Computergestützte Klassifizierung von Biotoptypen auf Grundlage hochauflösender multispektraler Scannerdaten

Veranlassung

Im Rahmen der vom Wasser- und Schifffahrtsamt (WSA) Hamburg 1999/2000 durchgeführten Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe an die Belange der Containerschifffahrt wurde als Teil der Planfeststellungsunterlagen eine Umweltverträglichkeitsstudie erarbeitet (PÖUN 1997). Darin wurden u. a. Tidehubänderungen prognostiziert, die den Verlust von ca. 95 ha ufernaher Biotoptypen, insbesondere Weidenauwald, Weidengebüsch, Röhrichte und Uferstaudenfluren zur Folge haben sollen. Die flächendeckende Kartierung der Biotoptypen der Elbufer zwischen Scharhörn und Geesthacht (Untersuchungsgebiet UVS siehe Abb. 3) erfolgte in der Zeit von 1993 bis 1996 durch örtliche Begehung und Eintragung der Biotoptypen in die DGK 5.
Die prognostizierten Veränderungen beziehen sich auf das Gebiet der Elbe von Glückstadt bis Geesthacht sowie die Unterläufe der Nebenflüsse. Die betroffenen Biotoptypen sind teilweise als sehr schmale Vegetationsstreifen ausgebildet, teilweise nehmen sie große, zusammenhängende Flächen wie im Bereich südlich der Pinnaumündung ein. Die Neigungen der Uferböschungen variieren sehr stark von ca. 1:3 bis ca. 1:100. Der prognostizierte Anstieg des die Vegetationszonierung mitbestimmenden Mittleren Tidehochwassers (MTHw) zwischen ca. 1 cm und ca. 4 cm bewirkt deshalb - in Abhängigkeit von den Böschungsneigungen - örtliche Veränderungen, die sich teilweise nur im Dezimeterbereich bewegen. Auch diese geringen Veränderungen sollen im Rahmen eines Monitoring erfasst werden.
Trotz der Größe des Untersuchungsgebietes und die z.T. nur schwer zugänglichen Gebiete sind Biotoptypenaufnahmen erforderlich, welche höchste Anforderungen der Genauigkeit erfüllen und eine objektive Vergleichbarkeit von Aufnahmereihen mehrerer Jahre ermöglichen müssen.
Eine konventionelle flächenhafte Kartierung - auch auf der Basis einer CIR-Befliegung - wurde nach Durchführung einer Markt- und Hochschulanalyse zur automatisierten Auswertung von Luftbildbefliegungen nicht weiter in Betracht gezogen, weil sie den gestellten Ansprüchen nicht genügte.
Eine theoretische Möglichkeit ließ sich aus den technischen Daten des flugzeuggestützten hochauflösenden multispektralen Zeilenscanners HRSC-A (High Resolution Stereo Camera - Airborne) des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ableiten. Mit diesem Scanner wurde 1999 ein Pilotprojekt in Zusammenarbeit des WSA Hamburg, der Bundesanstalt für Gewässerkunde Koblenz (BfG), dem Institut für Umweltwissenschaften (IUW) der Hochschule Vechta und dem DLR durchgeführt. Ziel dieses Pilotprojektes war es, die Entwicklung einer standardisierten und möglichst automatisierten Methode zur Erfassung und hochgenauen Abgrenzung ufernaher Biotoptypen mittels HRSC-A-Daten zu evaluieren, um so die Grundlagen für ein langjähriges Monitoring mit Unterstützung der erarbeiteten Methoden zu legen.

Die Kamera wurde ursprünglich für die Erkundung des Planeten Mars im Rahmen der russischen Raumfahrtmission Mars96 entwickelt. Nach der missglückten Mission ist sie als modifiziertes Modell in zahlreichen Flugzeugeinsätzen erfolgreich zur Erdbeobachtung eingesetzt worden. Das System fand bis dahin noch keine Anwendung in der Biotoptypenkartierung.

Das opto-elektronische HRSC-A-System (Abb. 1) bietet gegenüber konventionellen analogen Kamerasystemen eine Reihe von Vorteilen.
Die Kamera verfügt über neun Kanäle (zwei Stereo-, zwei Photometrie-, einen Nadir- sowie vier multispektrale Kanäle von Blau bis Infrarot). Die photogrammetrische Genauigkeit dieses Systems liegt im Bereich von +/-15-20 cm lateral und vertikal in Bezug auf die absolute äußere Orientierung. Die Kamera verfügt darüber hinaus über eine hohe radiometrische Auflösung und das System erlaubt einen schnellen Zugriff auf digitale geopositionierte Daten (BIDO, I., LEHMANN, F., 2000). Zu beachten ist, dass der sogenannte rote Kanal nicht die Wellenlängen des sichtbaren roten Lichtes (0,6 - 0,7 µm) erfasst sondern Bereiche des nahen Infrarot abdeckt. Dies resultiert daraus, dass die Kamera für die spektralen Verhältnisse des Mars entwickelt wurde. Aus den Daten einer Befliegung lassen sich verschiedene Bildprodukte prozessieren (Abb. 2).

Abb. 2: Bildprodukte einer HRSC-A-Szene, Elbinsel Pagensand, September 1999 – von links nach rechts: echtfarbenähnliches Orthofoto, CIR-Orthofoto, panchromatisches Orthofoto (Nadir-Kanal), Digitales Oberflächenmodell (DOM)Pilotprojekt

Erstmals sollte diese Technologie für die Erfassung von Biotoptypen in einem Pilotprojekt zur Anwendung kommen, um die Potenziale dieses Scanners und einer zu entwickelnden Methodik zur automatisierten Klassifikation von Vegetationseinheiten zu testen. Für das Pilotprojekt wurden drei Testgebiete an der Unterelbe festgelegt, die Anfang September 1999 vom DLR mit der HRSC-A beflogen wurden: Die Elbinsel Pagensand, die Ilmenau-Mündung und das Naturschutzgebiet Heuckenlock bei Hamburg (siehe Abb. 3).

Die Flughöhe von 3000 m ermöglicht eine maximale Bodenauflösung von 0,15 m und die vom DLR prozessierten Daten wurden dem Institut für Umweltwissenschaften der Hochschule Vechta im November 1999 übergeben.

Hierarchische Klassifikation

Das IUW entwickelte eine Methode zur weitgehend automatisierten Erfassung und Abgrenzung von Biotoptypen. Diese Methode basiert auf der spektralen und rechnerischen Trennung verschiedener Einheiten (Offenboden/Vegetation/Schatten - hohe/niedrige Vegetation), einer überwachten multispektralen Klassifikation der einzelnen separierten Masken und der gezielten Addition ausgewählter Ergebnisse. Eine solche Vorgehensweise, in der eine Szene schrittweise nacheinander in mehreren Entscheidungsschritten klassifiziert wird, ist als hierarchische Klassifikation zu bezeichnen (Hildebrandt 1996).
Wie bereits beschrieben, besitzt die HRSC-A keinen echten roten Kanal. Der Spektralbereich des für die Vegetationsklassifikation sehr wertvollen sichtbaren roten Bereichs wird von dem Nadir-Kanal (panchromatisch (PAN) 0,587 - 0,765 µm) abgedeckt. Durch Subtraktion des NIR (Nahes Infrarot, 0,729 - 0,771 µm) vom panchromatischen Spektrum und anschließender Eliminierung der entstanden Negativwerte wurden die Spektralinformationen des sichtbaren roten Bereichs extrahiert und ein sogenannter künstlicher oder virtueller Roter Kanal (VR) erzeugt. Auf Grundlage einer Standard-Texturanalyse und der Ableitung eines Digitalen Oberflächenmodells (DOM) wurde für die Klassifikation ein künstliches 7-kanaliges Bild errechnet. Eingang fanden die spektralen Kanäle Blau, Grün, virtuelles Rot, nahes Infrarot, Infrarot sowie die Höheninformation des DOM und die Struktur. Nach der spektralen und rechnerischen Trennung der Einheiten

• Offenboden,
• Hohe Vegetation,
• niedrige Vegetation und
• Schatten

wurden diese mittels einer überwachten multispektralen Klassifikation jeweils in verschiedene Vegetationseinheiten untergliedert (Abb.4).

Abb. 4 HRSC-A Ausschnitt der Insel Pagensand (CIR-Darstellung) und Klassifikationsergebnisse

Der Grundgedanke der überwachten Klassifikation ist, dass der Computer auf Grundlage eines bestimmten Algorithmus die Bildelemente extrahiert, die eine definierte Kombination von Farbwerten aufweisen, wie die Bildelemente zuvor abgegrenzter Muster. Zur Anwendung kam der in der Fernerkundung am häufigsten eingesetzte Algorithmus der digitalen Klassifizierung: Der Maximum-Likelihood-Klassifikator. Der Algorithmus ist ein statistischer Ansatz und geht davon aus, dass eine Objektklasse Farbwerte mit einer Gauss'schen Normalverteilung um den entsprechenden Mittelwert aufweist (Hildebrandt, G. 1996).
Eine umfangreiche und sehr genaue Aufnahme der terrestrischen Biotoptypen auf der Insel Pagensand wurde als Grunddatenbestand mit in die digitale Datenbasis integriert und als Verifikation in die Methodenentwicklung einbezogen.
Für das Gebiet Heuckenlock wurden die Trainingsgebiete nur visuell und über die Bildung homogener Flächen festgelegt. Die konkrete Zuweisung der ermittelten Klassen zu bestimmten Biotoptypen erfolgte zunächst nur über den Vergleich von Spektralcharakteristika der ermittelten Klassen mit den Ergebnissen der mit Bodenkontrollen auf Pagensand identifizierten Biotoptypenklassen.

Bewertung der Ergebnisse

Im Mai 2000 sind von der BfG ca. 200 Punkte auf Pagensand und im Heuckenlock mit DGPS (Differentielles Global Positioning System) eingemessen worden, um die Genauigkeit der Klassifizierungen zu überprüfen (Abb. 5). Die untersuchten Bereiche wurden hinsichtlich ihrer Vegetation beschrieben und fotodokumetarisch festgehalten. Anschließend wurden die eingemessenen Punkte in ein Geografisches Informationssystem (GIS) überführt, mit den entsprechenden Daten verknüpft und mit der Klassifikation verglichen.
Festzustellen bleibt, dass die Vegetationseinheiten und -grenzen zum größten Teil sehr exakt durch diese Klassifikation erfasst wurden. Insbesondere die ufernahen Biotoptypen wurden in der Regel sehr gut abgebildet. In einigen Fällen kam es aber auch zu Fehlzuweisungen.

• der Einsatz des HRSC-Scanners grundsätzlich für eine Biotoptypenerfassung geeignet ist,
• eine teilweise automatisierte Klassifizierung von Vegetationseinheiten möglich ist,
• die lagemäßige Genauigkeit und der Detaillierungsgrad sehr hoch ist,
• eine weitgehende Übertragbarkeit von Ergebnissen aus Trainingsgebieten auf vergleichbare Flächen prinzipiell möglich ist,
• flächenscharfe Abgrenzungen in sehr großen, schwer überschaubaren oder schwer zugänglichen Gebieten hervorragend durchführbar sind und
• immer wieder auf die Grunddaten zurückgegriffen werden kann und somit Ergebnisse und Aussagen jederzeit nachvollziehbar belegt werden können.

Das Pilotprojekt zeigt aber auch, dass bei Anwendung einer solchen Methodik der Biotoptypenkartierung nicht auf ergänzende Geländearbeiten durch qualifiziertes vegetationskundliches Personal verzichtet werden kann. Differenzierte und komplexe Zusammenhänge in der Natur sind nur vor Ort von erfahrenem Personal genau bestimmbar. Aus dem Pilotprojekt lassen sich darüber hinaus weitere Ergebnisse z. B. für künftige Befliegungen ableiten. Dies betrifft neben den Befliegungszeiten (auf die vorrangig zu betrachtenden Biotoptypen abgestellte optimale Vegetationszeiten; im Tidebereich bestimmte Tidezeiten) auch technische Erkenntnisse (z. B. optimale Histogrammanpassung für die jeweilige Aufgabenstellung).
Die skizzierte halbautomatisierte Methode stellt deshalb - verglichen mit herkömmlichen Methoden - eine neue Qualitätsstufe der Biotoptypenaufnahme dar.
Insgesamt sind die Ergebnisse aus dem Pilotprojekt so überzeugend, dass das WSA Hamburg das DLR und die Hochschule Vechta unter wissenschaftlicher Begleitung und Koordination der BfG beauftragt hat, zentrale Bereiche des Untersuchungsgebietes im Jahr 2000 zu befliegen und auszuwerten. Die Ergebnisse der 2000er Befliegung müssen im Gelände von erfahrenden Vegetationskundlern überprüft werden, um eine verifizierte Vergleichsgrundlage für eine mögliche Folgebefliegung in zwei Jahren zu schaffen.

Anwendungsmöglichkeiten

Die hohe räumliche Auflösung, die mit dem neuen flugzeuggestützten HRSC-A Scanner erreicht werden kann, macht diese Fernerkundungsart zu einem geeigneten Instrument der Biotoptypenkartierung. Konkrete Anwendungsmöglichkeiten sind z. B.:

• Bestandserhebungen im Rahmen unterschiedlicher Planungsvorhaben, wie Umweltverträglichkeitsstudien, landschaftspflegerische Begleitpläne, Unterhaltungspläne, insbesondere für schwer zugängliche und großflächige Vorhabenssgebiete
• Grundlagen für Eingriffsbewertungen
• Bestandserhebungen für Beweissicherungen, Monitoring, Erfolgskontrollen

Die digitalen Aufnahmen sind eine objektive Datengrundlage, d. h., es kann immer wieder auf die Ursprungsdaten zurückgegriffen werden. So ist jederzeit eine Betrachtung und Analyse in unterschiedlichen Maßstäben möglich.
Die in unterschiedlichen Spektralbereichen und mit hoher photogrammetrischer Genauigkeit erfassten Daten ermöglichen eine Integration in ein GIS. Die Klassifizierungsergebnisse lassen sich mit weiteren Daten überlagern und miteinander verknüpfen. Damit lassen sich Korrelationen bzw. Wirkungszusammenhänge zwischen verschiedenen ökologischen Faktoren wissenschaftlich und planungsrelevant ableiten und ergründen. Die verschiedenen Daten lassen sich auch für andere Anwendungsgebiete innerhalb der Aufgabenbereiche der WSV einsetzen und ermöglichen so eine Mehrfachnutzung.

Bei vergleichenden Bestandserhebungen - z.B. in jährlichen Abständen - lassen sich auch für große Gebiete rasch und detailliert Veränderungen aufzeigen. Dies ist bisher bei einer konventionellen Kartierung auf Grund des hohen Zeitaufwandes - sowohl für die Kartierung als auch für die vergleichende Auswertung - kaum realisierbar. Sie liefert insbesondere durch die kleinräumlichen Abgrenzungsmöglichkeiten eine verlässliche und exakte Datenbasis für ein dauerhaftes Monitoring (Ehlers et al. 2000)

Durch die Berechnung eines digitalen Oberflächenmodells lassen sich auch räumliche Darstellung aus den Befliegungsdaten ableiten.

Ausblick

Das Pilotprojekt hatte nur eine eingeschränkte Fragestellung zu behandeln und dies musste dazu innerhalb eines eng bemessenen Zeitrahmens erfolgen. Aufgrund der positiven Ergebnisse des Pilotprojekts wurden deshalb im Jahr 2000 zwei weitere Befliegungen durchgeführt. Ziele sind die Klassifizierung zusätzlicher Biotoptypen und die Frage, in wie weit dieses Verfahren auch in einem Gebiet mit größeren Reliefenergie anwendbar ist. Zum einen wurde ein größeres Gebiet an der Unterelbe im Auftrag des WSA Hamburg beflogen, zum anderen ein ca. 10 km langer Abschnitt des Main-Donau-Kanals mit einem deutlichen stärkeren Relief (Auftrag der BfG). Neben dem stärkeren Relief stehen hier waldartige Biotoptypen im Vordergrund der Auswertung.
An der Elbe kam im Rahmen einer 2-tägigen Befliegungskampagne an einem Tag die weiterentwickelte Kamera HRSC-AX zum Einsatz, die in ihrer spektralen Bandbreite für die terrestrischen Anforderungen modifiziert wurde, wobei insbesondere die Anzahl der Pixel mehr als verdoppelt, die radiometrische Auflösung verbessert und ein "echter" roter Spektralkanal ausgewiesen wurde (NIR = 0,77-0,814 µm und Rot = 0,642-0,682 µm). Allerdings konnten die Daten des infraroten Kanals wegen des Ausfalls eines Moduls bei der HRSC-AX Befliegung nicht ausgewertet werden.
Im methodischen Teil wird der Einsatz eines Bildsegmentierungsverfahrens zusätzlich zu dem besprochenen pixel-orientierten Verfahrens getestet. Das zielt auf eine Verbesserung der Methode zur Klassifizierung von Biotoptypen hin und trägt der aktuellen Forschung hinsichtlich der Analyse höchstauflösender Bilddaten Rechnung. Insgesamt kann damit das Einsatzspektrum erweitert werden. Mit den Ergebnissen der beiden zusätzlichen Befliegungen lassen sich auch verbesserte Erkenntnisse auf die Übertragbarkeit auf andere Gebiete gewinnen.
Die ersten Auswertungen der beiden Befliegungskampagnen zeigen bereits zufriedenstellende Ergebnisse.

Literatur

BIDO, I., LEHMANN, F. (2000): Verfahrensbericht für das Projekt mit dem Wasser- und Schiffahrtsamt Hamburg, Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt - Institut für Weltraumsensorik und Planetenerkundung, Berlin-Adlershof (unveröffentlicht)
BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE (2000): Computergestützte Klassifizierung von Biotoptypen auf Grundlage digitaler hochauflösender multispektraler Scannerdaten (HRSC-A), Abschlussbericht, Gutachten BfG - 1231, Koblenz (unveröffentlicht)
EHLERS, M., MÖLLER, M., JANOWSKY, R. UND GÄHLER, M. (2000): Entwicklung einer Methode zur automatisierten Biotoptypenerfassung auf der Grundlage von HRSC-A-Scannerdaten, Abschlussbericht, Hochschule Vechta - Institut für Umweltwissenschaften (unveröffentlicht)
HILDEBRANDT, G. (1996): Fernerkundung und Luftbildmessung für Forstwirtschaft, Vegetationskartierung und Landschaftsökologie, Heidelberg
PLANUNGSGRUPPE ÖKOLOGIE + UMWELT NORD (PÖUN) (1997): Umweltverträglichkeitsstudie zur Anpassung der Fahrrinne der Unter- und Außenelbe an die Containerschiffahrt, Teil 1: Umweltverträglichkeitsuntersuchung (UVS). Untersuchung im Auftrag der Wasser- und Schiffahrtsverwaltung des Bundes, Wasser- und Schiffahrtsamt Hamburg und der Freien und Hansestadt Hamburg, Wirtschaftsbehörde, Amt Strom- und Hafenbau, Hamburg (unveröffentlicht).

(Uwe Schröder / Hubert Liebenstein)

Weitere Informationen:
Bundesanstalt für Gewässerkunde
Uwe Schröder (Referat U3)
Kaiserin-Augusta-Anlagen 15-17
56068 Koblenz

Fon: +49 (0) 261 1306 5140
Fax: +49 (0) 261 1306 5152
E-Mail: uwe.schroeder@bafg.de