Verwendung von Sentinel-2 RGB-Kompositen in der Wasserwirtschaft
Satellitenaufnahmen von Sentinel-2A und -2B stehen in einer räumlichen Auflösung von bis zu 10 m zur Verfügung. Die zeitliche Auflösung (Intervall, in dem ein Standort erneut aufgenommen wird) ist breitengradabhängig und beträgt in den mittleren Breiten ca. 3 Tage. Bei optischen Sensoren wie Sentinel-2 oder auch Landsat 8 hemmt allerdings recht häufig ein hoher Wolkenbedeckungsgrad die Erwartungen die die hohe zeitliche Auflösung verspricht. Dennoch bieten Satellitendaten eine hervorragende Datenquelle für objektive Monitoringanwendungen, insbesondere wenn für die Klärung von Fragestellungen quantitative Indizes zur Hervorhebung bestimmter Oberflächenmerkmale berechnet werden. Multispektraldaten eröffnen hier mit ihren > 4 Spektralkanälen vielfältige Möglichkeiten. Doch bereits durch die visuelle Betrachtung von Satellitendaten offenbaren sich Veränderungen in der Landschaft. Anhand von Satellitendaten werden z. B. die Folgen des diesjährigen sehr trockenen Sommers deutlich. Nimmt man den 100-tägigen Zeitraum zwischen dem 2. Mai und dem 9. August 2018 mit Hilfe von DWD-Klimadaten unter die Lupe, zeigt sich folgendes Niederschlagsdiagramm:
Um Zugang zu Sentinel-2-Daten zu erhalten muss zunächst ein Account auf dem Copernicus Open Access Hub angelegt werden. Nach dem Einloggen kann geographisch, per Datumeingabe und weiteren Filteroptionen nach Daten des Sentinel-Programms gesucht werden. Für Sentinel-2-Daten muss ein ensprechendes Häkchen gesetzt werden. Zudem bietet sich die Auswahl von ‚S2SMI2A‘ im Feld ‚Product Type‘ an, da diese bereits atmosphärenkorrigiert sind (weiterführende Informationen). Atmosphärenkorrigierte Produkte sind nicht für alle Zeitpunkte und geographische Regionen verfügbar. Sie können auch selbstständig mit Hilfe des Sen2Cor-Prozessors durchgeführt werden. Die Festlegung des Wolkenbedeckungsgrades bezieht sich auf die gesamte Satellitenszene und nicht auf das gewählte Interessensgebiet. Eine Aufnahme mit einem Wolkenbedeckungsgrad von 80 %, könnte eventuell am gesuchten Standort wolkenfrei sein. Nach dem Starten der Suche lassen sich ZIP-Archive der gewählten Satellitendaten herunterladen und entpacken. Anhand des Dateinamens des entpackten Ordners kann auf den Satellitensensor (S2A oder S2B), auf das Prozessierungslevel (L1C oder L2A), auf das Aufnahmedatum und die Kachel-ID geschlossen werden. Öffnet man die Datei befindet sich unter ‚GRANULE‘ und einem weiteren Unterordner ein IMG_DATA-Verzeichnis. Im Fall des Prozessierungslevels L1C sind dort alle Bilddateien enthalten. Bei L2A-Datensätzen existieren nochmals Unterordner für die räumliche Auflösungen 10m, 20m und 60m. Da der Sentinel-2-Sensor Multispektralaufnahmen bereitstellt, umfasst der Datensatz mehrere Kanäle, die jeweils eine Aufnahme in einem bestimmten Wellenlängenbereich des elektromagnetischen Spektrums repräsentieren und anhand ihrer Kanal-ID (B01, B02, …) unterscheidbar sind. Näheres zur spektralen und räumlichen Auflösung findet man wiederum auf der Missionsseite der ESA.
Die Bilddaten liegen im .jp2-Rasterformat vor und können direkt in SAGA GIS geladen werden. Das funktioniert per drag & drop oder über das Modul Import Raster. Für die angestrebte Erstellung einer RGB-Aufnahme (Echtfarben) benötigt man die Kanäle B02 (blau), B03 (grün) und B04 (rot). Nachdem diese drei Raster in SAGA GIS geladen wurden, wird das Modul RGB Composite aufgerufen. Nachdem das Grid System festgelegt wurde, werden für die Parametereinstellungen ‚Red‘, ‚Green‘ und ‚Blue‘ die entsprechenden Kanäle:
-GRID SYSTEM: Eingabe Grid System
-RED: Eingabe roter Kanal (Raster)
-GREEN: Eingabe grüner Kanal (Raster)
-BLUE: Eingabe blauer Kanal (Raster)
Alle anderen Einstellungen können übernommen werden. Nach Ausführung des Moduls erscheint eine neue Rasterdatei. Diese kann per Doppelklick in eine Kartenansicht eingefügt werden. Schließlich muss noch über das Eigenschaftenfenster der Farbtyp RGB eingestellt und mittels ‚Apply‘ bestätigt werden. Den Export einer georeferenzierten RGB-Bilddatei erreicht man über das Modul Export Image. Durch Vergleiche von Aufnahmen mehrerer Aufnahmezeitpunkte können Landnutzungsentwicklungen über einen längeren Zeitraum überwacht werden. Im Beispiel der Siegmündung sind in den Satellitendaten deutlich die Auswirkungen fehlender Niederschläge auf die Vegetation erkennbar. Gerade für derartig großflächige Gebiete ist die Verwendung von Satellitendaten prädestiniert. Mit Hilfe von weiterführenden Auswertungen (z. B. Klassifizierungen) ließe sich die Veränderung auch quantitativ dokumentieren.
Auch die Wasserführung in Bächen und Flüssen hat sich während der Trockenphase deutlich reduziert. Sichtbar wird dies an zwei Standorten anhand der Wasserspiegellage der Maas nördlich von Maastricht. Der Fluss ist breit genug um durch den Sentinel-2-Sensor aufgelöst zu werden. Für viele kleinere Fließgewässer ist die räumliche Auflösung nicht ausreichend. Die reduzierte Gewässerbreite lässt auf eine verringerte Abflussmenge schließen und die braun-gelbliche Vegetation ist erneut Anzeiger für die vorherrschende Trockenheit.
Datenquellen:
Satellitenbilder: Copernicus Sentinel data [2018]
Klimadaten: DWD Tägliche Klimawerte (https://www.dwd.de/DE/leistungen/klimadatendeutschland/klimadatendeutschland.html)
Verwendete Software:
SAGA GIS 6.4.0 (Conrad, O., Bechtel, B., Bock, M., Dietrich, H., Fischer, E., Gerlitz, L., Wehberg, J., Wichmann, V., and Boehner, J. (2015): System for Automated Geoscientific Analyses (SAGA) v. 2.1.4. Geosci. Model Dev., 8, 1991-2007, doi:10.5194/gmd-8-1991-2015. )