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Steckbriefliche Zusammenfassung von Pro-
jektergebnissen im Rahmen des Projektes
Vita-Min
Machbarkeitsstudie zur Nut-
zung multi- und hyperspekt-
raler Verfahren für
Kip-
penzustandsbeschreibung
und Tagebaurestseemonito-
ring (Teilprojekt 2.7)
2018

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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Fernerkundung:
Ist eine Methode zur berührungsfreien Erkundung
von Oberflächen. Dabei wird mittels technischer Hilfsmittel (befes-
tigt an z.B. Satelliten, Flugzeugen und Drohnen) die ausgestrahlte
und reflektierte Strahlung gemessen.
Einführung, Hintergrund und Zielstellung
Der jahrhundertelange Rohstoffabbau hinterließ zahlreiche Halden und Kippen
sowie große Hohlräume oder Restlöcher, die eine Rekultivierung und Sanierung
der Bergbaulandschaft erforderlich machen. Doch auch nach der Sanierung kön-
nen Schwermetalle oder andere Schadstoffe ausgewaschen werden.
Um effektiv Gegenmaßnahmen ableiten zu können, ist eine genaue Kenntnis der
Prozesse und des Ist-Zustandes und der weiteren Entwicklung erforderlich. Dies
ist unter anderem die Aufgabe von modernen Monitoringmaßnahmen. Eine Mög-
lichkeit, diese in Zukunft noch effektiver zu gestalten, ist der Einsatz von
Fern-
erkundung
.
Speziell die abbildende Spektroskopie unter Einsatz hyperspektraler und multi-
spektraler Verfahren gewinnt immer mehr an Bedeutung. Dafür kommen Satelli-
ten oder Drohnen als Plattform mit entsprechender bildgebender Ausrüstung zum
Einsatz.
In der vorliegenden Studie wurden zum einen die Möglichkeiten der Fernerkun-
dung hinsichtlich der Detektion von Schadstoffen und zum anderen das Potential
dieser Methode für ein ergänzendes Monitoring für Wasserrahmenrichtlinie
(WRRL) abgeschätzt. Folgende Schwerpunkte wurden im Detail bearbeitet:
Recherche zu Möglichkeiten der Fernerkundung zur Überwachung von
Oberflächengewässern
Erarbeitung einer Spektralbibliothek bergbaurelevanter Elemente und Ver-
bindungen
Erstellung eines Umsetzungskonzepts zur Überwachung von Oberflächen-
wasserkörpern vor dem Hintergrund bergbaubeeinflusster Gewässer und
der europäischen Wasserrahmenrichtlinie
Testbefliegung zur ersten Validierung und Spezifizierung der theoretisch
erarbeiteten Ergebnisse
Heutige Grenzen der Fernerkundung für das Monitoring bergbaugeprägter
Gewässer

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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Multi- und hyperspektrale Bildgebung:
Multispektrale Bilddaten
sind Datensätze, die Informationen innerhalb spezifischer Bereiche
des elektromagnetischen Spektrums (Wellenlängenbereiche des
Lichts) enthalten. Sie werden mit Multispektralkameras erstellt.
Demgegenüber stehen hyperspektrale Bilddatensätze, die Informa-
tionen über sehr viele, enge, kontinuierliche Kanäle des elektro-
magnetischen Spektrums enthalten. Sie werden mit Hyperspektral-
kameras erstellt.
Spektralbibliothek:
Ist eine Datenbank, die substanzspezifische
Spektren enthält, das heißt Informationen über den Reflexionsgrad
von Substanzen.
Methodik
Die Arbeiten erfolgten in zwei Phasen: der Konzept- und der Testphase. In der
ersten Phase wurde eine umfangreiche, internationale Literaturrecherche mit
dem Ziel, den Kenntnisstand zur Thematik zu erfassen, durchgeführt. Hierfür
wurde auch auf die Erfahrungen des Auftragnehmers zurückgegriffen, der selbst
bereits Studien zur Thematik auf tschechischer Seite durchgeführt hat. Basierend
auf den Ergebnissen der Recherche und der Expertise wurden eine Spektralbiblio-
thek sowie ein Umsetzungskonzept für Monitoring unter Nutzung hyper- und
multispektraler Fernerkundung erstellt.
Die Spektralbibliothek kann in der Zukunft als Möglichkeit verstanden werden,
als externe Klassifizierungsoption von fernerkundlich gewonnenen Spektraldaten
zu dienen. Sie besteht aus einer Liste von Indikatormineralen, denen (soweit be-
kannt) ein repräsentatives Spektrenprofil zugeordnet ist. Das Umsetzungskon-
zept beschreibt wissenschaftliche Grundlagen, Aufwand und generelles Vorgehen
für eine automatisierte Analyse von Fließgewässern, Tagebaurestseen oder Hal-
den mithilfe fernerkundlicher (hyper- und multispektraler) Daten unter sächsi-
schen Gegebenheiten. Die großflächige und kontaktlose Messung wäre eine
Chance Schadstoffe (z. B. in Gewässern) flächendeckend und zeitsparend im
Vergleich zu alternativen Methoden zu erfassen. Diese Methode kann auch in un-
zugänglichen Gebieten eingesetzt werden und bietet eine Unterstützung für die
Verursachersuche und die Wirksamkeit von Maßnahmen zur Unterstützung der
Arbeiten im Zusammenhang mit der Umsetzung der WRRL.

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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In der zweiten Phase wurden die Ergebnisse aus Spektralbibliothek und Umset-
zungskonzept mittels Testbefliegungen über anspruchsvollem Terrain hinsichtlich
ihrer Praxistauglichkeit auf die Probe gestellt (vgl. Abbildung 1). Für den Einsatz
der Hyperspektral- und Multispektralkameras wurden eine Drohne (Hexacopter)
und ein Nurflügler als Plattform eingesetzt. Ziel der Aufnahmen war es, den
Grundwasserzutritt sowie die Eisenverteilung im Tagebaurestsee Bernsteinsee
und im Dubringer Moor zu bestimmen. Für eine fundierte Auswertung der Auf-
nahmen wurden eine Befliegung im Sommer und eine im Herbst durchgeführt.
Abbildung 1: Arbeitsablauf einer UAS (unmanned aerial system)-gestützten Befliegung
wie sie im Projekt durchgeführt wurde (grün)
Ergebnisse und Diskussion
Die bedeutsamste Erkenntnis der Testbefliegungen ergab sich aus den Auswer-
tungen der Daten des Bernsteinsees. Hier wurde unter anderem ein
Eisenindex
bestimmt, um zu überprüfen, ob die charakteristische Eisenbelastung der Ober-
flächengewässer in der Lausitz über die Fernerkundung detektiert werden kann.

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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Abbildung 2: Falschfarbendarstellung des Eisenindex am südöstlichen Ufer des Bern-
steinsees im August 2018 (oben) und im Oktober 2018 (unten). Aufgenommen mit einer
Multispektralkamera

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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Eisenindex:
Der Eisenindex ist eine Kennung für die Höhe des Ei-
sengehalts. Er gibt an, ob wenig oder viel Eisen im untersuchten
Gebiet vorkommt. Er ergibt sich aus dem Vergleich des gemessenen
Spektrums im Feld mit den Spezifika der Spektren von Eisenminera-
len.
Es ist bekannt, dass aus dem Speicherbecken Lohsa II mit Eisen belastetes Was-
ser über ein Rohr Richtung Nordwesten in den sich anschließenden Bernsteinsee
fließt. Mittels der mit Multispektralkamera aufgenommenen Bilder lassen sich die
Unterschiede der Wässer hinsichtlich des Eisenindex gut nachvollziehen. Abbil-
dung 2 zeigt die südöstliche Wasserfläche des Bernsteinsees zu den Testbeflie-
gungen im Sommer und Herbst mit dem Einmündungsbereich. Sowohl im Som-
mer als auch im Herbst zeigt sich ein geringerer Eisenindex des zuströmenden
Wassers aus Lohsa II, der im Sommer stärker ausfällt. Weiterhin scheint die
Durchmischung des Wassers im Sommer stärker zu sein als im Herbst. Es ist al-
lerdings festzuhalten, dass die Studie eine Vielzahl von praktisch relevanten
Problemen identifizieren konnte, die bei künftigen Untersuchungen zu beachten
sind. Zu nennen ist im Zusammenhang mit der Abbildung 2 der Einfluss des Wet-
ters auf die Qualität der Ergebnisse. Im Herbst 2018 herrschten am Tag der Ge-
ländearbeit ein relativ niedriger Sonnenstand, leichter Wind und leichter Regen.
Besonders ersteres kann zu Reflexionen auf der Wasseroberfläche und damit
technischen Artefakten im Bild führen. In Abbildung 2 wird dies durch die „Aus-
läufer“ höheren Eisenindex vom Ufer aus deutlich.
Zwar kann der Effekt (Unterschiedlichkeit des Wassers abgeleitet aus dem Eisen-
index) mit der Multispektralkamera nur an der Oberfläche des Sees dargestellt
werden, doch kann mit Hilfe von Thermalkameras zumindest der Grundwasserzu-
tritt und die Bewegung des Grundwassers auch in tieferen Schichten gezeigt
werden. Die Detektion von Grundwasserzutritten in Oberflächengewässer kann
vor dem Hintergrund der Spezifika des Schadstofftransports (z.B. von Eisenver-
bindungen) in der Lausitz von Bedeutung sein.

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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NDVI:
Der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) macht
sich die charakteristischen Reflexionseigenschaften von Pflanzen,
genauer des Chlorophylls, zu Nutze. Er gibt relativ an, wie viel Chlo-
rophyll sich im Untersuchungsgebiet befindet. Damit kann unter
Umständen Aussagen zur Pflanzengesundheit und die Anwesenheit
bestimmter Stressoren getroffen werden.
Abbildung 3: : Reflexionsgrad in Abhängigkeit der Wellenlänge des Wassers von Lohsa II
(bemessen im Mündungsbereich des Zuflusses zum Bernsteinsee) und dem Bernsteinsee
Abbildung 3 zeigt einen Vergleich der Spektren des Wassers aus Lohsa II unmit-
telbar im Mündungsbereich in den Bernsteinsee und des Wassers im Bernstein-
see. Man erkennt, dass die Formen der beiden Spektren nahezu identisch sind,
jedoch das Wasser von Lohsa II durchgehend höhere absorbierende Eigenschaf-
ten aufweist, was sich besonders stark in dem Wellenlängenbereich von 500 nm
bis 750 nm, ausprägt.
Im Rahmen der Studie wurden weitere Indizes und Parameter mittels Fernerkun-
dung bestimmt. Hierzu zählen unter anderem:
NDVI sowohl im Dubringer Moor und am und im Bernsteinsee
RGB-Aufnahmen im Dubringer Moor und am Bernsteinsee

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Machbarkeitsstudie zur Nutzung multi- und hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung und Tagebaurestseemonitoring (Teilprojekt 2.7)
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Zusammenfassung und Ausblick
Mit Hilfe der Fernerkundung, speziell Drohnen und eingebauten multispektralen-,
hyperspektralen-, RGB- und Wärmebildkameras, lassen sich vielfältige Informati-
onen aus der Landschaft ziehen. Die Studie konnte zeigen, dass in Sachsen unter
Nutzung dieser Technik Daten oder Aussagen zu Relief, Wasserbewegung, Che-
mismus, Pflanzengesundheit und weiteren getroffen werden können. Im Gegen-
satz zu herkömmlichen Techniken wie Messstationen, ermöglicht sie flächenhafte
Informationen. Da es sich um eine innovative Methode handelt, sind die ge-
schätzten Kosten derzeit noch mit einigen Unsicherheiten behaftet.
Klar wird durch die Studie allerdings auch, dass das Ersetzen herkömmlicher
Mess- und Monitoringtechnik vorerst eine Vision bleibt.
Dies entspricht allerdings
auch nicht dem Anspruch von Fernerkundung. Vielmehr sollte die Methode als
sinnvolle Erweiterung des bestehenden Repertoires verstanden werden, um
räumliche Zusammenhänge besser verstehen zu können.
Die Studie hat einige vielversprechende Ansätze aufgezeigt (z.B. das Monitoring
von Grundwasserzutritten in Gewässern über Temperaturgradienten). Ausgehend
davon scheint es lohnenswert, die Thematik weiter zu verfolgen und die prakti-
sche Nutzung parallel zum Forschungsfortschritt weiter zu überprüfen. In der Zu-
kunft könnte es nützlich sein, die Synergie von herkömmlichen Messungen und
Fernerkundung vertiefter zu untersuchen. Dabei sollten die Ergebnisse der Fern-
erkundung auch mithilfe der konventionellen Messtechnik überprüft werden, was
in dieser Studie aus zeitlichen und finanziellen Gründen nicht möglich war.

Impressum
Herausgabe:
Dieser Steckbrief wurde im Rahmen des Projekts Vita-Min erstellt.
Das Projekt Vita-Min wurde aus Mitteln des europäischen Fonds für
regionale Entwicklung im Kooperationsprogramms SN-CZ 2014-2020
finanziert. Die Projektpartner sind das sächsische Landesamt für Um-
welt, Landwirtschaft und Geologie (Leadpartner), die Stadtverwaltung
Oelsnitz/Erzgeb. und die Verwaltungsbehörde des Bezirks Ústecký
kraj.
Alle Teilprojekte des LfULG tragen zum Leitprojekt „Für saubere Ge-
wässer in Sachsen“ bei.
Für Fragen und weitere Informationen zu diesem Teilprojekt kontak-
tieren Sie:
Ansprechpartner
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Ansprechpartner: Frau Kathleen Lünich
Telefon: + 49 351 88928 4420
E-Mail:
Kathleen.Luenich@smul.sachsen.de
Bearbeitung:
Die Ergebnisse dieses Teilprojekts wurden im Rahmen einer Vergabe
vom LfULG durch das Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentech-
nologie erarbeitet.
Titelfoto:
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
(2018): Drohne im Anflug über dem Bernsteinsee.
Redaktionsschluss:
22.03.2019
Weitere Informationen finden Sie unter
www.vitamin-projekt.eu