MOE-Fellowship: Marketa Vlacilova

Using remote sensing for evaluation of soil degradation by erosion

Bodenerosion ist ein natürlicher Prozess, der nicht nur landwirtschaftliche Nutzfläche betrifft. Die drei wichtigsten Erosionsformen sind Wind, Wasser und Gletscher, denen die Gravitation hilft. Menschliche Aktivität, wie Abholzung, Wachstum der Städte und konventionelle Bodenbearbeitung beschleunigen den Prozess.
Dieses Projekt beschäftigt sich mit der Aufnahme von Erosionseffekten anhand von stereoskopischen Fotos und Orthophotos, welche aus einer Drone aufgenommen wurden. Vorteile von Drohnen sind großflächige Daten in hoher Auflösung, Flexibilität und bei der Datenaufnahme und der vergleichsweise niedrige Preis im Vergleich mit bemannten Flügen.
Die Forschung fokussierte zwei Typen und Skalen von Erosionseffekten. Der erste behandelt Rillenerosion auf landwirtschaftlichen Flächen ausgelöst durch Starkregen. Zu Beginn des Projektes wurden im Frühjahr mögliche erosionsgefährdete Standorte ausgewählt. Nur eine Fläche wurde im Folgenden am 27.04.2015 von eine Starkregenereignis getroffen. Auf die landwirtschaftlichen Fläche in der Nähe von Naundorf entstanden Erosionsrillen entlang der Bearbeitungsrichtung und Bodenmaterial wurde auf angrenzende Felder verlagert. Luftbilder dieser Situation wurden mit einer Drone (DJI Phantom 2) aufgenommen. Im Folgenden wurde ein hochaufgelöstes digitales Geländemodell mit der Software Agisoft PhotoScan und ArcGIS erstellt. Das digitale Geländemodel wurde genutzt, um automatisch Bodenverluste zu berechnen. Diese Methodik besteht aus zwei Teilen: Zum einen das Detektieren der Rillenkanten und zum anderen das Bestimmen der Volumina, welches sich zwischen den Kanten befindet. Für die Kantendetektion wurden der sogenannte canny operator [1] genutzt, der von der TU Dresden zur Verfügung gestellt wurde [2]. Das Volumen der Rillen wurde mit einem bereits bestehenden Modell in ArcGIS berechnet, welches auf der Rekonstruktion der „alten“ Landoberfläche besteht, und von dieser das Geländemodell der Befliegung abzieht.
Der zweite Teil des Projektes beschäftigte sich mit Erosion auf steilen Hängen. Die Untersuchungsgebiete befanden sich in Italien in der Nähe der Städte Radicofani und Bagnoregio, wo sog. Calanchi (große Erosionsformen) bereits seit zwei Jahren in einer Kooperation mit der Katholischen Universität Eichstätt-Ingolstadt beobachtet werden. Dieses Monitoring wird mittels einer Drone (AscTec Falcon 8) und einem terrestrischen Laserscanner (Riegl LMS-Z420i und VZ-400) durchgeführt. Die Kantendigitalisierung des Calanco wurde wegen der komplexen Form und vorhandener Vegetation manuell durchgeführt.
Monitoring von Bodenerosion mittels Fernerkundung ist ein aktuelles Thema und kann auf verschiedenen Skalen eingesetzt werden, um Erosionsschäden zu vermessen. In diesem Projekt wurden Luftbilder und Laserscans eingesetzt, um hochaufgelöste Höhenmodelle zu erstellen. Erste Versuche zur automatischen Rillendetektion verliefen vielversprechend. Im weiteren Verlauf des Projektes soll eine komplexe Automatisierung von Rillendetektion bis zur Volumenberechnung erzeugt werden.