Satellitenbildbasierte Grundkarten für einen thematischen Atlas der Northern Areas (Pakistan) mit Beispielen zur Umsetzung

Abstract

<p>Für den Betrachtungsraum des DFG-Forschungsprogramms "Culture Area Karakorum" (CAK) im Hochgebirgsraum Nordpakistans steht auch nach Projektende und nach der Veröffentlichung einer Vielzahl interdisziplinärer, raumbezogener wissenschaftlicher Arbeiten kein aktueller, geometrisch konsistenter Grundkartensatz zur Verfügung. Diese Datenlücke soll, verbunden mit der Umsetzbarkeitsanalyse zur Schaffung eines CAK-Informationssystems, mit der vorliegenden Arbeit geschlossen werden.<br /> Mit einem kombinierten methodischen Ansatz wurden aus Landsat 7-Szenen und einem SRTM-3-DGM reliefdarstellende Satellitenbildkarten in drei Maßstabsebenen für den Untersuchungsraum erstellt. Die Satellitenbildkarten wurden flächendeckend für den gesamten Untersuchungsraum in einem Maximalmaßstab von 1 : 265.0000 konzipiert. Aufgrund der aus den Satellitenbilddaten resultierenden räumlichen Auflösung ist eine Maximaldarstellung von 1 : 100.000 zu erzielen. Mittels Messkampagnen im Gelände wurden GPS-gestützte Passpunkte ermittelt, die für eine hinreichende geometrische Genauigkeit zur Georeferenzierung des Satellitenbildmaterials im angestrebten Maximalmaßstab sorgen.<br /> Die Grundkarten erfüllen zwei grundlegende Funktionen. Zum einen dienen sie als eine nicht durch einen Kartenhersteller interpretierte Reliefdarstellung, zum anderen liefern sie die geometrische Referenz für thematische Kartierungen, die von Wissenschaftlern im Zusammenhang mit dem CAK-Projekt erstellt wurden. Zu diesem Zweck wurden exemplarische Datensätze aus anderen Arbeiten in die geometrische Umgebung der Grundkarten übernommen. Hierbei wurden ein GIS-basierter sowie ein rein graphischer Ansatz verfolgt. In einem Vergleich der beiden Ansätze zeigte sich, dass die Bearbeitung der Daten innerhalb eines Geographischen Informationssystems Vorteile sowohl für die Datenhaltung (innerhalb der GIS-Datenbank) als auch für die weitere Datenverarbeitung (geostatistische Analysen innerhalb des GIS) brachte. Aus diesem Grund wurde der GIS-Ansatz innerhalb der Arbeit weiter verfolgt. Nach der erfolgreichen Integration mehrerer externer Datensätze in die Grundkartenumgebung konnte gezeigt werden, dass durch eine Verschneidung bestehender Kartenthemen mit dem erstellten digitalen Geländemodell zusätzliche Informationen gewonnen werden können. Dies betrifft beispielsweise Verteilungsmuster von Berghöhenwäldern, die mit Höhen- und Expositionsinformationen des Untersuchungsraums in Beziehung gesetzt wurden.<br /> Ein weiterer methodischer Ansatz der vorliegenden Arbeit beruht auf der exemplarischen Auswertung der für die Kartenerstellung herangezogenen Satellitenbilddaten zusammen mit anderem verfügbarem Bildmaterial für das Bagrot-Tal zur Ermittlung der Landbedeckungsverhältnisse von Höhenwäldern und Bewässerungsoasen. Die visuelle Bildinterpretation diente zugleich als Referenz für eine ebenfalls durchgeführte testflächengestützte ISODATA-Klassifikation. Zur Eliminierung der in den Satellitenbildszenen enthaltenen beträchtlichen Abschattungseffekte und den hieraus resultierenden Helligkeitsunterschieden zwischen den unterschiedlichen Hangexpositionen wurde eine multispektrale Ratiobildkombination der Landsat-Daten erstellt. Probleme ergaben sich durch die späten Aufnahmezeitpunkte der Satellitenbilder innerhalb der Vegetationsperiode. Die automatische Klassifikation lieferte im Vergleich zur visuellen Bildinterpretation ungenügende Ergebnisse. Ursächlich hierfür dürften unzureichend unterscheidbare spektrale Signaturen der fraglichen Vegetationsbestände in bestimmten Höhenlagen bzw. Klassen von Hangexpositionen sein. Mit dem fernerkundlichen Ansatz konnten die im Untersuchungsraum häufig auftretenden Walddegradationen durch selektive Baumentnahmen nicht detektiert werden. Die Karte der vegetationsbezogenen Landbedeckung im Bagrot-Tal als Ergebnis der visuellen Bildinterpretation konnte in die Grundkartengeometrie aufgenommen werden.<br /> Insgesamt zeigt sich, dass mit der vorliegenden Arbeit ein Ansatz zur Schaffung eines CAK-Informationssystems geliefert wird. Die aus den Projektarbeiten resultierenden kartographischen Ergebnisse beruhen auf heterogenen geometrischen Grundlagen und können aus diesem Grund nicht einfach graphisch überlagert werden. Es ist jedoch auch im Anschluss an ein umfassendes Forschungsprojekt möglich, eine einheitliche kartographische Referenz zu erstellen und die verschiedenen kartographischen Arbeiten hier zu integrieren. Neben der kartographischen Präsentation ergeben sich durch eine derartige inhaltliche Synthese im GIS vielfältige zusätzliche Analysemöglichkeiten.</p>

<p><strong>Satellite image basemaps for a thematic atlas of the Northern Areas of Pakistan with the implementation of examples</strong><br /> The focus of the study refers to the research program "Culture Area Karakorum" (CAK) which was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (German Research Foundation) in the high mountain area of northern Pakistan. Even after the project has ended and after a multitude of interdisciplinary publications of spatial scientists no up-to-date, geometrically consistent base map is available for this certain area. <br /> Satellite image maps in three scale levels have been generated for the study area using Landsat 7-data and a SRTM-3-DEM (digital elevation model) in a combined methodical approach. The satellite image maps have been designed at a maximum scale of 1 : 265.000 for the complete research area. Due to the resolution of the satellite image data a maximal graphical representation of 1 : 100.000 could be achieved within the cartographic output. By using GPS-based ground control points obtained during field work, the base maps could be georeferenced in an adequate geometric accuracy meeting the needs required.<br /> The base maps are fulfilling two major functions. First they serve as a cartographic presentation without a mapmakers´ interpretation. Second the maps can be used as a geometric reference for thematic maps created by scientists from the CAK-Project. For this reason exemplary spatial datasets from different publications have been transferred into the geometry of the base maps by digitizing existing maps. This approach has been followed in a GIS-based as well as a graphical implementation. Compared to the graphical realization the GIS-approach brings advantages for the data storage (within the GIS-database) as well as for further data processing (geostatistical analyses). For this reason the GIS-approach has been pursued further in the study.<br /> The successful integration of external datasets into the base map geometry showed that by an intersection of a map theme with a digital elevation model, new perceptions could be gained. This applies to, for example the distribution patterns of high mountain forests that have been correlated with data of elevation and slope within the study area.<br /> Another methodical approach is based on the analysis of the satellite image data used for the base map generation combined with available graphical material to detect the land cover classes "irrigated land" and "high altitude forests" exemplified for the Bagrot-Valley. A visual image interpretation simultaneously served as a reference for a likewise implemented training-area based ISODATA-classification. For the elimination of shadowing effects contained in the satellite image data and the resulting luminosity disparities between different slope aspects a multispectral band ratio image of the Landsat imagery has been generated. Problems with the vegetation analysis have been encountered due to the recording dates of the satellite image data in the late growing season. Compared to the visual image interpretation the unsupervised classification provided insufficient results. This may be due to inadequate distinguishable spectral signatures of the relevant vegetation stands. Deficits are mainly limited to certain classes of elevations or slope-aspects. Furthermore the frequently in the study area occurring forest degradation by selective extractions of trees could not be detected with the described remote sensing approach.<br /> Overall, it emerges that the present study provides an approach for a CAK-Information System. As the existing cartographic results from publications within the project are based on heterogeneous geometric fundamentals they could not just be overlaid graphically. It could be showed that the integration of cartographic themes into a consistent cartographic reference subsequent to an extensive research project is possible. Beside the cartographic presentation multiple possibilities for additional analyses arise from such thematic synthesis. As an essential requirement the data storage has to be kept consistently within the GIS-database and hence within the built geometry.</p>