processing Level 1R. Geometrische Korrekturen werden ebenfalls vorgenommen, so dass Fehler wie Erdrotation, Erdkrümmumg oder Störungen des Sensors entfernt werden. Dadurch entstehen Level 1G Produkte, die in dieser Arbeit Verwendung finden. Fehler, die durch das Relief der Erdoberfläche entstehen, werden allerdings nicht korrigiert. Der Restfehler, der bei Level 1G Produkten auftreten kann, wird mit 250m (eine Standardabweichung) angegeben (vgl. United States Geological Survey (USGS) 2000 [46]). Bei Betrachtung des vorhandenen Bildmaterials des Rureinzugsgebietes erkennt man einen Versatz von über 100 m. Aufgrund dieses Offsets werden die systematischen Korrekturen als nur grob und für die Ziele dieser Arbeit nicht genau genug eingestuft. Daher wird trotzdem eine weitere radiometrische und geometrische Korrektur vorgenommen (Kapitel 5.2).

27 Kapitel 3 Das Untersuchungsgebiet 3.1 Topographie Das Untersuchungsgebiet umfasst das oberirdische hydrologische Einzugsgebiet der linksrheinisch gelegenen Rur. Der auch als Eifelrur bezeichnete Fluss ist jedoch nicht mit der rechtsrheinischen Ruhr zu verwechseln. Das Rureinzugsgebiet liegt im Herzen Westeuropas bei bis nördlicher Breite und 5 57 bis 6 42 östlicher Länge und umfasst ein Bereich von 2350km 2 (Abbildung 3.1). Davon entfallen 150km 2 auf belgisches (6,5%), 2100km 2 auf deutsches (89%) und 100km 2 (4,5%) auf niederländisches Staatsgebiet. Begrenzt wird es durch die Einzugsgebiete der Erft, Schwalm und Niers im Osten, der Maas und deren übrige Zuflüsse im Westen und im Süden durch Ahr und Moselzuflüsse. Dabei werden große Teile der Eifel ebenso wie die Bördenlandschaft der Kölner Bucht mit den Kreisen Aachen, Düren, Euskirchen und Heinsberg umfasst (Abbildung 3.2). Die Rur entspringt in der Hocheifel in der Nähe von Botrange in Belgien bei einer Geländehöhe von 660m ü. NN. Roermond in den Niederlanden, wo die Rur als Roer in die Maas mündet, liegt auf einer Höhe von 30m ü. NN. Um diesen Höhenunterschied von 630m zu überwinden benötigt die Rur ca. 165km. Die schildförmig gewölbte Hochfläche des Hohen Venns (franz. Hautes-Fagnes) beiderseits der belgisch-deutschen Grenze liegt am Übergang von den Ardennen zur Eifel. Dieses durch flache Mulden und einzelne Höhenrücken gegliederte Hochplateau wird durch die Zuflüsse der Rur in nordöstliche Richtung entwässert. Nach wenigen Kilometern überschreitet der Quellfluss die Grenze nach Deutschland und 13

28 14 KAPITEL 3. Das Untersuchungsgebiet Abbildung 3.1: Das hydrologische Einzugsgebiet der Rur (LANDSAT 7 ETM+ Szene von Juni 2001, Hauptkomponenten 1-2-3)

29 3.1. Topographie 15 durchfließt in ihrem Oberlauf die typische Mittelgebirgslandschaft der Eifel. Hier prägen ausgedehnte Waldgebiete das Landschaftsbild. Nach 40km wird der Lauf unterbrochen, da er im Zusammenfluss mit der Urft und dem Urfstausee auf die Rurtalsperre trifft. Olef und Kall sind andere wichtige Entwässerungssysteme der Eifel. Nach weiteren 80km verlässt die Rur südlich von Düren die Eifel und geht in nordwestlicher Richtung in ihren Mittellauf über. Das Gefälle ist deutlich abgemindert und unterschiedliche Strukturen treten im Lockergesteinsbereich der Börde auf. Südlich von Jülich im Bereich der Inde gibt es noch Altauen mit natürlichen Überschwemmungsbereichen und Retentionsflächen. Andererseits wird die Rur in ihrem Mittellauf ebenso wie die Zuflüsse Wehe, Inde und Ellebach durch bauliche Maßnahmen und künstliche Begradigungen stark eingeschränkt und festgelegt. Die resultierenden negativen Folgen solcher Eingriffe wurden durch das Gewässerauenkonzept Rur teilweise aufgearbeitet und das Flussbett renaturiert. Weitere geplante Rückbaukonzepte stehen jedoch in Konflikt mit den erheblichen landwirtschaftlichen Interessen in der Bördenlandschaft. Abbildung 3.2: Topographie des Rureinzugsgebietes in Ansicht von N nach S (Hauptkomponenten der LANDSAT 7 ETM+ Szene von Juni 2001, projiziert auf ein ASTER-DLM)

30 16 KAPITEL 3. Das Untersuchungsgebiet Unterhalb von Jülich beginnt der durch zahlreiche Flussmäander und Altarme geprägte Unterlauf, der durch eine weitere Geländeverflachung gekennzeichnet wird. Auch hier wurden ökologisch hochwertige Flussabschnitte durch naturferne Umbaumaßnahmen landwirtschafts- und hochwasserschutzgerecht gestaltet. Nur 15km vor der Mündung in die Maas bei Roermond überquert die Rur vereinigt mit Merz- und Malefinkbach und der Wurm die Staatsgrenze zur Niederlande (vgl. Staatliches Umweltamt Aachen 2003 [45]). 3.2 Geologie Die heterogene geologische Struktur des Rureinzugsgebietes übt einen großen Einfluss auf die Landnutzung aus und kann damit auch auf Satellitenbildern gut ausgemacht werden. Auf relativ kleinem Raum dehnt sich eine große Vielfalt der geologischen Formationen und tektonischen Strukturen aus. Dabei ist das Untersuchungsgebiet grundsätzlich zweigeteilt: Im Süden tritt der variszische Gebirgsrumpf der Eifel als Teil des Rheinischen Schiefergebirges zutage, der nach einer Hebungsphase im Karbon im Perm schon wieder weitgehend eingeebnet wurde. Sehr markant auch in Satellitenaufnahmen zu erkennen ist hier der Venn-Sattel, der ein nordöstlicher Ausläufer der Ardennen darstellt. Dieses Teilstück wurde im Kambrium und Ordovizium geosynklinal entwickelt und schon vor devonischer Zeit aufgefaltet. Südöstlich davon enthalten die sog. Südfazies die mächtigen Sedimente der zentralen Antiklinale. Neben dem schluffig-tonigen Unterdevon ist im südöstlichen Rureinzugsgebiet in einer Depressionszone kalkig-dolomitisches Mitteldevon (Eifelkalkmulden) erhalten geblieben. Die Nordfazies nordwestlich des Venn-Sattels zeigen eine sehr heterogene Schichtenfolge, die teils auf marine, teils auf kontinentale Verhältnisse weisen. Zeitlich sind sie in das Unterkarbon bis in das mittlere Oberkarbon einzuordnen. Carbonate sind hier ebenso zu finden wie klastische Sedimente. Durch eine spätere starke Faltung und Abtragung ergibt sich an der Oberfläche ein sehr heterogenes Bild. Durch eine Staffel von Störungssystemen wird das Rheinische Schiefergebirge im Norden von der Niederrheinischen Bucht begrenzt. Die Niederrheinische Bucht gehört tektonisch zum Senkungsbereich des Nordseebeckens. Bereits im

31 3.2. Geologie 17 Mesozoikum sank im Nordosten ein Teilstück des Rheinischen Schiefergebirges sehr stark ein und bildete die Mechernicher-Trias-Senke. Hier wurden Gesteinsmassen von Trias bis Jura (Lias) abgelagert. Der nordwestliche Teil wurde später von der Senkungstendenz des Nordseebeckens erfasst. Dort stehen heute Gesteine der Kreidezeit an. Die Hauptsenkungsphase des Nordseebeckens lag jedoch im Tertiär, setzt sich aber bis heute fort. So nehmen Sedimente des Tertiärs und Quartärs die gesamte nördliche Hälfte des Rureinzugsgebietes ein. Die Mächtigkeit der känozoischen Sedimente nimmt hierbei von Süden nach Norden zu. Der nordöstliche Teil wird durch den Senkungsbereich der Niederrheinischen Bucht bestimmt, der sich nach Nordwesten im Niederländischen Zentralgraben fortsetzt. Seit dem Oligozän lagern sich hier bereits marine, limnische und später fluviatile Sedimente ab. Dieses Grabensystem ist in einzelne Schollen wie z. B. die Rurscholle zerteilt, an deren Verwerfungen noch heute messbare Vertikalverschiebungen zu verzeichnen sind und zu mittleren Erdbeben führen. Im Grenzbereich der marinen und kontinentalen Sedimentation akkumulierten aufgrund der günstigen feuchtwarmen Klimabedingungen ab dem Oligozän mächtige Torfschichten, was zu ausgedehnten Braunkohlelagerstätten führte (siehe auch Kapitel 3.4 auf Seite 20). Im Quartär erfolgt ein Wechsel von Kalt- und Warmzeiten mit unterschiedlicher fluvialer Ausprägung, was zu Terrassenablagerungen des Rhein- und des Maassystems führte. Beide Systeme treffen sich in der Nähe von Jülich und überlagern sich nördlich davon. Während der Kaltzeiten wurden aus vegetationsarmen Aufschotterungsflächen besonders der Niederterrassen die Feinanteile ausgeweht und als Löss auch in die höheren Regionen der Eifel verfrachtet. Dabei herrschte eine mittlere Windrichtung von West bis Nordwest. Die Niederrheinische Bucht ist mit einer geschlossenen Lössdecke überzogen, sieht man von einigen Erosionslücken ab. Besonders durch die beschleunigte Heraushebung der Eifel, die im Verlauf des Altpleistozäns auch auf das Vorland übergreift, entsteht ein Gegensatz. Eine intensive Tiefenerosion der Flüsse und Bäche prägt somit die heutige Mittelgebirgslandschaft (vgl. Knapp 1980 [23], S ).

32 18 KAPITEL 3. Das Untersuchungsgebiet 3.3 Klima Das Untersuchungsgebiet zeichnet sich durch ein feuchtgemäßigtes Klima aus, das erheblich durch den Atlantik geprägt wird. Die Jahresmitteltemperatur liegt bei 6 C in den Hochlagen und 9 C in der Niederrheinischen Bucht, die Mitteltemperatur im kältesten Monat (Januar) beträgt -1,5 C bzw. +1,5 bis 2 C. Der wärmste Monat (Juli) hat im Schnitt nur eine Temperatur von 14 C in der Eifel, jedoch 17 C im Dürener Raum. Sibirische Kaltluft bleibt in der Regel auch in den höheren Lagen der Eifel wenig wetterwirksam, da die Atlantiknähe auch im Winter mildere Meeresluft heranführt. So wird ein relativ maritimes Milieu erzeugt mit vorherrschenden westlichen und südwestlichen Winden, die feuchte Meeresluft bis in das Einzugsgebiet der Rur transportieren. Sie stauen sich an Westrand von Eifel-Ardennen und bringen dort erhebliche Niederschläge mit bis zu 1200mm/a, die zu einem hohen Anteil als Schnee fallen (siehe Jahresniederschlagskarte im Anhang A). Der Wasserüberschuss, der im lehmigen Boden nicht versickern kann, hat weitflächig Moorbirkenwälder, Moorheiden und Hochmoore entstehen lassen. Diesen Mooren (mittelhochdeutsch fen) verdankt die Hochfläche ihren Namen. Die Niederschlagsmenge nimmt infolge des Leeeffektes der Hochlagen von West nach Ost deutlich ab (siehe Jahresniederschlagskarte im Anhang A). Die Bördenlandschaft erhält mit 600mm/a wesentlich weniger Niederschlag. Die mittlere Jahressumme des gesamten Niederschlagsgebietes der Rur bis zur Mündung liegt bei 830mm/a (vgl. Wasserverband Eifel-Rur (WVER) 2002 [47]). Dies sind zwar keine extremen klimatischen Unterschiede von der Submontanen Höhenstufe bis zum Lössgebiet der Niederrheinischen Bucht, sie reichen jedoch aus um in Verbindung mit der Geologie zwei unterschiedliche landwirtschaftliche Strukturen hervorzubringen. 3.4 Landnutzung Die Rur ist das Hauptgewässer im Wirtschaftsraum Aachen, Düren, Jülich und Heinsberg mit ca. 1 Mio. Einwohnern (2002), welche die heterogenen natürlichen Gegebenheiten besonders im primären Sektor sehr vielseitig gestalten und in der Vergangenheit gestaltet haben. Die Land- und Forstwirtschaft nimmt den größten

33 3.4. Landnutzung 19 Flächenanteil ein, was mit Aufnahmen des Satelliten Landsat ETM+ sehr gut erfasst werden kann (Karte zur Landnutzung im Anhang A). Im Bereich der Eifel wechseln sich Wälder und offene Landschaften mit Wiesen, Weiden und landwirtschaftlich genutzten Äckern ab, abgesehen von wenigen heute noch unbewirtschafteten Hochmoorflächen des Hohen Venns. Die Waldbedeckung bestand ursprünglich aus Buchen und Eichen, jetzt jedoch nach einem Raubbau Anfang des 20. Jahrhunderts zur Kohleherstellung für die Eisenindustrie hauptsächlich aus schnellwachsenden Fichten. Die landwirtschaftlichen Flächen dienen besonders der Milchviehwirtschaft. In den Eifelhöhen des Einzugsgebietes der Rur liegen neun Talsperren mit einem Gesamtfassungsvolumen von 300 Mio. m 3 Wasser. Wichtige Nutzungen sind Wasserversorgung, Hochwasserschutz, Niedrigwasseranreicherung und Stromerzeugung. Als Teil des Deutsch-Belgischen Naturparks Hohes Venn-Eifel besitzt der Naturpark Nordeifel einen hohen Stellenwert in der Erholungsfunktion. Aus sechs Talsperren, die der Wasserversorgung dienen, werden 70% des Gesamtwasserbedarfs des Rureinzugsgebietes gedeckt. Ein Talsperren-Verbundsystem dient zur Optimierung des Hochwasserschutzes mit einem Rückhaltevolumen von bis zu 64 Mio km 3. Die restlichen 30% des Wasserbedarfs werden durch Grundwasserentnahmestellen des Lockergesteinsbereichs und des Karstbereiches gedeckt. 5 Talsperren auf deutscher Seite, darunter der Rursee als zweitgrößter Stausee Deutschlands, lieferten 2001 knapp 65 Mio. kwh/a Strom (vgl. Wasserverband Eifel-Rur (WVER) 2002 [47]). In der Bördenlandschaft wird aufgrund der Fruchtbarkeit der Böden und des milden, ausgeglichenen Klimas seit mehr als 1000 Jahren intensiver Ackerbau betrieben. Darüber hinaus ist diese Region dichter besiedelt als das eher dörflich strukturierte südliche Untersuchungsgebiet. Die Rur dient hier als Leitachse der Siedlungs- und Wirtschaftsentwicklung. Dabei ist die Besiedlung zwar auch in einem Dorfgefüge angelegt, doch die Ortschaften stehen wesentlich kompakter und die Entfernungen zwischen den Orten sind im Durchschnitt geringer. Als größere Städte sind nur das Mittelzentrum Düren oder mit Aachen das einzige Oberzentrum des Rureinzugsgebietes zu nennen. Angebaut werden auf den fruchtbaren Lössböden hauptsächlich Kulturen mit Zuckerrüben und Weizen, Kühbauch et al. (1990 [21], S. 41) nennen dies die Monotonität des rheinischen Pflanzenbaus.

34 20 KAPITEL 3. Das Untersuchungsgebiet Darüber hinaus werden in geringeren Mengen sonstige Getreidearten, Kartoffeln, Mais, Raps und auch Sonderkulturen wie z. B. Erdbeeren oder Gemüse angepflanzt. Im Mittelalter wurden schon Hütten- und Hammerwerke zur Metallverarbeitung errichtet. Firmen wie Hoesch, Schoeller, Mannesmann, und Henkel haben ihren Ursprung im Dürener Raum. Diese erschlossen das Rurwasser schon früh, Mühlenteiche wurden im Mittellauf der Rur bereits im 17. und 18. Jahrhundert künstlich angelegt. Sie dienten damals und auch heute noch zur Versorgung von Industrie- und Gewerbebetrieben. Dabei werden sie zum Antrieb von Mühlen, Turbinen, für die Betriebs- und Kühlwasserentnahme sowie zur Einleitung von unverschmutzten Oberflächenwasser genutzt. Aufgrund ihrer langen Bestandsdauer und teilweise naturnaher Ausprägung sind diese Gewässer für landschaftsökologische und kulturhistorische Belange von großer Bedeutung. Weitere Gewerbe- und Industriezweige im Einzugsgebiet der Rur sind die Papier- und Filztuchindustrie, die chemische Industrie und die Zuckerfabrikation sowie Braunkohlegewinnung und Braunkohleverstromung. Über das Rureinzugsgebiet im Bereich der Börde hinaus erstreckt sich das größte zusammenhängende Braunkohlevorkommen Europas mit 55 Mrd. Tonnen auf insgesamt 2500km 2 Fläche. Dieses Rheinische Braunkohlenrevier ist aus einer weiträumigen Moorfläche im subtropischen Klima des Miozäns entstanden und den in Kapitel 3.2 erwähnten tertiären und quartären Schichten unterlagert. Der Tagebau Inden im südlichen Bördebereich stellt neben dem außerhalb des Rureinzugsgebietes liegenden Tagebau Hambach den größten Eingriff des Menschen in das Ökosystem dar. Um an die im Vergleich zur zentralen Niederrheinischen Bucht in geringerer Teufe liegenden abbauwürdigen Flöze heranzukommen, müssen die betroffenen Grundwasserleiter angeschnitten und druckentspannt werden. 90 Mio. km 3 Grundwasser werden so gehoben und dem Braunkohlekraftwerk Weisweiler und dem Tagebau-Eigenbedarf zur Verfügung gestellt und davon ca. 40 Mio km 3 in die Inde eingeleitet. Solche Sümpfungswassereinleitungen sind durch den hohen Eisengehalt und durch die sehr hohen Temperaturen, da sie in großer Tiefe gewonnen werden, sehr problematisch. Darüber hinaus resultiert eine bis über die Staatsgrenze zur Niederlande hinaus messbare Absenkung des Grundwassersystems mit Beeinträchtigungen für Grundwasserversorgungsstellen, Oberflächengewässer und grundwasserabhängige Feuchtgebiete.

35 3.4. Landnutzung 21 Die Bodenabsenkung durch Grundwasserentnahme des Braunkohletagebaus liegt im Rureinzugsgebiet nur bei höchstens einem halben Meter. Stark salzhaltige Grundwassereinleitungen aus dem Steinkohle-Bergbau im Raum Hückelhoven gehören dagegen nach der Stilllegung der letzten Zeche Sophia-Jacoba 1997 der Vergangenheit an (vgl. Staatliches Umweltamt Aachen (StUA) 2003 [45]).

36 22 KAPITEL 3. Das Untersuchungsgebiet

37 Kapitel 4 Datengrundlagen Für diese Arbeit wurden verschiedene Datenquellen genutzt, die von Satellitenaufnahmen über Nährstoffbilanzen bis hin zu Vektordateien reichen. In Tabelle 4.1 werden die verwendeten Datensätze zusammenfassend aufgeführt und im Folgenden näher erläutert. Datensatz räumliche Auflösung Zeitpunkt Quelle LANDSAT 7 ETM m, 28.5m USGS LANDSAT 7 ETM m, 28.5m USGS LANDSAT 7 ETM m, 28.5m USGS ASTER DLM 30m selbst prozessiert Nährstoffbilanzen Kreis 1999 FAA Bonn Referenzdaten Parzelle 2001 Befragung zur Bodenbedeckung ATKIS-DLM 25 1: LVermA NRW Vektordateien FZ Jülich (STE) Tabelle 4.1: Verwendete Datensätze LANDSAT 7 ETM+: Um die Landnutzung im hydrologischen Einzugsgebiet der Rur erfassen zu können, bieten sich besonders ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer) und LANDSAT als Fernerkundungssensoren an. Vor Allem ASTER-Szenen aus der Periode des Aufwachsens der Vegetation (April - Juli) sind für die Erfassung der Agrarstruktur geeignet. Wolkenfreie Szenen aus dem 23

38 24 KAPITEL 4. Datengrundlagen Zeitraum April - Juli der Jahre liegen für dieses Untersuchungsgebiet nicht vor, lediglich die Periode September - März ist ausreichend abgebildet, wenn viele Ackerflächen brach liegen oder die Erntetätigkeit in der Bördenlandschaft eine Unterscheidung von Landnutzungen unmöglich gemacht hat. Eine Datenrecherche zeigte, dass die aktuellsten Szenen der Wachstumsphase durch LANDSAT 7 ETM+ bereitgestellt werden. Auch LANDSAT-Daten eignen sich hervorragend für die Erfassung der Landnutzung, liefern allerdings eine grobere räumliche Auflösung als ASTER. Dieses Manko wird durch die Wavelet- Fusion (Kapitel 5.1) aufzuheben versucht. Die Basis dieser Arbeit stellen deshalb drei Szenen des LANDSAT 7 ETM+ dar. Sie stammen allesamt aus dem Jahr 2001 und wurden jeweils am 25. Mai, 26. Juni und 29. August aufgenommen. Dabei handelt es sich um Level 1G-Daten, die System Corrected, also weitgehend von geometrischen und radiometrischen Fehlern in den Rohdaten bereinigt wurden (siehe Kapitel 2.2). Sie werden per Internet mit dem Browser Earth Explorer ( vom amerikanischen Earth Resources Observation Systems Data Center (EDC) in Sioux Falls, South Dakota, heruntergeladen. Dieses Datenarchiv wird vom USGS betrieben. Ein kleiner Bereich in Norden des Untersuchungsgebietes wird von diesen Szenen nicht erfasst und steht der Untersuchung nicht zur Verfügung. Der Datensatz enthält folgende Dateien: Je eine Metadatei mit Zusatzinformationen wie Kartenprojektionen oder Sonnenhöhe, acht unkomprimierte Geo- TIFFs 1, die die eigentliche Bildinformation der einzelnen Bänder beinhalten und eine weitere Datei, der allgemeine Informationen zu Level 1G und GeoTIFFs entnommen werden können. Die Dimension der Szenen liegt in den Multispektralkanälen bei 7891 x 7515 Pixel, im panchromatischen Spektralbereich ist sie doppelt so groß, im Thermalen erreicht sie ungefähr die Hälfte. Referenzdaten zur Bodenbedeckung: Da es sich hier um Satellitendaten vom Jahr 2001 handelt, ist nun keine Ermittlung von Bodenreferenzdaten zum Aufnahmezeitpunkt mehr möglich. Eine Datenerhebung im Untersuchungsgebiet ist für die Analyse und anschließende Interpretation fernerkundlicher Daten allerdings absolut notwendig. Aus diesem Grund erfolgte eine Befragung von Landwirten, um Informationen über land- 1 georeferenziertes Rasterbild im Geographic Tagged Image File Format

39 25 wirtschaftliche Nutzflächen bzw. die in 2001 angebauten Feldfrüchte zu erhalten. Die genaue Dokumentation in einem Feldbuch machte es möglich, die angebaute Fruchtart zu den Aufnahmezeitpunkten der Satellitenbilder für mehrere Schläge zu ermitteln. Diese Informationen sind ausgesprochen wichtig für die spätere Disaggregierung der Nährstoffbilanzüberschüsse. Wasserflächen, Flächen mit Waldbedeckung, Grünland oder Siedlungsgebiete ändern sich in Mitteleuropa nicht jährlich wie intensiv genutzte Ackerflächen, die zur Erhaltung der Bodenfruchtbarkeit eine Fruchtwechselwirtschaft betreiben. So kann mit hoher Wahrscheinlichkeit die Landbedeckung noch zwei Jahre nach dem Aufnahmedatum angegeben werden. Die Klassen Tagebau und Bebauung werden für das deutsche Staatsgebiet aus ATKIS-Daten (s. u.) entnommen und ausmaskiert. Für niederländische und belgische Regionen erfolgte eine überwachte Klassifikation zur Extraktion der versiegelten Flächen. Die erstellten Masken wurden zu einer die gesamte Szene betreffenden Maske verschnitten, damit die Satellitenbilder jeweils in einem einzigen Durchlauf klassifiziert werden können. Grünland muss zur Beachtung der internen Heterogenität in zwei Untereinheiten aufgeteilt werden. So können für die Heuproduktion abgeerntete Flächen von den Übrigen unterschieden werden. Als Bezug wird hier der Monat Juni gewählt, da andere Parzellen im Mai oder August gemäht werden. Die Unterscheidung in Wiesen und Weiden ist jedoch nicht möglich. Weitere Oberflächen werden als Gewässer, Laub- und Nadelwald eingeteilt. Die für diese Arbeit relevanten Feldfrüchte sind Zuckerrüben, Weizen, Kartoffeln, Gerste, Gemüse, Mais und Obst. Darüber hinaus existieren stillgelegte Flächen, die als Brache bezeichnet werden. Auf diese wird von den Landwirten oft ein Gras-Klee-Gemisch aufgebracht, um den Boden zu schützen. Felder, die zwar stillgelegt wurden, auf denen aber die in der Rotation vorhergehende Frucht wieder aufwächst, können hier nicht als Brache identifiziert werden. Damit ergibt sich für 15 Landbedeckungsarten die Klassenanzahl 14. Die Trainingsgebiete werden als Referenzen für eine überwachte Klassifikation in Kapitel 7 genutzt, ein Teil jedoch zur anschließenden Evaluation der Klassifikationsqualität (Kapitel 9.2). Die als Ground Truth bezeichneten Informationen erfüllen folgende Anforderungen: Repräsentativität: Das gewählte Teilgebiet stellt die Eigenschaften einer Klas-