der Fernerkundung bei der Erstellung eines B-GIS (Bieneninformationssystems)

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1 Die Einbindung der Fernerkundung bei der Erstellung eines B-GIS (Bieneninformationssystems) Wolfgang SULZER Zusammenfassung In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse einer Projektstudie vorgestellt, die die Einsatzmöglichkeiten der Fernerkundung bei der Erstellung eines B-GIS (Bieneninformationssystems) zum Ziel hat. Die Arbeiten wurden in enger Zusammenarbeit mit dem Institut für Bienenkunde in Lunz durchgeführt. 1 Einleitung Die hier vorgestellte Projektstudie beschäftigt sich mit der räumlichen Analyse der Umgebung von Bienenstandorten in den Bezirken Scheibbs und Amstetten (Niederösterreich) mithilfe von Fernerkundungsbilddaten und die Einbindung in ein Bieneninformationssystem (B-GIS). Weitere Informationen über Konzeption und Umsetzung von B-GIS finden sich im Beitrag von J. GSPURNING (in diesem Band). Fernerkundungsbilddaten finden ihren Einsatz bei zoologischen Fragestellungen hauptsächlich in den Themenkomplexen Habitat und Biodiversität (vgl. DAUBER et al. 2003, IBITS et al. 2002, LAUSCH & MENZ 1999, TRAUB & KLEINN 1999). Im Allgemeinen wird das jeweilige Habitat in einer dem Aktionsradius des Tieres entsprechenden Raumeinheiten analysiert. Die Anforderungen an das Habitat können meist in Regelwerken definiert werden. Somit werden die idealen (räumlichen) Bedingungen für das Habitat unter- bzw. gesucht. Bei dieser Studie geht man von den Bienenstandorten aus, von denen aus ein Aktionsradius von 3 km (durchschnittliche Flugtätigkeit der Bienen) die unmittelbare Umgebung betrachtet wird. Habitatuntersuchungen an Bienen finden sich u.a. in SVENS- SON et al. (2000), BÜRGER (2004); Ansätze mittels Fernerkundung in HIRSCHMUGL et al. (2004). Die bienenfachkundige Begleitung wurde von Herrn ERNST HÜTTINGER (Institut für Bienenkunde in Lunz am See) durchgeführt. Ihm soll an dieser Stelle für die vielen Anregungen gedankt sein. 2 Welchen Nutzen bringt der Einsatz von Fernerkundung? In erster Linie stellt sich bei der Zielsetzung des Gesamtprojektes die Frage: Welchen Nutzen bringt mir der Einsatz von Fernerkundungsbilddaten? Visualisierungsaspekte zum leichteren Verständnis der Landschaftsstrukturen und der Bodennutzung/-bedeckung im unmittelbaren Umkreis der Bienenstandorte im B-GIS. Fernerkundungsbilddaten als Anschauungsmaterial können ohne spezielle Interpretation

2 Die Einbindung der Fernerkundung bei der Erstellung eines B-GIS 717 und digitale Weiterverarbeitung ausschließlich zum Zwecke der Gewinnung eines Überblicks, zur Illustration oder Veranschaulichung herangezogen werden. Mittels Fernerkundungsbilddaten können somit Landschaftsstrukturen leicht verständlich zwei- und dreidimensional dargestellt werden und die wesentlichen Landschafstrukturen und Nutzungen erkannt werden. Kartierung der Bodenbedeckung/Landnutzung im Umkreis der Bienenstöcke: Die Kartierung der Bodenbedeckung/Landnutzung und der Landschaftsstruktur zielt in erster Linie auf das potenzielle Futterangebot für die Bienen innerhalb eines Aktionsradius von 3 km ab. Je nach geometrischer und spektraler Auflösung der verwendeten Fernerkundungsbilddaten können hier Differenzierungen etwa verschiedener Laubholzwaldarten und Äcker durchgeführt werden. Von Seiten der Fernerkundungssensoren werden hier multispektrale Datensätze mit einer räumlichen Auflösung von ca. 1 m bis etwa 30 m angeboten. Hier sei auch auf die Möglichkeit der Fernerkundung bei der standardisierten Erfassung der Landschaftsdiversität und -heterogenität hingewiesen Ein wesentliche Aspekt ist hier auch die Verteilung der Bienenstandorte und die Bodenbedeckung hinsichtlich des Bestäubungspotenziales, da neben Wildbienen und Hummeln, Honigbienen die wichtigsten Bestäuber von Kultur- und Wildpflanzen sind. Monitoring der landschaftlichen Veränderungen: Fernerkundungsbilddaten ermöglichen eine Beobachtung des Raumes im Umkreis von Bienenstöcken hinsichtlich ihrer Nutzungsänderung im Laufe der Zeit. Im Untersuchungsgebiet ist es vor allem die allgemein bekannten und oftmals dokumentierte Siedlungstätigkeit in den Talräumen und der angrenzenden Gebiete, die Umwandlung von intensiv landwirtschaftlich genutzter Areale in extensiv genutzte Wiesen und Aufforstungen in den gebirgigeren Teilen. Analyse der Futterangebotes im Jahreskreis: Aus der räumlichen und zeitlichen Verteilung blühender Vegetation schließen Bienenfachleute auf die Art und Qualität des erzielten Honigs. Die zeitliche Veränderung des Futterangebotes innerhalb eines Jahres kann durch multitemporale Datensätze innerhalb der Vegetationsperiode ausreichend erfasst werden. Einbindung in das B-GIS: Eine Kombination der Auswerteergebnisse von Fernerkundungsmethoden mit anderen Informationsquellen kann neue Informationen erschließen, die sonst unzugänglich wären. 3 Das Untersuchungsgebiet und verwendete Fernerkundungsbilddatensätze Das Untersuchungsgebiet ist mit den Bezirken Scheibbs und Amstetten in Niederösterreich definiert. Damit werden repräsentative Landschaftsstrukturen Österreichs abgedeckt, vom Donautal, über das Nördliche Alpenvorland bis hin zu den Gebirgsregionen der Nördlichen Kalkalpen. Für die Pilotstudie wurden keine Kosten für die Datenbeschaffung im Bereich der Fernerkundungsbilddaten veranschlagt. Hier sollten vorhandene Datensätze verwendet werden, um bei einer Ausdehnung des Projektes auf ganz Österreich möglichst eine kostengünstige Einbindung der Fernerkundung in das B-GIS zu gewährleisten.

3 718 W. Sulzer Folgende Daten standen für die Pilotstudie im Bereich Fernerkundung zur Verfügung; sie wurden vom AMT DER NIEDERÖSTERREICHISCHEN LANDESREGIERUNG (NÖGIS) freundlicher Weise zur Verfügung gestellt. Für die Aufgabenstellung des Projektes wurden lediglich die digitalen Orthophotos im Maßstab 1: verwendet. Leider standen die Daten erst Ende 2004 zur Verfügung. Dieser Umstand hat die Bearbeitung/Auswertung im Detailmaßstab von 1: erheblich verzögert. Für die Methodenentwicklung (Legende) wurden von Institut für Geographie und Raumforschung der Universität Graz im Vorfeld des Projektes repräsentative Orthophotos des Untersuchungsbietes angekauft. Die Datensätze der Landnutzung (Corine Landcover; Level 2 und 3) können einen ersten groben Einblick über die Verteilung der Landnutzung im Untersuchungsgebiet geben. Für detaillierte Analysen bis zu einem Maßstab von 1: sind sie leider nicht geeignet (vgl. dazu Abb. 2). Weitere GIS-Datensätze von NÖGIS (siehe Beitrag J. GSPURNING) wurden in den verschiedenen Bearbeitungsebenen eingebunden. Satellitenbilddaten wurden vom Institut für Geographie und Raumforschung zur Verfügung gestellt. Hierbei handelt es sich in dieser Projektphase um eine Landsat ETM+-Szene vom Methodischer Ansatz Zielvorgabe beim Einsatz von Fernerkundungsbilddaten war eine einfache, kostengünstige Auswertemethode zu entwickeln, die etwa in weiterer Folge auf das gesamte Staatsgebiet von Österreich angewandt werden kann. Um eine Flächenabdeckung mit einheitlichen Daten zu gewährleisten, wurde auf den Einsatz von hochauflösenden Satellitenbilddaten (IKONOS, QUICKBIRD) verzichtet. Vielmehr sollte hier auf kostengünstige (verfügbare) Daten zurückgegriffen werden, die mit einer geometrischen Auflösung von 30 m im multispektralen Bereich detailreiche Informationen über die Bodenbedeckung im Maßstab bis zu 1: zulassen. Hier bot sich bei der Konzeption des Pilotprojektes das Landsat TM-System an. Leider werden durch einen Ausfall von Scan-Zeilen Landsat ETM+-Daten seit 2003 nicht mehr geliefert bzw. sind nur mehr als SLC-off product erhältlich. Aus diesem Grund musste auf ältere Daten dieses Satellitensystem zurückgegriffen werden. Eine kostengünstige Variante stellt hier das TERRA-System mit dem ASTER-Sensor dar. Für Detailkartierung im Maßstab 1: werden digitale Orthophotos des Bundesamtes für Eich- und Vermessungswesen eingesetzt, die ebenfalls österreichweit verfügbar sind. Der gewählte Ansatz bei der Analyse der Bodenbedeckung/Landnutzung lässt dich in folgende Klassifikationsebenen gliedern: 1. Wissensbasierte Klassifizierung des gesamten Untersuchungsgebietes mittels der Landsat TM-Bilddaten (Überblick) 2. Visuelle Kartierung der Orthophotos im Umkreis der Bienenstöcke 3. Segmentierung der Bodenbedeckungseinheiten im SW-Orthophoto und erneute detaillierte Klassifikation der 3 km Radien

4 Die Einbindung der Fernerkundung bei der Erstellung eines B-GIS Analyse der Ergebnisse und Einbindung in das Gesamt B-GIS 5. Fortführung/Change Detection Wissensbasierte Klassifizierung mittels der Landsat TM-Bilddaten des gesamten Bearbeitungsgebietes: Ziel dieser Klassifikationsebene ist eine Überblicksdarstellung der Landnutzungseinheiten im Gesamtgebiet, zum Zwecke der Gewährleitung einer raschen Einsichtnahme bzw. eines raschen Überblicks bei Veränderungen/Verlagerungen/Auftreten von Schädlingen etc. der Bienenstandorte. Unter Einbindung der NÖGIS-Daten (DHM, Orthophotos, Waldverteilung, Siedlungsmasken, etc.) wurde für das gesamte Untersuchungsgebiet (Bezirke Scheibbs und Amstetten) eine wissensbasierte Klassifikation durchgeführt. Durch die heterogenen Landschaftsstrukturen (Donautal, Nördliches Alpenvorland, Hügelland, Bergland bis hin zum Hochgebirge mussten mehrere räumliche Bearbeitungsebenen bzw. hierarchische Klassifikationsroutinen eingeführt werden, die zuerst getrennt klassifiziert wurden und schließlich zusammengefügt wurden. Für die Nutzungskategorien (Legende) wurden die für die Region spezifischen Einheiten (z.b. Waldklassen) herangezogen, die natürlich beliebig für ganz Österreich verfeinert werden kann. Die Legende beinhaltet (derzeit) keine optimale Differenzierung etwa der Ackerflächen; diese kann nur über einen multitemporalen Ansatz bzw. mithilfe eingehender Geländeüberprüfungen erreicht werden: Konkret wurde in Wald (Nadelwald (Fi, Ta): < 80 %, / Nadelwald (Fi, Ta): <60 % <80 % / Mischwald (Bu, Fi, Ta) / Buchenwald), Wiesen (feucht/trocken); Ackerflächen (Mais / Raps / Getreide / Hülsenfrüchte / Erdäpfel), Alpine Matten, Brachflächen, Fels, Gewässer, Versiegelte Flächen (locker; mittel, dicht) unterschieden. Als Ergebnis dieser Landnutzungskartierung liegt nun ein Rasterdatensatz mit einer Auflösung von 30 m vor. Abb. 1: Lage der Bienenstandorte in der ÖK50 (links) und im Orthophoto (rechts) Visuelle Kartierung der Orthophotos im Umkreis der Bienenstöcke: Ziel dieser Auswerteebene ist die Gewinnung eines detaillierten Überblicks in einem Maßstab von ca. 1: im unmittelbaren Bereich der Standorte. Die Kartierung erfolge in ArcView. Durch die Verwendung von panchromatischen Orthophotos ist eine differenzierte Legendentwicklung schwer möglich. Hier wurde vornehmlich eine reduzierte Differenzierung in versie-

5 720 W. Sulzer gelte Flächen (Siedlungen, Verkehrswege, Wiesen, agrarwirtschaftliche Flächen, Wald, Gewässer, etc. durchgeführt. Abb. 2: Digitale (links) und visuelle (rechts) Landnutzungsklassifikation (die * markieren die Bienenstandorte (Ausschnitt: ca. 7,5 6,5 km)) Segmentierung der Luftbilder und Detailklassifikation im Umkreis der Bienenstandorte: Die Auswertung der analogen Luftbilder zeigt wegen der qualitativen Mängel und der eingeschränkten panchromatischen Information deutliche Limits. Die verwendeten Satellitenbilddaten besitzen sehr wohl Vorteile in der spektralen Auflösung, was einer Differenzierung der Landnutzung zugute kommt, lassen aber aufgrund der geringeren geometrischen Auflösung keinen Blick auf erforderliche Details zu. Eine Datenfusion der Luftbilder mit den Satellitenbildern kommt u.a. aufgrund des unterschiedlichen Aufnahmedatums nicht in Frage. Bei einer Analyse der Umgebung der Bienenstandorte hat sich gezeigt, dass sich speziell Wald- und Ackergrenzen sich im Laufe der Jahre wenig verändern. So bietet sich eine Segmentierung der Fluren im den Orthophotos an, die dann als Basis für eine weitere, detailreichere Klassifikation der Bienenumgebung herangezogen wird. Eine Konzentration der digitalen Klassifikation auf die Aktionsradien der Bienen vermindert den Arbeitsaufwand gegenüber einer flächendeckenden (Bezirke/Länder/etc.) Klassifikation erheblich. Die bei den Geländeerhebungen der Bienenstandorte gemachten Aufnahmen (Skizzen/Photos) unterstützen den Klassifikationsprozess, sodass praktisch nur mehr stichprobenartig die Ergebnisse überprüft werden brauchen. 5 Weitere Möglichkeiten der Einbindung der Fernerkundung Bei den Ergebnissen der Landnutzungskartierung (Landsat und Orthophoto) handelt es sich um thematische GIS-Datensätze, ähnlich wie die Corine-Landnutzungsdaten. Dementsprechend können sie wie oben erwähnt in das B-GIS-System voll integriert werden und auch weiterverarbeitet und analysiert werden. Wichtig erscheint hier der Aktualisierungsaspekt, der bei Satellitenbilddaten etwa alle 2-3 Jahre erfolgen sollte, um mittelfristige Veränderungen kartieren zu können. Luftbilder werden in Österreich in durchschnitt-

6 Die Einbindung der Fernerkundung bei der Erstellung eines B-GIS 721 lich etwa alle 7-9 Jahre von ein und demselben Gebiet aufgenommen (städtische Räume öfters und ländliche Gebiete entsprechend weniger oft). Um hier kurzfristigere Veränderungen zu kartieren, müssten schon hochauflösende Satellitenbildsysteme (IKONOS, QUICKBIRD) eingesetzt werden. Farb- und Farbinfrarotluftbilder des BEV besitzen hinsichtlich der (automatischen) digitalen Auswertemethoden schon viel versprechende Ansätze, die auch für das B-GIS angedacht sind. Eine semiautomatische Klassifikation bzw. eine weitergeführte Change Detection eröffnet neue Einsatzmöglichkeiten und Analysemöglichkeiten. Hier können multitemporale ASTER-Datenaufnahmen (mehrere Bilder innerhalb der Vegetationsperiode) des Untersuchungsgebietes mit einer geometrischen Auflösung von m relativ billig (60 US$) eingebunden werden, um bessere Aussagen über den Vegetationsfortschritt tätigen zu können und dadurch eine detailreichere Legende erlauben. Die Fernerkundungsdaten und deren Auswertungsergebnisse werden auch in die weiteren Analyseschritte des B-GIS eingebunden. Beispiel hierfür sind die Bewertung der amtlichen Bienenbelegstellen, die Integration in das Seuchebekämpfungsprogramms (Feuerbrand, Milbenbefall). Auch wird damit eine echte Habitatsanalyse innerhalb eines hybriden Geographischen Informationssystems möglich, wo etwa optimale Standortbedingen für Belegstellen in einem Regelwerk in Zusammenarbeit mit dem Institut für Bienenkunde ausgearbeitet werden können. Zudem werden für Bienen relevante Zusatzinformationen wie phänologische Karten, klimatische Kennwerte, Relief, etc. in die Studie eingebunden. Literatur BÜRGER, D. (2004): Bedeutung der Landschaftsstruktur für die Bienendiversität und Bestäubung auf unterschiedlichen räumlichen Skalen. Dissertation an der Fakultät für Agrarwissenschaften der Georg-August-Universität Göttingen. DAUBER, J., HIRSCH, M., SIMMERING, D., WALDHARDT, R., OTTE, A. & V. WOLTERS (2003): Landscape structure as an indicator of biodiversity: matrix effects on species richness. In: Agriculture, Ecosystems and Environment, 98, HIRSCHMUGL, M., HÜTTINGER, E., KASTBERGER, G. & W. SULZER (2004): Multitemporal Investigation of Giant Honey Bees (Apis Dorsata) Migration in Chitwan Area (Nepal). 19th European & Scandinavian Conference for ESRI Users, Copenhagen, ( IBITS, E., ADLER, P. & B. KOCH (2002): Optimierung der Erfassung der Biodiversität auf der Basis von Satelliten und Luftbilder: ein Europäisches Landschaftskonzept. In: Tagungsband zur 3. Jahrestagung der IALE-Region Deutschland Dresden. LAUSCH, A. & G. MENZ (1999): Bedeutung der Integration linearer Elemente in Fernerkundungsdaten zur Berechnung von Landschaftsstrukturmaßen. In. Photogrammetrie, Fernerkundung, Geoinformation, 3/1999, SVENSSON, B., LAGELÖFF, S. & B. G. SVENSSON (2000): Habitat preferences of nestseeking bumble bees (Hymenoptera: Apidae) in an agricultural landscape. In: Agriculture Ecosystems and Environment, 77, TRAUB, B. & C. KLEINN (1999): Zur Erfassung von Flächenfragmentierung und struktureller Diversität measuring Fragmentation and structural Diversity. In: Forstwissenschaftliches Zentralblatt (German Journal of Forest Science), 118, S