Nutzung von Copernicus für Fragen des Umweltbereichs

Ziel des Projektes ist die Demonstration der Nutzung von Copernicus Daten im Hinblick auf Anwendungen im Umweltbereich. Insgesamt wurden vier Themenbereiche untersucht, welche nachfolgend aufgezeigt sind.

Übersicht

1. Monitoring von Flusseis
2. Detektion von Überflutungsflächen
3. Monitoring von Flusshochwasser
4. Gütebestimmung der Gewässer

 

1. Monitoring von Flusseis

Durch die Verwendung von Sentinel-1 Daten (SAR) kann witterungsunabhängig die Eisbildung entlang von Gewässern beobachtet werden. So können bspw. Gefahrenstellen durch Eisstau räumlich eingegrenzt und Beobachtungen vor Ort in der Anzahl reduziert werden.

Der in Abb. 1 dargestellte Sentinel-1 Ausschnitt zeigt ein Gebiet um Schwedt/Oder vom 07. März 2018. Das detektierte Flusseis entlang der Oder wurde in Abb. 2 rot markiert.

Abb. 1. Sentinel-1, 2018-03-07, VV-Pol.

Abb. 2. Sentinel-1, 2018-03-07, VV-Pol., Rot: Flusseis.

 

2. Detektion von Überflutungsflächen

Im Gemeindebereich Leegebruch, nordnordwestlich von Berlin, kam es am 29. Juni 2017 zu einem Starkregenereignis. Im Hinblick auf die Erfassung der räumlichen Ausdehnung der Vernässung wurden aufgrund der Bewölkungssituation Sentinel-1 Aufnahmen genutzt. Verfügbar sind ein Datensatz kurz vor (24. Juni 2017) und einer direkt nach dem Niederschlagsereignis (30. Juni 2017). Die blauen Polygone in Abb. 3. wurden auf Basis von Überfliegungen, welche wenige Tage nach der Überflutung durchgeführt wurden, vorgenommen und dienen als ungefähre Orientierung zur Verortung der Vernässung. Die Sentinel-1 Aufnahme (30. Juni 2018) in Abb. 4 zeigt nach dem Starkregenereignis im Bereich der Polygone deutlich dunklere Flächen. Die verringerten Rückstreuwerte sind durch die Vernässung auf Acker- und Wiesenflächen bedingt. Im Abgleich der roten Flächen in Abb. 5 mit den Polygonen aus Abb. 3. zeigen sich Übereinstimmungen.

Abb. 3. Sentinel-1, 2018-06-24, VV, blau: Überflutungspolygone.

Abb. 4. Sentinel-1, 2018-06-30, VV.

Abb. 5. Sentinel-1, 2018-06-30, VV, Rot: Überflutungsflächen.

In den Abbildungen 6 und 7 ist exemplarisch die manuelle Ausweisung der Überflutungspolygone zur ungefähren Verortung der Vernässung aufgezeigt.

Abb. 6. Überfliegung kurz nach der Überflutung (dpa).

Abb. 7. Digitalisierung der ungefähren Ausdehnung der Überflutung (GoogleEarth).

 

3. Monitoring von Flusshochwasser

Das Untere Odertal im Bereich Schwedt/Oder umfasst zwei Polder, A und B, welche zeitweise geflutet werden. So erfolgte am 3. März 2017 die Meldung eines hohen Wasserstandes am Pegel Schwedt Oderbrücke. Zu Verfügung stehen ein Sentinel-1 Datensatz vom 3. März 2017 und ein weiterer vom 22. Juni 2017. Der letztere entspricht einer Niedrigwassersituation. Durch die Verwendung von Sentinel-1 Daten kann die Flutungsfläche räumlich eingegrenzt und anschließend mittels Höheninformationen eine Volumenberechnung durchgeführt werden. Folglich lässt sich die Wasserfüllung der Polder ermitteln. Die Abbildungen 8 und 9 zeigen eine Niedrigwassersituation, die Polder sind blau umrandet und Wasserflächen sind rot hervorgehoben.

Abb. 8. Sentinel-1, 2017-06-30, VV-Pol.

Abb. 9. Sentinel-1, 2017-06-30, VV-Pol., Rot: Wasser.

Im Vergleich mit den SAR-Daten zum Zeitpunkt der Meldung des hohen Wasserstandes ist eine klare Veränderung der Wasserfüllung der Polder ersichtlich.

Abb. 10. Sentinel-1, 2018-03-03, VV-Pol.

Abb. 11. Sentinel-1, 2018-03-03, VV-Pol., Rot: Flusseis.

 

3. Gütebestimmung der Gewässer

Die Güte von Gewässern wird u.a. durch den Anteil der darin befindlichen Algenmengen bestimmt. So kann durch die Berechnung der Chlorophyll a-Konzentrationen ein Hinweis geliefert werden, ob ein See für das Baden geeignet ist oder es bei erhöhten Werten zur Analyse von Wasserproben kommen sollte. Deutlich erhöhte Chlorophyll a-Konzentrationen und die Dominanz toxischer Cyanobakterien (Blaualgen) würde zum Badeverbot führen, wie es für den Fahrländer See am 18. Juli 2018 der Fall war. In den Abbildungen 12 und 13 sind die aus Sentinel-2 Daten abgeleiteten Chlorophyll a-Konzentrationen für den Fahrländer See dargestellt. Die Zeitpunkte wurden als Referenz möglichst früh im Jahr gewählt, sodass das u.a. licht- und temperaturbedingte Algenwachstum noch kaum ausgeprägt ist. Abb. 14 zeigt die Chlorophyll a-Konzentrationen [mg*m^-3] kurz vor der Meldung des Badeverbots.

Abb. 12. Fahrländer See, Sentinel-2, 2018-04-09, Chlorophyll a Konzentrationen.

Abb. 13. Fahrländer See, Sentinel-2, 2018-04-29, Chlorophyll a Konzentrationen.

Abb. 14. Fahrländer See, Sentinel-2, 2018-07-16, Chlorophyll a Konzentrationen.

In den Abbildungen 15 bis 17 sind die Chlorophyll a-Konzentrationen für einen Bereich der Havel bei Töplitz, Brandenburg, aufgezeigt. Auffällig sind die über die Zeitpunkte geringen Algenkonzentrationen.

Abb. 15. Havelarm, Sentinel-2, 2018-04-09, Chlorophyll a Konzentrationen.

Abb. 16. Havelarm, Sentinel-2, 2018-04-29, Chlorophyll a Konzentrationen.

Abb. 17. Havelarm, Sentinel-2, 2018-07-16, Chlorophyll a Konzentrationen.

Die Abbildungen 18 und 19 zeigen Boxplots der Konzentrationen an Chlorophyll a über die drei gewählten Zeitpunkte für den Fahrländer See und den Havelarm.

Abb. 18. Fahrländer See, Chl a-Konzentrationen, Boxplot.

Abb. 19. Havelarm, Chl a-Konzentrationen, Boxplot.