Freiburger Geographische Hefte, Heft 38

Manfred Scheer (1992): Die Simulation der Wuchsklimakarte nach Ellenberg aus Satellitenbildern

Zusammenfassung

Die thermische Gunst oder Ungunst eines Raumes kann auf verschiedene Weise ermittelt werden, überlicherweise geschieht dies durch Messungen der Lufttemperaturen in Klimastationen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Pflanzen als Bioindikator für die Ermittlung der Wärmeverhältnisse heranzuziehen. Ellenberg (1955) hat dazu ein Verfahren entwickelt, bei dem mit Hilfe von gut erkennbaren Testpflanzen der phänologische Entwicklungsstand eines Raumes ermittelt und eine Zuordnung zu Wärmestufen ermöglicht wird. Mit Thermalaufnahmen werden die Oberflächentemperaturen eines Raumes flächenhaft erfaßt, die bis zu einem gewissen Grade Rückschlüsse auf die zum Zeitpunkt der Aufnahme herrschenden Wärmeverhältnisse zulassen.

Ziel der Arbeit war es herauszufinden, inwieweit die Wuchsklimakarte nach der Methode von Ellenberg durch thermische Informationsschichten, die mit Hilfe eines Satelliten gewonnen wurden, substituiert werden kann. Dazu wurde eine Funktion f(TIR,NIR,DGM) gesucht, die die Wuchsklimakarte in geeigneter Weise simuliert. Um mit den Verfahren der digitalen Bildverarbeitung dieser Fragestellung gerecht zu werden, waren umfangreiche Vorarbeiten notwendig, die neben der Datenaufbereitung (s. Kap. 4) und Softwareentwicklung auch tiefgreifende konzeptionelle Überlegungen beinhalteten (s. Kap. 3).

Als Untersuchungsgebiet wurde der rechtsrheinische Bereich des Kartenblattes 1:200 000 Freiburg-Nord gewählt, weil dieser eine genügend große thermische Differenzierung aufwies und von der Datenlage her eine einschlägige Untersuchung möglich war. Es umfaßt die Oberrheinische Tiefebene von Freibug bis Baden-Baden, den nördlichen und mittleren Schwarzwald mit einem Übergang zu den Gaugebieten, sowie die nördlichen Teile des Südschwarzwaldes.

Es hat sich im Laufe dieser Arbeit gezeigt und dies bestätigen auch die Arbeiten der Kollegen am Institut für Physische Geographie, daß eine saubere und auf ale Bedürfnisse hin orientierte Datenstruktur die Voraussetzung dafür ist, daß unterschiedliche geographische Fragestellungen mit Methoden der digitalen Bildverarbeitung bearbeitet werden können. Mit Hilfe dieser Datenstruktur (Freiburger Image Format) ist es möglich, eine mehrkanalige Szene von digitalen Bildern aufzubauen, die unteschiedliche Bildtiefen aufweisen. Alle Programme sind in der Lage, mit den verschiedenen Datentypen (BYTE, INTEGER, REAL) umzugehen und beliebige digitale Bilder, unabhängig von ihrer Herkunft, zu bearbeiten.

Datengrundlage für die vorliegende Arbeit bildete eine Tag- und Nachtinfrarotaufnahme des HCMM-Satelliten (Heat Capacity Mapping Mission) vom 5./6.9.1979, die während eines 12- Stunden- Intervalls aufgenommen wurde. Die Wuchsklimakarte von Baden-Württemberg sowie ein Höhenschichtenmodell wurden mit Hilfe eines Digitizers aus Kartenvorlagen aufgenommen und danach mit speziellen Transformationsprogrammen in ein digitales Rasterbild überführt. Als weitere Datenebene stand eine Landnutzungsklassifikation zur Verfügung, die aus Szenen des Landsat-Satelliten erstellt wurde. Alle digitalen Informationsschichten wurden auf das Gauß-Krüger-Koordinatensystem transformiert und entsprechend dem Blatt der topographischen Übersichtskarte Freiburg-Nord 1:200 000 geschnitten. Die digitalen Bilder wurden danach in einer dreidimensionalen Matrix zusammengefaßt, so daß eine pixelweise Zuordnung lageidentischer Bildpunkte gegeben war. Damit waren die Voraussetzungen für die rechnergestützte Verknüpfung der unterschiedlichen digitalen Informationsschichten erfüllt.

Obwohl die Oberflächentemperaturen in Form von digitalen Bildern hauptsächlich für die Verarbeitung im Rechner vorgesehen sind, bildete die Überlagerung der entsprechenden analogen Bilder mit Kartenauszügen einen wichtigen Schritt bei der Erschließung und Interpretation der Bildinhalte (Kap. 5). Anhand eines charakteristischen Profils von der Oberrheinebene bis zu den Gäugebieten wurden die typischen Muster der Oberflächentemperatur für die Tag- und Nachtaufnahme dargestellt.

Bei der rechnergestützten Verknüpfung der digitalen Informationsschichten in einem geographischen Informationssystem (Kap. 6) wurde entsprechend der vorher formulierten Fragestellung versucht, die Ellenberg'sche Wuchsklimakarte aus den thermalen Informationsschichten mit den Verfahren der multiplen Regression zu simulieren. Erste Modellrechnungen mit der Tag-, Nachtaufnahme und dem Höhenschichtenmodell als unabhängige Variablen ergaben, daß die Einbeziehung des Höhenschichtenmodells mit einer Höhenauflösung von 100 m zu keinem vernünftigen Ergebnis führt. Offensichtlich wurde bei der Interpolation der Wuchsklimakarte in sehr hohem Maße die 100 m Isohypsen herangezogen, so daß sich schon zwischen dem Höhenschichtenmodell und der Wuchsklimakarte eine sehr hohe Abhängigkeit ergibt und die thermale Information keinen Beitrag zum Modell liefert. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde deshalb für die Modellierung der Wuchsklimakarte nur die Tag- und Nachtinfrarotaufnahme herangezogen.

Die Modellrechnungen hierfür ergaben zwischen den thermalen Informationsschichten als unabhängige Variablen einerseits und der Wuchsklimakarte als abhängige Variable andererseits einen multiplen Korrelationskoeffizienten von 0,877 mit einer Varianz von 76,9 %, was eine hohe bis sehr hohe Abhängigkeit hindeutet. Mit Hilfe der mit der multiplen Regression ermittelten linearen Gleichung wurde aus der Tag- und Nachtinfrarotaufnahme die synthetische Wärmeklimakarte erstellt, die entsprechend der Wuchsklimakarte Wärmestufen aufweist. Durch pixelweises Subtrahieren wurde danach aus der Wuchsklimakarte und der synthetischen Wärmeklimakarte ein Residuenbild erstellt, das Auskunft darüber gibt, an welchen Stellen das Modell mit der Wuchsklimakarte übereinstimmt und wo Abweichungen auftreten. Erste Analysen der Residuen des gesamten Bildes und auf den Teilchenmengen des Höhenschichtenmodells ergeben folgendes Bild:

Die Residuen sind in fast idealer Weise gleichverteilt. Ein Drittel aller Residuen sind positiv, ein Drittel sind negativ und ein Drittel der Residuen sind Null, d.h. das Modell stimmt an diesen Stellen exakt mit der Wuchsklimakarte überein.

Unterhalb 300 m Höhe ist das Modell im Vergleich zur Wuchsklimakarte im Durchschnitt kühler.

In einer Höhenlage von 400 m bis 600 m besteht im Mittel die beste Übereinstimmung zwischen der synthetischen Wärmeklimakarte und der Wuchsklimakarte.

Ab ca. 700 m Höhe ist die synthetische Wärmeklimarte im Mittel wärmer als die Wuchsklimakarte.

Die Verteilung der Residuen auf den Klassen des Höhenschichtenmodells belegen, daß die Höhenabhängigkeit der Wuchsklimakarte alleindurch die Tag- und Nachtinfrarotaufnahmen nicht vollständig modelliert werden kann.

Die Wärmestufen der Wuchsklimakarten repräsentieren Einheiten, die für den Landbau ausschlaggebend sind. Die aktuelle Landnutzung und deren Grenzen hatten demzufolge keinen so entscheidenden Einfluß bei der Erstellung der Wuchsklimakarte. Hingegen sind in den Infrarotaufnahmen und somit auch in der synthetischen Wärmeklimakarte die Auswirkung der aktuellen Landnutzung deutlich erkennbar, wie die folgenden Ergebnisse belegen:

Im Modell werden fast alle Siedlungen wärmer dargestellt als inder Wuchsklimakarte, die bezüglich der Wärmegunst von Siedlungsräumen keine Aussage macht. Damit spiegelt die synthetische Wärmeklimakarte in hohem Maße auch die thermische Gunst der überbauten Areale wider.
Im Bereich der Oberrheinebene werden im Modell die Waldareale kühler bewertet als in der Wuchsklimakarte. Die synthetische Wärmeklimakarte gibt damit die Wärmegunst unter "Wald" wieder, während die Ellenberg'sche Karte nicht zwischen Wald und offenem Land differenziert.

Die Grünlandflächen stimmen im Mittel mit der Wuchsklimakarte überein. Die Ackerflächen werden in der synthetischen Wärmeklimakarte im Durchschnitt geringfügig kühler dargestellt.

Die sehr heißen Bereiche (Wärmestufe 12) der Wuchsklimakarte, das sind ausnahmslos die thermisch günstigsten Weinbaugebiete im Kaiserstuhl, werden im Modell nicht adäquat erfaßt. Der Kaiserstuhl, der in der Wuchsklimakarte markant durch seine heißen bis sehr heißen Wärmestufen hervortritt, hebt sich in der synthetischen Wärmeklimakarte nicht ab.

Für die Interpretation der räumlichen Strukturen der Residuen ist die Überlagerung der Residuenkarte mit einem Auszug der topographischen Karte 1:200 000 wichtig (s. Kartenbeilage). Dabei fällt auf, daß markante Strukturen inder Residuenkarte eindeutig topographischen Gegebenheiten zugeordnet werden können. Sie werden durch wärmere und kühlere Bereiche hervorgerufen, die wie folgt zu interpretieren sind:

Die Täler des Schwarzwaldes werden in der synthetischen Wärmeklimakarte kühler dargestellt als in der Wuchsklimakarte.

Die Vollformen hingegen, besonders die Kuppenbereiche, werden im Modell wärmer bewertet.

Die Talausgänge stimmen in der Regel mit der Wuchsklimakarte überein.

Alle Siedlungen und teilweise das sie umgebende Ackerland werden in der synthetischen Wärmeklimakarte mit einer höheren Wärmegunst bewertet als in der Wuchsklimakarte.

Alle größeren zusammenhängenden Waldgebiete in der Oberrheinebene haben im Modell eine geringere Wärmegunst als in der Ellenberg'schen Karte. Die Waldgrenzen sind deutlich erkennbar.

Die Oberrheinebene südlich Lahr, die Breisgauer Bucht und der Kaiserstuhl fallen durch überwiegend positive Residuen auf. Ansonsten sind die Flächenanteile mit dem Residuum Null auf der Karte gleichmäßig verteilt.

Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, daß zwischen der Tag- und der Nachtinfrarotaufnahme einerseits und den Wärmestufen der Wuchsklimakarte andererseits mit statistischen Methoden ein signifikanter funktionaler Zusammenhang hergeleitet werden kann. In diesem Sinne kann die synthetische Wärmeklimakarte als ein Modell der Wuchsklimakarte betrachtet werden, dessen Inhalte in hohem Maße auch den Wärmebedarf von Pflanzen wiedergeben. Eine weitere Verbesserung scheint möglich, wenn ein Höhenkorrekturglied oder andere Informationsschichten wie Geländeexposition oder Summen der eingestrahlten Sonnenenergie zusätzlich eingeführt werden. Voraussichtlich müßten dann auch die Originaldaten der Ellenberg'schen Geländeaufnahmen herangezogen werden.