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Dissertation

Autor(en): Alexander Damm
Titel: Hyperspektrale Fernerkundung zur Ableitung pflanzenphysiologischer Parameter von Stadtbäumen – Strahlungstransfermodellierung für Berliner Kastanienbestände
Gutachter: Patrick Hostert; Thomas Udelhoven; Matthias Kneubühler
Erscheinungsdatum: 27.08.2008
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-10092388)
Fachgebiet(e): Geowissenschaften
Schlagwörter (ger): Berlin, Fernerkundung, urban, hyperspektral, Strahlungstransfermodellierung, HyMap, Kastanie, Einzelbaum, Vitalität, Pflanzenphysiologie, Stadtbaum, ALK, Umweltstress, PROSPECT, SAIL
Schlagwörter (eng): Berlin, urban, hyperspectral, HyMap, remote sensing, radiative transfer modeling, chestnut tree, single tree, vitality, plant physiology, urban tree, ALK, environmental stress, PROSPECT, SAIL
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II
Zitationshinweis: Damm, Alexander: Hyperspektrale Fernerkundung zur Ableitung pflanzenphysiologischer Parameter von Stadtbäumen – Strahlungstransfermodellierung für Berliner Kastanienbestände; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät II , publiziert am 27.08.2008, urn:nbn:de:kobv:11-10092388
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Abstract (ger):
Urbanisierungsprozesse beeinflussen die Funktionen natürlicher Ökosysteme signifikant. Bereitgestellte ökosystemare Leistungen unterliegen Veränderungen, die direkt die Lebensbedingungen des Menschen beeinflussen. Funktionale Freiflächen mit Baum- und Gehölzbeständen sind wichtige Bestandteile urbaner Ökosysteme und lindern lokal Einflüsse der Urbanisierung. Die Umweltbedingungen in der Stadt weichen von den natürlichen ab und mindern die Funktionsfähigkeit der Bäume. Gegenüber etablierten, terrestrischen Untersuchungen des Baumzustands ermöglicht die Fernerkundung räumlich und zeitlich flexible Vitalitätscharakterisierungen. In dieser Dissertation wird ein fernerkundlicher Ansatz zur Baumzustandserhebung erarbeitet. Bei Nutzung hyperspektraler Bilddaten werden biophysikalische und strukturelle Baumparameter mit dem quantitativen Ansatz der Strahlungstransfermodellierung (RTM) abgeleitet. Schwerpunkt dieser Arbeit war die Adaption der RTM auf einzelne Bäume. Hierzu wurden drei Anpassungen vorgenommen: die Korrektur höhenbedingter Bildpunktversätze, die Selektion von Bildelementen und die Nutzung eines geometrisch-optischen Modells, um Einflüsse der Kronentopographie zu korrigieren. Eine Validierung der Modelle und abgeleiteter Parameter basierte auf umfangreichen Geländeerhebungen. Beispielhaft wurde die weißblühende Rosskastanie, eine Hauptbaumart Berlins, untersucht. Ein Modelltest zeigte die Eignung der modifizierten RTM, die optischen Eigenschaften von Kastanien zu modellieren. Mit einer Sensitivitätsanalyse wurde der Einfluss spezifischer Baumeigenschaften auf die Modellergebnisse quantifiziert, was die Optimierung des Verfahrens ermöglichte. Durch Invertierung der Modelle konnten die vitalitätsrelevanten Parameter Chlorophyll- und Wassergehalt realistisch abgeleitet und in ein Baumkataster eingebunden werden. Damit leistet diese Dissertation einen Beitrag, das thematische Spektrum verfügbarer Biogeodaten zur Untersuchung stadtökologische Prozesse zu erweitern.
Abstract (eng):
Urbanisation affects natural ecosystems functions significantly. This leads to changes in ecosystem services which are directly linked to human living conditions. Functional open spaces, especially when covered with wood and trees, are a major component of urban ecosystems and lessen the impact of urbanisation. Environmental conditions of urban areas are fare away from non urban, natural ones. The functionality of trees decreases as a consequence of these unfavourable conditions. In comparison to terrestrial surveys, remote sensing enables spatially and temporally flexible descriptions of tree vitality. In the present work a remote sensing based approach to investigate conditions of urban trees was developed. Radiative transfer models (RTM) were used to derive biophysical and structural parameters from hyperspectral data. In order to adapt the modelling approach to single trees three modifications were made: a) the correction of pixel shifts due to the height of trees and non-nadir view angles of the sensor; b) the selection of spectrally pure pixels; c) the correction of albedo effects induced by crown geometry. A detailed validation of the models and the estimated parameters is performed based on data of an extensive ground survey. Being one of Berlin’s main tree species, the horse chestnut (lat. Aesculus hippocastanum) was exemplary investigated. An Evaluation of the modified RTM showed that they are able to model the optical properties of chestnut canopies. A sensitivity analysis was performed to quantify the impact of tree specific effects on the results of the modelling approach. The findings allowed an optimization of the method. Vitality parameters such as chlorophyll and water content could be realistically estimated by model inversion. Results were finally linked to an existing cadastral system. Results from this work help widen the thematic spectrum of environmental biogeodata applications and investigating multiple processes of urban ecology.
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