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Spektralanalyse
Ergänzende Messungen
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Projekthintergrund
Impressum

Dendrometer

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Punktdendrometer

Punktdendrometer sind eine zeitlich hochauflösende Methode zur Messung des Stammdurchmessers. Der Sensor besteht aus einem Metallstift, welcher durch eine Feder leicht gegen den Baumstamm gedrückt wird. Dabei können kleinste Änderungen des Stammdurchmessers im Mikrometerbereich aufgezeichnet werden. Diese Änderungen haben im Wesentlichen zwei Gründe: 1) Zunahme des Durchmessers aufgrund von Wachstum, 2) Quellen und Schrumpfen, welche von der aktuellen Wassersättigung des Stammes abhängig ist. Diese Messungen können genutzt werden, um Rückschlüsse auf das Stresslevel des Baumes in Bezug auf Trockenheit zu ziehen.

Photosynthese

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Photosynthese: Licor 6800 Photosynthesis System

Parallel zu den Biomarkermessungen und Spektralanalysen werden die Blätter während der Vegetationsperiode 1x monatlich mit dem LI-6800 auf ihre Photosyntheserate untersucht. Als Hauptparameter werden die Assimilationsrate, die Transpirationsrate und die stomatäre Leitfähigkeit bestimmt. Diese Messungen sind zeitaufwendiger und konzentrieren sich daher nur auf die 12 Intensivprobebäume, an denen auch Saftflusssensoren und Punktdendrometer angebracht sind (je 3 Rotbuchen, Stieleichen, Douglasien und Lärchen), sowie zusätzlich auf die drei Fichten innerhalb des Auslegerradius. Für die spätere Korrelation der Messungen werden zeitgleich zusätzliche SPAD-Beprobungen an den Laubbäumen zur Messung des Chlorophyllgehaltes durchgeführt, die zwar in der Erfassung der Blattchemie weniger genau sind, aber wesentlich schneller durchgeführt werden können.

Saftfluss

img_saftfluss Das Ziel der Saftflussmessungen ist zu ermitteln, wie viel Wasser je Zeiteinheit durch den Stamm transportiert wird. Die hier verwendeten Sensoren benutzen dazu die sogenannte Heat-Pulse Methode; Jeder Sensor besitzt drei Nadeln, welche parallel zueinander im Baumstamm installiert werden. Bei der mittleren Nadel handelt es sich um ein Heizelement, das in regelmäßigen Abständen kurze Hitzeimpulse abgibt. Die übrigen zwei Nadel besitzen Thermosensoren, welche die Temperatur in einiger Entfernung ober- und unterhalb des Heizelements messen. Die Wärmeleitung durch das Holz wird dabei von der Richtung und Intensität des Saftflusses beeinflusst. Auf Basis der Thermodynamik kann aus der Temperaturdifferenz zwischen der oberen und unteren Sensornadel somit der Saftfluss ermittelt werden.

Klima- und Wetterdaten

img_klima Klimasensoren sind auf der Versuchsfläche an mehreren Stellen angebracht und erfassen das Bestandesklima. Mit einer 15-minütigen Auflösung werden sowohl im Bestand als auch am Kran in verschiedenen Höhen die Lufttemperatur sowie relative Luftfeuchte gemessen. Hier dargestellt werden die Messungen im Bestand auf 2 m Höhe. Neben den Klimasensoren zur Messung von Temperatur und relativer Luftfeuchte befinden sich auf dem Kran über dem Kronendach weitere Geräte zur Ermittlung der Windgeschwindigkeit und Niederschlagsmenge.

Boden

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Bodenfeuchte

An zwei Positionen wurden auf der Versuchsfläche 1 m lange Bodenfeuchtesonden installiert, welche den volumetrischen Bodenwassergehalt in verschiedenen Tiefen ermitteln.

Spektralanalyse

img_spektralanalyse Innerhalb der in Demmin durchgeführten Spektralanalyse wird der Zustand von Einzelbäumen bestimmt. So soll die spektrale Erkennbarkeit von physiologischen und biochemischen Veränderungen untersucht werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Detektierbarkeit blattinterner Parameter direkt am Blatt am höchsten ist und mit zunehmender Entfernung aufgrund der Zunahme verschiedener Störgrößen (z.B. Mischung mit Schatten und Ästen, Bewegung des Baumes, atmosphärische Einflüsse) abnimmt. Daher werden in einem ersten Schritt während der Vegetationsperiode 1x monatlich, möglichst zeitnah zu den Biomarkerprobenahmen für die Labormessungen, auch Punktspektralmessungen auf Blattebene und im Nahbereich durchgeführt. Nur so kann später analysiert werden, ob ein Zusammenhang zwischen der Absorption in einem bestimmten Wellenlängenbereich und einem biochemischen oder physiologischen Parameter besteht, der wiederum Rückschlüsse auf die Vitalität zulässt. In einem zweiten Schritt wird die Übertragbarkeit der spektralen Messungen am Blatt auf spektrale Messungen aus größerer Entfernung (Drohne, Flugzeug, Satellit) untersucht. Damit sollen die Fragen beantwortet werden, ob die ggf. an Einzelbäumen bestehenden Zusammenhänge auch für die Diagnose des Vitalitätszustandes von Waldbeständen (unterschiedlicher Waldökosysteme) geeignet sind und mit welchen Fernerkundungssensoren (d.h. mit welcher notwendigen räumlichen Auflösung) Waldbestände hinreichend genau diagnostiziert werden können. Dazu werden neben spektralen Messungen im Nahbereich multi- und hyperspektrale Drohnenaufnahmen in 80 m bis 120 m Höhe sowie Flugzeugaufnahmen in 400 m, 800 m und 1200 m Höhe durchgeführt. Zusätzlich werden multispektrale Satellitendaten der Copernicus Mission Sentinel-2 sowie hyperspektrale Satellitendaten der Missionen EnMAP und PRISMA auf Zusammenhänge untersucht. Dadurch können die Interaktionen zwischen biophysikalischen Prozessen, deren Auswirkungen auf die Pigmentierung (gemessen durch die Biomarker) und davon wiederum die spektralen Responses, verstanden werden.

Spektralmessungen auf Blattebene und im Nahbereich: ASD Leafclip und FieldSpec

Zur Messung der Reflexion und Transmission auf Blattebene werden Spektralmessungen mit dem ASD Plant Probe mit Leafclip direkt am Blatt durchgeführt. Diese Messungen mit interner Lichtquelle sind am unabhängigsten von Störeinflüssen aus der Umgebung. Die Messungen werden während der Vegetationsperiode 1x monatlich möglichst zeitnah zu den Biomarkerprobenahmen an den 41 Intensivprobebäumen durchgeführt. Beprobt werden – analog zu den Biomarkerprobenahmen – die Spitze des Baumes sowie zusätzlich Messpunkte im Norden, Osten, Süden und Westen der Baumkronen. Zusätzlich zu den Kontaktmessungen werden spektrale Nahbereichsmessungen mit dem ASD Fieldspec durchgeführt. Hierfür werden die Baumspitzen der 41 Intensivprobebäume in einem Abstand von 30 cm gemessen.

Multi- und hyperspektrale Drohnenaufnahmen

Die multispektralen Drohnenbefliegungen werden mit der DJI Matrice 300 RTK und dem Sensor MicaSense Altum durchgeführt, welcher fünf Bänder im sichtbaren und nahem Infrarotbereich aufnimmt (VNIR: blau: 475 nm, grün: 560 nm, rot: 668 nm, RE: 717 nm, NIR: 842 nm) sowie zusätzlich ein Thermalband im langwelligen Infrarot (11 μm). Die hyperspektralen Aufnahmen erfolgen mit dem Headwall Nano Hyperspektralsensor (270 Bänder von 400 nm bis 1000 nm). Die Drohnenbefliegungen werden während der Vegetationsperiode 1x pro Monat zeitgleich mit den Biomarkerprobenahmen und den spektralen Nahbereichsmessungen durchgeführt. Zusätzlich finden Aufnahmen im unbelaubten Zustand statt. Die Befliegungen werden in einer Höhe von 80 m, 100 m und 120 m above ground level (a.g.l) durchgeführt mit einer Bildüberlappung von > 80% vorwärts und > 80% seitwärts. Die räumliche Auflösung beträgt je nach Flughöhe 2 bis 4 cm pro Pixel. Der große Überlappungsraum ermöglicht trotz des geringen Abstandes zwischen Sensor und Baumkrone eine ausreichende Abdeckung benachbarter Aufnahmen für eine qualitativ hochwertige Mosaikierung und 3D-Rekonstruktion.

Satellitendaten

Die Baumvitalität wird innerhalb des Projekts - ergänzend zu den kleinskaligen Messungen - flächendeckend mit Satellitendaten durchgeführt. Dazu werden u.a. kostenfrei verfügbare Sentinel-2 Daten des europäischen Copernicus-Programms benutzt. Die Daten haben eine räumliche Auflösung von 10 x 10 Metern und stellen somit die gröbste Betrachtungsskala im Projekt dar. Ein Vorteil der Sentinel-2 Systeme liegt dagegen in der hohen zeitlichen Auflösung von theoretisch einer möglichen Aufnahme alle 5 Tage, abhängig von Wolkenbedeckung über dem Untersuchungsgebiet. Zudem liefern die Satelliten Daten in 12 verschiedenen Spektralkanälen, die die Analyse von pflanzenphysiologischen Parametern ermöglicht. Zudem können Bandkombinationen (z.B. Indizes) Rückschlüsse auf die Vitalität eines Baumbestandes zulassen. Derzeit wird innerhalb des Projektes der Disease Water Stress Index (DWSI, Galvao et al. 2005) verwendet, um Anomalien in der Bestandesvitalität zu erkennen. Da Satellitendaten im besten Fall nur alle 5 Tage vorliegen, kommen Glättungs- bzw. Interpolationsalgorithmen zur Anwendung:
Kalman-Filter
Der iterative Kalmanfilter versucht anhand bekannter Werte, einen neuen Wert vorherzusagen. Kommt ein neuer Messwert hinzu (in diesem Fall eine neuer DSWI-Wert aus einer Satellitenaufnahme) wird die Filter-Kurve möglichst in Richtung des "geschätzten"' Wertes verschoben. So werden nur tatsächliche (mehrfach auftretende) Änderungen dargestellt, Ausreißer haben weniger Einfluss auf den Verlauf der Kurve.
Cusum
Negative Abweichungen der Vorhersagewerte werden hier aufsummiert. Die Kummulierte Summe ist ein Hinweis auf tatsächliche Änderungen, die durch mehrfache Werte "bestätigt" werden.

Ergänzende Messungen

Littertraps

img_boden 20 dieser Fallen mit 0.5 m² Sammelfläche sind in einem gleichmäßigen, hexagonalen Raster auf der Untersuchungsfläche aufgestellt. Sie sammeln über den gesamten Herbst Laub, Nadeln, Holz und Samen welche von den darum stehenden Bäumen herabfallen. In regelmäßigen Abständen werden die Fallen geleert, der Inhalt getrocknet und anschließend nach Baumart und Kategorie (Laub/Holz/reproduktive Organe) sortiert. Die Biomasse dieser einzelnen Partitionen wird gewogen und erlaubt Rückschlüsse über die Biomasseproduktion und Dichte der Laubdeckung im Verlauf des Herbsts - beide Faktoren sind wichtige Vitalitätsmarker für Waldökosysteme.

Throughfallsystem

img_boden Das Kronendach fängt im Wald einen gewissen Anteil des Niederschlags ab. Mittels eines sogenannten Throughfall-Systems wird die Menge an Niederschlag gemessen, die durch das Kronendach hindurch gelangt und den Waldboden erreicht. Auf einer Fläche von ca. 1 m² fangen strahlenförmig angeordnete Rinnen das Niederschlagswasser ab und leiten es in einem mittig platzierten Kippzähler zusammen.

Mini-Rhizotrone

img_boden Um das Wachstum und die Reaktion der Bäume auf verschiedene Klimafaktoren auch unterirdisch nachvollziehen zu können, wurden auf der Fläche Mini-Rhizotrone installiert. Dabei handelt es sich um im Wurzelbereich des Baumes eingebrachte transparente Röhren und einen Scanner, der während der Messungen in die Röhre eingelassen wird und ein 360° Bild aufnimmt. Scans werden in regelmäßigen Abständen, z.B. alle zwei Wochen gemacht und um die Röhre herumgewachsene Feinwurzeln können mittels Bilderkennungsalgorithmen vermessen werden. Von dem in jedem Büro weit verbreiteten Scanner unterscheidet sich der Wurzelscanner vorrangig aufgrund seiner zylindrischen Form.

Steckbriefe

Hier können Sie verschiedene Messwerte eines Baumes miteinander vergleichen. Klicken Sie dafür einfach auf einen Baum in der Karte.

Baumarten

 
Lärche (ELA)
 
Douglasie (GDG)
 
Fichte (GFI)
 
Buche (RBU)
 
Eiche (SEI)
 
 
Ausgewählter
Baum
 
Daten vorhanden
basemaps
Pixel-
grenzen
img_baeume
Kran
img_baeume
Bäume


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