Zustandserfassung von Wintergetreide und Zuckerrüben während des Wachstums mit Hilfe des C-Band Radars der ERS-1 und ERS-2 Satelliten

Abstract

Ein wesentliches Ziel der Fernerkundung in der Landwirtschaft ist die Inventur der Bodennutzung. Optische Sensoren lieferten bereits gute Ergebnisse der Klassifizierung und der Abschätzung der Pflanzenvitalität über den Vegetationsindex NDVI. Sie sind jedoch vom Tageslicht und dem Bewölkungsgrad abhängig. Demgegenüber sind Radarsensoren weitgehend witterungsunabhängig und auch in der Nacht einsetzbar.<br /> In dieser Arbeit wurde die Eignung von Radarszenen der ERS-Satelliten in Kombination mit einem Geoinformationssystem zur Unterscheidung sowie zur Zustandserfassung von Fruchtarten untersucht. Die Aufnahmen entstanden in C-Band (5,3 GHz) mit VV-Polarisation. Der Einfallswinkel der Radarstrahlen betrug 23°, die räumliche Auflösung der Bilder 5m * 25m. Aufnahmen des Testgebietes standen im Abstand von 35 Tagen, in der Hauptvegetationszeit von 17,5 Tagen zur Verfügung. Zeitgleich zu den Überflügen wurden Getreide- und Zuckerrübenbestände beprobt.<br /> Aufgrund der Stabilität und Genauigkeit des ERS-SAR-Instrumentes konnten temporale Signaturen verschiedener Fruchtarten ermittelt und verglichen werden. Jede Fruchtart wies ein eigenes temporales Rückstreuprofil auf. Dies ermöglicht die Auswahl der SAR-Aufnahmen zu den Zeiten im Jahr, an denen die Trennung der Fruchtarten am besten gelingt. Es zeigte sich, daß die beste Trennung von Wintergetreide von Ende Mai bis Anfang Juli möglich ist. Zuckerrüben lassen sich von Getreide im Mai und im August unterscheiden. Hierbei ist Voraussetzung, daß die Fruchtartenzusammensetzung in dem vorliegenden Testgebiet bekannt ist.<br /> Das C-Band mit VV-Polarisation erwies sich für die Beobachtung von Getreidearten als sehr gut geeignet; sowohl bei ihrer Erkennung als auch zur Beschreibung ihres Zustandes. Für Zuckerrüben ist es jedoch nicht möglich, anhand der Radarrückstreuwerte einen Rückschluß auf den Zustand des Zuckerrübenbestands zu ziehen.<br /> Die Radarrückstreuprofile von Wintergetreide ließen eine Beobachtung über den Verlauf des Wachstums zu. Es war erkennbar, daß die Radarrückstreuung während des Bestockens und Schossens abnahm, zum Zeitpunkt des Ährenschiebens bzw. der Blüte ein Minimum erreichte und danach wieder anstieg. Ein absolutes Reflexionsminimum konnte jedoch nur bei Wintergerste bestimmt werden.<br /> Die Gegenüberstellung von Radarrückstreuwerten und Kenngrößen der Pflanzenbestände aller Meßjahre ergab, daß insbesondere die Pflanzenhöhe, die Frisch- und Trockenmasse sowie die Wassermenge einen engen Zusammenhang mit den Radarrückstreuwerten bis zum Ährenschieben aufwiesen. Nach dem Ährenschieben wird die Rückstreuung von mehreren Faktoren beeinflußt. Ein eindeutiger Zusammenhang mit einem einzelnen Pflanzenparameter läßt sich nicht mehr erkennen.

<strong>Monitoring growth and development of winter cereals and sugar beet with the satellites ERS-1 and ERS-2 using C-band radar</strong><br /> The primary aim of remote sensing in agriculture is to determine landuse inventories of arable regions. Optical sensors have been successful in classification and monitoring the vitality of plants using the NDVI (Normalized Difference Vegetation Index). However they are sensitive to clouds, weather conditions and dependent on daylight. The main advantage of radar systems in comparisation to optical sensors is the capability to acquire images of the earth´s surface independent of daytime and cloud cover. <br /> Multitemporal radar backscatter characteristics of crops were analyzed for an agricultural area located in the western part of Germany using ERS-1 and ERS-2 SAR imagery from 1996 until 1998. From the calibrated data, SAR temporal backscatter profiles were generated for winter wheat, winter barley, winter rye and sugar beet. The SAR imageries have been ordered every 35 days, during the main vegetation period every 17,5 days. <br /> One of the main results is that each crop has its own distinctive backscatter profile. Therefor it is possible to identify different crops at optimum acquisition dates. The best time period to distinguish between winter barley, winter wheat and winter rye is from the end of may until the beginning of july. Sugar beet can be distinguished from winter cereal in may and august. <br /> C- band radar with VV-polarisation is suitable to monitor the growth of winter cereals. However it is impossible for sugar beet. <br /> The backscatter profiles of winter cereals showed a clear decline during tillering and shooting and reached a minimum at the stages ear emergence and flowering respectivly. This minimum was followed by an increase at the time of grain filling and ripening. <br /> Until ear emergence the crop parameters plant height, fresh biomass, dry matter and water content were highly correlated with radar backscatter. Thereafter no correlations between these parameters and the backscatter could be found.