Entwicklung und Validierung einer Methodik zur Ermittlung der realen Evapotranspiration anhand von Fernerkundungsdaten in Mecklenburg-Vorpommern

Die reale Evapotranspiration ist eine räumlich und zeitlich sehr variable Größe, deren exakte Ermittlung trotz der Existenz einer Reihe anerkannter Bestimmungsmethoden vor allem dann noch immer Schwierigkeiten bereitet, wenn es um repräsentative Gebietswerte oder räumlich hochaufgelöste Informationen geht. Die Quantifizierung der Verdunstung großer Gebiete (z. B. land- oder forstwirtschaftlich genutzte Flächen, Einzugsgebiete) ist Voraussetzung für weitergehende Untersuchungen des Wasser- und Wärmehaushalts. Die Nutzung von Fernerkundungsdaten stellt aus heutiger Sicht die einzige praktikable Möglichkeit für die flächendeckende, räumlich differenzierte Quantifizierung der realen Evapotranspiration dar. In der vorliegenden Arbeit wird eine Methodik vorgestellt, mit deren Hilfe aus multispektralen Satellitendaten die reale Evapotranspiration in ihrer räumlichen Verteilung berechnet werden kann. Der verwendete Sensor muss mindestens über Kanäle in den Spektralbereichen Grün, Rot, Nahes Infrarot und Thermales Infrarot verfügen. Zusätzliche bodengestützte Messungen sind nicht erforderlich. Der Ansatz ist automatisierbar und ermöglicht damit die operationelle Bereitstellung von aktuellen Flächendatensätzen der Verdunstung in Nahe-Echtzeit. Der latente Wärmestrom wird als Restglied der Energiebilanz an der Erdoberfläche berechnet. Dazu erfolgt im ersten Schritt die Ermittlung der „Basisparameter“ (Oberflächentemperatur, Normalized Difference Vegetation Index, Albedo, Globalstrahlung und langwelliges Emissionsvermögen der Erdoberfläche), mit deren Hilfe nachfolgend die Nettostrahlung berechnet und auf die Komponenten der Energiebilanz aufgeteilt wird. Die Methodik wird anhand von neun Landsat-Szenen aus dem Jahr 2000, die alle Jahreszeiten repräsentieren, getestet. Der Vergleich mit bodengestützt ermittelten Messwerten bzw. den Ergebnissen anerkannter Berechnungsverfahren erlaubt die Validierung der Methodik für das Untersuchungsgebiet Mecklenburg-Vorpommern. Da einerseits die Ermittlung von Referenzwerten der realen Evapotranspiration schwierig ist und andererseits auch die Zwischenergebnisse verifiziert werden sollen, beschränkt sich die Modellvalidierung nicht auf den Vergleich von Verdunstungswerten. Die Genauigkeit der fernerkundungsbasierten Lufttemperatur wird ebenso wie die der Globalstrahlung durch den Vergleich mit bodengestützt ermittelten Messwerten ermittelt. Um ein Maß für die Genauigkeit der Oberflächentemperatur zu erhalten, werden Wassertemperaturen der Ostsee und von Binnengewässern herangezogen. Die reale Evapotranspiration wird schließlich durch den Vergleich mit Lysimetermessungen und Berechnungswerten der FAO-Referenzverdunstung verifiziert. Die Sensitivitätsanalyse zeigt, dass das Interpretationsmodell auch bei ungenau ermittelten Basisparametern plausible Ergebnisse liefert. Die Berechnungsgenauigkeiten von Albedo, Globalstrahlung und Normalized Difference Vegetation Index haben gegenüber denen von Oberflächentemperatur und langwelligem Emissionsvermögen den entscheidenden Einfluss auf die Größe der fernerkundungsbasiert ermittelten realen Evapotranspiration. Der Ansatz ist insgesamt als robust einzuschätzen. Die Berechnungsgenauigkeit für einzelne Parameter (Oberflächentemperatur ca. +/-2 K, Lufttemperatur ca. +/-3 K, Globalstrahlung ca. +/-20 W m-2) erscheint für eine Reihe praktischer Anwendungen als ausreichend. Die Genauigkeit der fernerkundungsbasierten realen Evapotranspiration beträgt ca. +/-50 %, wobei für eine belastbare Aussage die Datengrundlage nicht ausreichend ist. Der Vorteil der fernerkundungsbasierten Methodik gegenüber den konventionellen Verfahren zur Verdunstungsermittlung liegt in erster Linie in der Erfassung der räumlichen Verteilung dieses Parameters. In der vorliegenden Arbeit wird auf bodengestützt erhobene Zusatzdaten verzichtet. Dadurch wird gezeigt, mit welcher Genauigkeit die Verdunstung allein auf der Basis von Fernerkundungsdaten ermittelt werden kann. Um eine bessere Genauigkeit als auch eine höhere zeitliche Auflösung zu erreichen, wird die Berücksichtigung von konventionellen Bodendaten (z. B. Nutzung der SYNOP-Stationen) als sinnvoll erachtet. Die Kombination von bodengestützten Messungen, die punktuell kontinuierliche Informationen über die Verdunstung mit hoher zeitlicher Auflösung und hoher Genauigkeit (für den Messpunkt) liefern, mit Fernerkundungsverfahren bekannter Genauigkeit und Modellierungen scheint für die Zukunft eine Erfolg versprechende Strategie zu sein, um die Verdunstung sowohl räumlich als auch zeitlich mit einer hohen Auflösung flächendeckend ermitteln zu können. Die vorliegende Arbeit ist als ein Baustein aus dem Bereich der Fernerkundung für die Erreichung dieses Ziels zu betrachten

Validation and calibration of remote sensing data products on test site DEMMIN.

One of the main research objectives of the working group Thematic Processors and Validation (TPV) of the Remote Sensing Data Centre (DLR-DFD) is the automation of remote sensing data processing. Whereby, the focal point of research is the derivation of value-added products for agriculture and forestry objectives. Three examples are given to outline past and present research of working group. These are: (1) a standard processor for automated data usability assessment based on multispectral quicklook data; (2) a thematic processor for retrieval of actual evapotranspiration from multispectral image data; and (3) an ongoing research work for the conception of a thematic processor for derivation of soil parameters from hyperspectral image data. Since 1999 DLR Neustrelitz operates the test site DEMMIN (Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Information Network) to assure validation and calibration of data products and algorithms. DEMMIN is an intensively used agricultural ecosystem located in the northeast of Germany and is based on a cooperation between local farmers (IG Demmin) and DLR. It provides a manifold of instrumentation for the measurement of environmental parameters which are stored in the DEMMIN database

Estimation of incident solar radiation on the ground from multispectral satellite sensor imagery

A simple and fast, physically based method for the estimation of global radiation is presented. It is applicable for clear-sky multispectral satellite sensor imagery with channels at least in the VNIR region and works without the need for additional ground data. The atmospheric influence is taken into account using look-up tables based on standard atmospheres from the MODTRAN code. The algorithm was tested with a time series of nine Landsat-7 ETM+ scenes of a region in north-eastern Germany. Remotely sensed global radiation is in close agreement with in situ measurements of the German Meteorological Service as indicated by RMS deviations of 20–24Wm-2 depending on the bands and atmospheric parameterization employed. The image-derived global radiation at this level of accuracy is a useful supplement for studies in landscape ecology and related fields, for example as input for regional modelling of evapotranspiration

DEMMIN – a test site for the validation of Remote Sensing data products. General description and application during AgriSAR 2006.

This paper gives an introduction to the agricultural test site DEMMIN which is operated by DLR-DFD since 1999. The paper provides a description of the specific characteristics of the area, the existing data base and its in-situ measuring instrumentation. During the AgriSAR campaign in 2006, numerous airborne radar and optical data sets were acquired over the north-eastern part of DEMMIN. All airborne data acquisitions were accompanied by intensive ground measurements which were carried out by the international AgriSAR team. This paper outlines the contribution of DLR-DFD Neustrelitz which was involved in weekly measurements of vegetation and soil parameters in close cooperation with the Leibniz-Center for Agricultural Landscape Research (ZALF) Müncheberg. The acquired ground data set is presented and discussed in terms of spatial variations and temporal evolution. Data accuracy is evaluated and potential sources of error are pointed out

Sea and lake surface temperature retrieval from Landsat thermal data in Northern Germany

Landsat thermal data are employed to derive lake and sea surface temperatures. The limitations of this approach are obvious, since the calculation of surface temperatures based solely on image data requires at least two thermal bands to compensate the atmospheric influence which is mainly caused by water vapour absorption. However, the 1 km spatial resolution of currently available multiband thermal satellite sensors (NOAA-AVHRR, MODIS) is often not appropriate for lake and coastal zone applications. Therefore, it is worthwhile investigating the accuracy which can be obtained with single-band thermal data using radiosonde information of the atmospheric water vapour column from meteorological stations in the study area. In addition, standard atmospheres from the MODTRAN code were considered that are based on seasonal climatologic values of water vapour, e.g. mid-latitude summer, mid-latitude winter, etc. The study area of this investigation comprises various lakes and coastal zones of the Baltic Sea in NE Germany. Landsat-7 ETM+ imagery of nine acquisition dates was selected covering the time span from February to November 2000. Results of derived lake and sea surface temperatures were compared with in situ measurements and with an empirical model of the Deutscher Wetterdienst (Germany’s National Meteorological Service, DWD). RMS deviations of 1.4K were obtained for the satellite-derived lake surface temperatures with respect to in situ measurements and 2.2K with respect to the empirical DWD model. RMS deviations of 1.6K were obtained with respect to in situ bulk temperatures in coastal zones of the Baltic Sea. This level of agreement can be considered as satisfactory given the principal constraints of this approach. A better accuracy can only be obtained with high spatial resolution (<100 m) multi-band thermal instruments delivering imagery on an operational basis

Estimation of instantaneous air temperature above vegetation and soil surfaces from Landsat 7 ETM+ data in northern Germany

The temperature–vegetation index method (TVX method, also called contextual method) for the area-wide mapping of instantaneous air temperature is adopted for use with Landsat 7 Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+) data. The method requires multispectral data consisting of bands in the red, near-infrared and thermal spectral regions, and no additional data. The approach is complemented with an iterative filtering routine for eliminating outliers and an interpolation algorithm for filling data gaps. The adopted method is applied to a multi-temporal dataset of nine ETM+ scenes, covering large parts of north-eastern Germany including the Durable Environmental Multidisciplinary Monitoring Information Network (DEMMIN) test site. Thus, for the first time the TVX method is applied to fine spatial resolution data and a central European region. The satellite-derived air temperatures (60 m spatial resolution) are compared with in situ measurements, showing an average error of about 3 K (root mean square, RMS), whereas the mean error in land surface temperature (LST) estimation is about 2 K. The results compare well with the in situ values throughout all seasons. The accuracy of about 3 K is in line with previously reported results for the TVX method (employing medium spatial resolution data) as well as for physically based approaches (ecosystem- or energy-balance models). Only remote sensing models incorporating in situ air temperature (as training data for neural networks or in multiple regression analysis) are reported to perform better in terms of RMS deviations. In the past, overestimation of air temperature by the TVX method was repeatedly observed. It is shown that the remote sensing approach tends to under- or overestimate the in situ air temperatures, depending on the in situ measurement heights. In conjunction with the attempt to assign the satellite-derived air temperature to a certain height above ground, the possibility of a simple correction for reference height is investigated. Over- and underestimations larger than 2 K seem to reflect existing differences in temperature rather than calculation errors. Furthermore, the dependence of the derived air temperature spatial pattern on different moving window sizes is shown. Possible sources of errors and limitations of the approach are discussed in detail

Beiträge aus der Fernerkundung zur Bestimmung der Energiebilanz vegetationsbedeckter Landoberflächen

Die flächendeckende, räumlich differenzierte Modellierung der Energie- und Stoffflüsse an der Erdoberfläche erfordert flächendeckende Eingangsdaten wie z. B. zur Oberflächen- und Lufttemperatur sowie dem Bodenwärmestrom. Die kleinräumige Variabilität dieser Parameter kann mit konventionellen meteorologischen Messnetzen infolge der geringen Messpunktdichte nicht erfasst werden. Hier bietet die Fernerkundung neue Ansätze. Der vorliegende Beitrag demonstriert die Ableitung dieser Größen auf der Grundlage von Landsat 7 ETM+ Daten aus dem Jahre 2000