Erfassung und Beurteilung von Seen und deren Einzugsgebieten mit Methoden der Fernerkundung

Transkript

1 Laufener Seminarbeitr. 2/03, S Bayer. Akad.f. Naturschutz u. Landschaftspflege - Laufen/Salzach 2004 Erfassung und Beurteilung von Seen und deren Einzugsgebieten mit Methoden der Fernerkundung Bedarf aus wasserwirtschaftlicher und naturschutzfachlicher Sicht Klaus ARZET Zusammenfassung Berichtspflichten und Planungen zum Status quo, Monitoring, Bewirtschaftung und Management von Zielen und Maßnahmen nehmen im Bereich der Wasserwirtschaft und des Naturschutzes in Gewässern und anderen Naturräumen auf der Ebene der Bundesländer und Europas ständig zu. Automatisierte Datenerfassungs- und Verarbeitungsmethoden der Fernerkundung können dabei einen wichtigen Beitrag z. B. bei der Erstellung von Gewässerentwicklungsplänen oder bei der Grundlagenermittlung für die EG-Wasserrahmenrichtlinie und die Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie liefern. In der wasserwirtschaftlichen bzw. naturschutzfachlichen Arbeitspraxis haben sie aber bisher nur vereinzelt Fuß gefasst. Aus der Wasserwirtschaft gibt es Anwendungsbeispiele aus den Bereichen der Gewässerentwicklungsplanung an Seen, der Ermittlung und Festsetzung von Überschwemmungsgebieten bei Fließgewässern oder der Bewertung von Seeeinzugsgebieten (z. B. Chiemsee, Starnberger See, Waginger/Tachinger See). Im Naturschutz haben Methoden der Fernerkundung im Zusammenhang mit der Landschaftsnutzung und Flächenkontrolle (Vertragnaturschutzprogramm) eine gewisse Bedeutung. Ansätze gibt es auch bei der Erstellung von Landschaftsentwicklungskonzepten (Moorentwicklungskonzept des LfU). Ausgehend von den vorliegenden Anwendungsbeispielen werden Anforderungen an die Fernerkundung aus der Sicht der wasserwirtschaftlichen und naturschutzfachlichen Alltagspraxis formuliert. 1. Einführung Unter den Methoden der Fernerkundung versteht man die Gesamtheit der Verfahren zur Gewinnung von Informationen über die Erdoberfläche durch Messung und Interpretation der von ihr ausgehenden (Energie-) Felder. Als Informationsträger dient dabei die von der Erde reflektierte oder emittierte elektromagnetische Strahlung (DIN). Man unterscheidet heute zwischen der Luftbild- und Satellitenbildtechnik. Die traditionelle Luftbildtechnik hat durch die Entwicklung und den Einsatz von automatisierten multispektralen Verfahren (Scan-Bilder) eine wesentliche Erweiterung ihrer Möglichkeiten erfahren. Der Blick von oben besticht durch die Möglichkeit, Ausschnitte der Erdoberfläche automatisiert und präzise in ihrer Gesamtheit zu erfassen. In zahlreichen Projekten wird an der Verbesserung der technischen Methoden gearbeitet (u.a. High Tech Offensive Bayern). Im Mittelpunkt des Interesses stehen die höhere (spektrale) Auflösung von Erfassungsgeräten, die Umsetzung der aufgezeichneten Strahlung in fachlich brauchbare Informationen, variable Maßstabsebenen und die operationelle Anwendung. 2. Ermittlung und Bedarf von fachlichen Grundlagen heute und morgen Berichtspflichten und Planungen zum Status quo, Monitoringprogramme, Bewirtschaftung und Management von aquatischen, amphibischen und terrestrischen Lebensräumen zur Erreichung des guten Zustandes eines Gewässers (nach EG-WRRL) oder eines guten Erhaltungszustandes (nach FFH-RL) nehmen im Bereich der Wasserwirtschaft und des Naturschutzes auf der Ebene der Bundesländer und des Bundes kontinuierlich zu (z. B. EG-Wasserrahmenrichtlinie, FFH- Richlinie u. a.). Die automatisierte Datenerfassung und Auswertung mittels Fernerkundungsmethoden könnte eine wesentliche Hilfe bei der Grundlagenermittlung sowie bei der Erstellung von Berichten und Planungen darstellen. Potentielle wasserwirtschaftliche und naturschutzfachliche Anwendungsbereiche für die Methoden der Fernerkundung sind: Grundlagenermittlung Wasserwirtschaft Die Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie, die u. a. eine Bestandsaufnahme des Status Quo, ein Monitoring, die Erstellung von Bewirtschaftungsplänen sowie die Umsetzung von Maßnahmenprogrammen und -plänen vorsieht, die Erstellung von Plänen zur Gewässerentwicklung und dem vorbeugenden Hochwasserschutz, die konzeptionelle Planung für die Gewässerentwicklung und Gewässerstrukturkartierung, die Ermittlung und Festsetzung von Überschwemmungsgebieten sowie das bayerische Auenprogramm. Grundlagenermittlung Naturschutz Die Umsetzung von Natura 2000 (Fauna-Flora- Habitat-Richtlinie und Vogelschutz-Richtlinie), Ermittlung und Abgrenzung von Lebensraumtypen, das Arten-Biotopschutzprogramm und der Biotopverbund, 11

2 Flächenentwicklungskonzepte, Flächenkontrollen der Landnutzung im Zusammenhang mit dem Vertragsnaturschutzprogramm (VNP) sowie die Aufnahme von Vegetationsentwicklungen (z. B. Seeuferkartierungen des LfU, Flächenmanagement). Im Zusammenhang mit der Grundlagenermittlung für die Umsetzung der genannten EG-Richtlinien besteht darüber hinaus eine Schnittstelle zwischen Wasserwirtschaft und Naturschutz, die die wasserabhängigen FFH- und Vogelschutzgebiete betrifft. Gemeinsame Ziele im Sinne der EG-Richtlinien sind dabei die Erhaltung und Wiederherstellung eines guten (ökologischen) Zustandes eines Gewässers (EG- WRRL) sowie die Vermeidung von Verschlechterungen, den Fortbestand bzw. die Wiederherstellung eines günstigen Erhaltungszustandes zum Schutz prioritärer Lebensräume und Arten (Natura 2000). Die Fernerkundung könnte einen wichtigen Beitrag leisten, die fachübergreifende Zusammenarbeit in den genannten Aufgabengebieten zu fördern, sowie Synergien bei der Erstellung von nachhaltigen Nutzungs- und Entwicklungskonzepten im Bereich der Wasserwirtschaft, des Naturschutzes und angrenzenden Gebieten (Land- und Forstwirtschaft, Raumplanung und Bauleitplanung) freizusetzen. 3. Anwendungsbeispiele aus der Praxis Bereits heute wird die Fernerkundung in ausgewählten Bereichen und Projekten eingesetzt. Zu erwähnen sind die Bereitstellung von Informationen aus Satellitenbildern für die Vor- und Nachsorge bei Überschwemmungskatastrophen, die Ertragsermittlung landwirtschaftlicher Nutzflächen, die weitergehende Hochwasservorsorge, dem Trinkwasserschutz, Ökosystemanalysen (Biodiversität in alpinen Regionen, Vegetationskartierungen) und die Ermittlung von Wasserqualitätsparameter mittels Landsat TM Bildern. Als aktuelle Anwendungsbeispiele aus der Wasserwirtschaft sind zu nennen die Luftbildauswertung im Rahmen von Gewässerentwicklungsplänen an Fliessgewässern und Seen, die luftbildgestützte Ermittlung und Ausweisung von Überschwemmungsgebieten im Zusammenhang mit der weitergehenden Hochwasservorsorge, Satellitengestützte Einzugsgebietsanalyse für Landnutzungsdaten (Verschneidung von CORINE-Satellitendaten mit INVEKOS-Daten, Europ. Integriertes Flächenerkundungssystem mit Luftbild- und Satellitenbildern zur Überwachung von landwirtschaftlich genutzten Flächen) und das HTO-Projekt Waginger See (High-Tech-Offensive Bayern). Der fachliche Naturschutz nutzt die Möglichkeiten der Fernerkundung bei der fachlichen Grundlagenermittlung z.b. beim Gewässerentwicklungsplan Chiemsee und Starnberger See, bei der Aktualisierung von Seeuferkartierungen (z. B. Chiemsee, Starnberger See) im Fach-Informationssystem FIS-Natur (Ortho- Fotos, Satellitenbild, Vermessung von Flächen), bei der Flächenkontrolle nach dem Vertragsnaturschutzprogramm (Landschaftsnutzungserhebungen mit LANDSAT) in der Landespflege z. B. bei der Erstellung eines Moorentwicklungskonzeptes durch das LfU 4. Anforderungen an die Zukunft Ausblick Aufbauend auf den vielen Ansätzen in den unterschiedlichen Bereichen erscheint es notwendig, die vorhandenen Einsatzbereiche für die Fernerkundung zu systematisieren und den vorhandenen Wissensstand für die Praxis festzustellen ( State of the Art ). Im Bereich der Technik sind die Voraussetzungen für eine Effizienz und Qualität der Fernerkundungsdaten zu schaffen. Die Maßstabsebenen sollten hinsichtlich der Fragestellungen verfeinert und angepasst werden (u.a. höhere Auflösung, variable Maßstabsebenen 1 : und kleiner). Die Kosten stehen im Wettbewerb mit herkömmlichen Verfahren und sind vor dem Hintergrund von Kosten-Nutzen-Aspekten zu erwägen. In der Zukunft gilt es zwischen Wissenschaft und Praxis eine Brücke in der Form zu schlagen, dass sowohl der wissenschaftliche Fortschritt als auch der praktische Nutzen gleichermaßen davon profitiert. Erfolgreich erprobte Erkundungsmethoden in Einzelprojekten (vgl. oben) sind im Hinblick auf ihren operationellen Einsatz in der Routine und Praxis zu überprüfen und zu bewerten. In Anlehnung an die Ermittlung von fachlichen Grundlagen ist folgender Bedarf festzustellen: Was braucht die Wasserwirtschaft Die Korrelation von Fernerkundungsdaten mit Felddaten, mit dem Ziel die Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit von gewässerspezifischen Daten zu verifizieren, automatisierte Datenerfassung- und Verarbeitungsmethoden, Anwendung der Datenaufnahme auf die Vorhersage von Gewässerzustandsentwicklungen (z. B. Aussagen zum Eutrophierungsgeschehen, der Uferentwicklung, Gewässerstrukturen) bioindikatorische Interpretation von Daten 12

3 (Statistische) Habitatanalysen und Luftbildauswertung (Schilfkartierung), Erfolgskontrollen von Maßnahmenprogrammen, automatisierte Fernerkundung von Gewässerparametern (Morphologie, Wasserqualität) Verbesserung der quantitativen Bestimmung z.b. des Chlorophyll- und Schwebstoffgehalts, der Sichttiefen, Temperatur in Seen, Einzugsgebietsanalysen zur Abschätzung von diffusen Nährstoffeinträgen aus landwirtschaftlichen Nutzflächen (Hangneigungen, Nutzungsart), Verknüpfung von Fernerkundungsdaten mit Geographischen Informationssystemen. Was braucht der Naturschutz Die Korrelation von Fernerkundungsdaten mit Felddaten, mit dem Ziel die Reproduzierbarkeit und die Genauigkeit von naturschutzfachlichen Daten zu verifizieren, automatisierte Datenerfassung- und Verarbeitungsmethoden, Flächenabgrenzung (up/down-scaling), Dokumentation des Istzustandes und großräumiger Veränderungen von Flächen (Flächenentwicklungskonzepte) Vorhersage von Vegetationsentwicklungen (Sukzessionen) Aufnahme der Seeufervegetation, von Eingriffsflächen, Unterscheidung von Vegetationseinheiten und deren Vitalitätsstufen, (Statistische) Habitatanalysen und Luftbildauswertung, Biotopschutz mittels Fernerkundung mit dem Ziel Veränderungen in Biotopen frühzeitig zu erkennen, Erfolgskontrollen von Maßnahmenprogrammen und Managementplänen Kontrolle von Landoberflächen, Ökosystemüberwachung. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die Fernerkundung das Potential hat, sich zu einer Schlüsseltechnologie der Zukunft im Umweltbereich zu entwickeln. Der heutige technische Standard lässt hoffen, dass die umfangreichen Aufgaben der Wasserwirtschaft und des Naturschutzes im Bereich des Monitorings und der Prognose von Umweltveränderungen im Zusammenspiel mit den herkömmlichen Methoden schon bald effizienter und kostengünstiger gestaltet werden könnten. In vielen Bereichen ist die Fernerkundung bereits heute ein unverzichtbarer Partner für ein modernes Gewässer- bzw. Umweltmonitoring. Für eine breite operationelle Anwendung bedarf es aber noch intensiver gemeinsamer Anstrengungen von Forschung und Verwaltung. Neue Bildinterpretationstechniken und die Weiterentwicklung der Aufnahme und Auswertetechniken schaffen hierzu die erforderlichen Voraussetzungen. Die verstärkte Zusammenarbeit der Fachverwaltungen (Wasserwirtschaft, Naturschutz, Landwirtschaft, Landesvermessung) untereinander sowie mit den Universitäten auf der einen und mit innovativen Unternehmen auf der anderen Seite könnte den Blick aus der Ferne schon bald auch in der operationellen Praxis revolutionieren. Anschrift des Verfassers: Dr. Klaus Arzet Wasserwirtschaftsamt München Praterinsel München 13

4 14

5 Zum Titelbild: Das Bild zeigt ein Anwendungsbeispiel zur Kartierung von submersen Makrophyten im Flachwasserbereich um die Insel Reichenau (Bodensee). Vergleich der Prozessierungsergebnisse von DAEDALUS- Aufnahmen im Juli 2001 und Spezielle MIP-Module korrigieren in dieser Anwendung den Einfluss der Wassersäule auf das Reflexionssignal, ermöglichen die Berechnung der Reflexionseigenschaften des Seegrundes und interpretieren diese Spektren dann als Mischsignal aus verschiedenen Sediment- oder Bewuchsklassen. Im Ergebnisbild werden Klassen von bodennahen Makrophyten (Characeen) in der Farbe grün, von hoch wachsenden Makrophyten (hier: hauptsächlich Potamogeton perfoliatus & pectinatus) in rot und unbedeckte Seegrund-Sedimente in blau dargestellt (siehe Beitrag HEEGE et al. S ). Laufener Seminarbeiträge 2/03 Bayerische Akademie für Naturschutz und Landschaftspflege (ANL) ISSN ISBN Die Bayerische Akademie für Naturschutz und Landschaftspflege ist eine dem Geschäftsbereich des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz angehörende Einrichtung. Die mit dem Verfassernamen gekennzeichneten Beiträge geben nicht in jedem Fall die Meinung der Herausgeber wieder. Die Verfasser sind verantwortlich für die Richtigkeit der in ihren Beiträgen mitgeteilten Tatbestände. Die Zeitschrift und alle in ihr enthaltenen einzelnen Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung der AutorInnen oder der Herausgeber ist unzulässig. Schriftleitung und Redaktion: Dr. Notker Mallach (ANL, Ref. 12) in Zusammenarbeit mit Dr. Elisabeth Obermaier Satz: Fa. Hans Bleicher, Laufen Druck und Bindung: E. Grauer Offsetdruck, Laufen Druck auf Recyclingpapier (100% Altpapier)