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Machbarkeitsstudie zur
Nutzung multi- und
hyperspektraler Verfahren für
Kippenzustandsbeschreibung
und Tagebaurestseemonitoring
Abschlussbericht zum TP 2.7
Auftragnehmer:
Helmholtz-Institut Freiberg für Ressourcentechnologie
Autoren:
Herrmann, Erik; Jackisch, Robert; Lorenz, Sandra; Zimmermann, Robert; Dr.
Gloaguen, Richard; Günther, Lucas
Auftraggeber:
Sächsisches Landesamt für Umwelt, Landwirtschaft und Geologie
Koordination: Lünich, Kathleen; Kieschnik, Lennart
Berichtszeitraum: 12.03.2018
30.11.2018
Berichtsabschluss: 30.11.2018
Gefördert durch den europäischen Fonds für Regionalentwicklung

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- INHALTSVERZEICHNIS -
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VITA-MIN
INHALTSVERZEICHNIS
Abbildungsverzeichnis ....................................................................................................................... II
Tabellenverzeichnis ........................................................................................................................... III
Abkürzungsverzeichnis ..................................................................................................................... IV
1
Kurzfassung ................................................................................................................................. - 1 -
2
Problemstellung ........................................................................................................................ - 2 -
2.1
Folgen saurer Grubenwässer ........................................................................................................ - 2 -
2.2
Folgen der Schwermetallkontamination von Gewässern .................................................. - 2 -
2.3
Halden ................................................................................................................................................... - 3 -
2.4
Ursachen ............................................................................................................................................... - 3 -
3
Einführung in die Fernerkundung ...................................................................................... - 5 -
3.1
Spektroskopie .................................................................................................................................... - 5 -
3.2
Photogrammetrie mittels Structure-from-Motion Multi-View Stereo (SfM-MVS) ..... - 7 -
4
Relevante Plattformen und Sensortechniken ................................................................. - 8 -
4.1
Sensorbauweisen .............................................................................................................................. - 8 -
4.2
Plattformen ......................................................................................................................................... - 9 -
4.3
Implikation für die Aufgabenstellung .................................................................................... - 12 -
5
Studien vergleichbarer Zielstellungen ........................................................................... - 13 -
6
relevante Stoffe und zugehörige spektrale Charakteristika ................................... - 15 -
7
Relevante Spektralbereiche und Spektrenbibliothek .............................................. - 17 -
8
Praxistaugliches Konzept .................................................................................................... - 21 -
8.1
Nutzung vorhandener Informationen .................................................................................... - 22 -
8.2
Technische Ausstattung ............................................................................................................... - 24 -
8.3
Detaillierte Arbeitsschritte ........................................................................................................ - 24 -
8.4
Kalibrierung und Validierung des Systems .......................................................................... - 27 -
8.5
Räumliche und zeitliche Auflösung ......................................................................................... - 28 -
8.6
Grenzen des Systems, sowie der Genauigkeit und Fehlerabschätzung ...................... - 29 -
8.6.1
Spektralbereiche .................................................................................................................................... - 29 -
8.6.2
Abtastgenauigkeit .................................................................................................................................. - 29 -
8.6.3
Sensorgenauigkeit ................................................................................................................................. - 29 -
8.6.4
Detektionsgrenzen für quantitative Analysen ........................................................................... - 29 -
8.7
Voraussetzung für die Nutzung der Systeme (Umweltbedingungen, Recht,
menschliche Fähigkeiten und Kenntnisse) ...................................................................................... - 30 -
8.7.1
Rechtliche Grundlagen für die Nutzung des deutschen Luftraums .................................. - 30 -
8.7.2
Die Drohnenverordnung..................................................................................................................... - 31 -
8.7.3
Die Aufstiegserlaubnis ......................................................................................................................... - 33 -
8.7.4
Flugverbotszonen .................................................................................................................................. - 33 -

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- INHALTSVERZEICHNIS -
Seite | II
VITA-MIN
8.7.5
Schlussfolgerungen ............................................................................................................................... - 34 -
8.7.6
Besonderheiten im Rahmen dieses Projektes ........................................................................... - 34 -
8.8
Gegenüberstellung mit herkömmlichen Methoden .......................................................... - 35 -
9
Geländearbeit .......................................................................................................................... - 35 -
9.1
Verwendete UAS ............................................................................................................................. - 39 -
9.1.1
Sensefly eBee Plus ................................................................................................................................. - 39 -
9.1.2
Aibotix Aibot X6...................................................................................................................................... - 39 -
9.1.3
DJI Inspire 2 ............................................................................................................................................. - 40 -
9.2
Verwendete Kameras ................................................................................................................... - 40 -
9.2.1
Rikola Hyperspektralkamera ............................................................................................................ - 41 -
9.2.2
Parrot Sequoia ........................................................................................................................................ - 42 -
9.2.3
FLIR VUE Pro 640 .................................................................................................................................. - 42 -
9.3
Datenauswertung ........................................................................................................................... - 44 -
9.3.1
Dubringer Moor ...................................................................................................................................... - 44 -
9.3.2
Bernsteinsee ............................................................................................................................................ - 53 -
9.3.3
Diskussion ................................................................................................................................................. - 64 -
10
Einsatz alternativer Technologien ............................................................................... - 67 -
10.1
LiDAR als Alternative zu Photogrammetrie ..................................................................... - 67 -
10.2
RGB lidar als alternative zur Detektion von 900 nm Absorptionen ........................ - 67 -
10.3
Klassische Geophysik ............................................................................................................... - 67 -
10.4
Tragbares XRF als Alternative zu geochemische Vollanalyse ................................... - 67 -
11
EnMap und REEMAP .......................................................................................................... - 68 -
12
Kosten-Nutzen-Analyse .................................................................................................... - 69 -
13
Zusammenfassung und Empfehlung auf Grundlage dieser Studie.................... - 70 -
14
Ausblick .................................................................................................................................. - 72 -
Literaturverzeichnis ..................................................................................................................... - 73 -

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- ABBILDUNGSVERZEICHNIS -
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VITA-MIN
ABBILDUNGSVERZEICHNIS
Abbildung 1: Funktionsweise eines whiskbroom Sensorsystems. Abbildung aus Vorlesungsskript "Grundlagen der
Fernerkundung", Schiewe, 2006 ........................................................................................................................................................... - 8 -
Abbildung 2: Funktionsweise eines pushbroom Sensorsystems. Abbildung aus Vorlesungsskript "Grundlagen der
Fernerkundung", Schiewe, 2006 ........................................................................................................................................................... - 9 -
Abbildung 3: Ausgewählte Spektren AMD-relevanter Minerale, nach Crowley et al., 2003....................................... - 19 -
Abbildung 4: Ausgewählte Spektren AMD-relevanter Minerale, nach Crowley et al., 2003....................................... - 20 -
Abbildung 5: Ausgewählte Spektren schwermetallhaltiger Minerale, nach Kokaly et al. 2017. ............................... - 21 -
Abbildung 6: Arbeitsablauf einer UAS-gestützten Geländemission. Grün-umrahmte Schritte wurden in der
zugehörigen Feldstudie durchgeführt. Gelb-umrahmte Schritte wurden durchgeführt, werden jedoch im weiteren
Verlauf aufgrund mangelnden Informationsgehaltes für die zugrundeliegende Aufgabenstellung nicht weiter
erwähnt. Rot-umrahmte Arbeitsschritte konnten in dieser Studie aus gegebenen Gründen nicht realisiert werden,
werden der Vollständigkeit halber jedoch für eventuelle künftige Projekte hier aufgeführt..................................... - 27 -
Abbildung 7: Schaubild der Drohnenverordnung nach der sächsischen Allgemeinverfügung (BMVI). ................. - 32 -
Abbildung 8: 1:1 Regel, Flughöhe von AUS linear zum Abstand Verkehrsweg (BMVI) ................................................. - 34 -
Abbildung 9: Übersichtskarte der Untersuchungsgebiete. Basiskarte von bing maps.................................................. - 36 -
Abbildung 10: Kartenansicht des Dubringer Moores. Der rote Bereich kennzeichnet den ungefähren beflogenen
Bereich. Basiskarte von bing maps.................................................................................................................................................... - 37 -
Abbildung 11: Kartenansicht des Bernsteinsees. Der rote Bereich kennzeichnet den ungefähren beflogenen
Bereich. Basiskarte von bing maps.................................................................................................................................................... - 38 -
Abbildung 12: Sensefly eBee Plus. Bildeigentum Moritz Kirsch. ............................................................................................ - 39 -
Abbildung 13: Hexacopter Aibotix Aibot X6 V2. Bildeigentum Moritz Kirsch. ................................................................. - 40 -
Abbildung 14: Quadcopter DJI inspire II. Bild bearbeitet nach:
https://www.dji.com/de/inspire-2
, letzter Zugriff
28.11.2018 ................................................................................................................................................................................................... - 40 -
Abbildung 15: a: Hexakopter Aibotix Aibot x6v2 transportiert die Rikola Kamera; b: Beispiel Kalibrierungspanel
in Weiß und Grau (Spectralon© Referenz–Ziel); c: Rikola Hyperspektralkamera mit einer Länge von 10 cm
(http://senop.fi/optronics-hyperspectral).
.................................................................................................................................... - 41 -
Abbildung 16: Parrot Sequoia Multispektralkamera. Bild bearbeitet nach:
https://www.parrot.com/business-
solutions-de/parrot-professional/parrot-sequoia. Letzter Zugriff 28.11.2018 ............................................................... - 42 -
Abbildung
17:
Die
FLIR
VUE
PRO
640
Breitbandthermalkamera.
Bild
bearbeitet
nach
https://www.flir.de/products/vue-pro/
. Letzter Zugriff 28.11.2018 .................................................................................. - 43 -
Abbildung 18: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Dubringer Moores zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer
2018. .............................................................................................................................................................................................................. - 45 -
Abbildung 19: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Dubringer Moores zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst
2018. .............................................................................................................................................................................................................. - 46 -
Abbildung 20: Differenz der NDVI von Sommer - Herbst. Blaue Bereiche zeigen Verbesserungen der
Chlorophyllaktivität, während rote Bereiche Verschlechterungen zeigen........................................................................ - 47 -
Abbildung
21:
Korrelation
der
NDVI-Werte
zwischen
Sequoia
Multispektralkamera
und
Rikola
Hyperspektralkamera............................................................................................................................................................................. - 48 -
Abbildung 22: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Rikola Hyperspektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Dubringer Moores zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst
2018. .............................................................................................................................................................................................................. - 49 -
Abbildung 23: Dargestellt sind die swath-Profile über den NDVI-Werten, aufgenommen mit der Rikola
Hyperspektralkamera............................................................................................................................................................................. - 50 -
Abbildung 24: Orthophoto der Aufnahmen der Thermalkamera des Dubringer Moores............................................ - 52 -

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- ABBILDUNGSVERZEICHNIS -
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VITA-MIN
Abbildung 25: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.... -
54 -
Abbildung 26: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018.... -
55 -
Abbildung 27: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.... -
56 -
Abbildung 28: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018.... -
57 -
Abbildung 29: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht der Wasserfläche des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit
im Sommer 2018. ...................................................................................................................................................................................... - 58 -
Abbildung 30: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht der Wasserfläche des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit
im Herbst 2018. Die relativen Werte zeigen eine geringere Varianz als im Sommer. Die Absolutwerte des
Eisenindex sind ebenfalls geringer..................................................................................................................................................... - 59 -
Abbildung 31: Falschfarbendarstellung des MNF, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht der MNF-Bandkombination R:1, G:2, B:3 der Wasserfläche des Bernsteinsees
zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer 2018..................................................................................................... - 60 -
Abbildung 32: Falschfarbendarstellung des MNF, aufgenommen mit der Sequoia Multispektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht der MNF-Bandkombination R:1, G:2, B:3 der Wasserfläche des Bernsteinsees
zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018. .................................................................................................... - 61 -
Abbildung 33: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Rikola Hyperspektralkamera.
Dargestellt ist eine Kartenansicht der Wasserfläche des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit
im Sommer 2018. ...................................................................................................................................................................................... - 62 -
Abbildung 34: Dargestellt sind ausgewählte Spektren von Pixeln des Mündungsbereich des Wassers von Lohsa II
in den Bernsteinsee, aufgenommen mit der Hyperspektralkamera. Man erkennt, dass die Formen der beiden
Spektren nahezu identisch sind, jedoch das Wasser von Lohsa II durchgehend höhere absorbierende
Eigenschaften aufweist, was sich besonders stark in dem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 750 nm, ausprägt.
.......................................................................................................................................................................................................................... - 62 -
Abbildung 35: Dargestellt ist das Spektrum eines mit der Hyperspektralkamera aufgenommenen Pixels im
Bereich der Eisenablagerungen am Uferbereich. Man erkennt deutlich den negativen Anstieg des Spektrums,
beginnend bei 850 nm, was eventuell durch zweiwertiges Eisen begründet sein könnte. Des Weiteren ist ein
kleineres Plateau bei ca. 600 nm, zu erkennen, welches möglicherweise durch den Übergang von Eisen(II) zu
Eisen(III) zu erklären ist........................................................................................................................................................................ - 63 -
Abbildung 36: Dargestellt ist ein Thermalbild des Mündungsbereich des Wassers von Lohsa II in den
Bernsteinsee. Ein leichter Temperaturunterschied der Gewässer ist erkennbar............................................................ - 63 -

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- TABELLENVERZEICHNIS -
Seite | III
VITA-MIN
TABELLENVERZEICHNIS
Tabelle 1. Charakteristika ausgewählter Satellitentypen ________________________________________________________ - 10 -
Tabelle 2: Vergleich diverser Plattformen _________________________________________________________________________ - 12 -
Tabelle 3: Überblick über Sekundärminerale, welche in Folge saurer Grubenwässer entstehen mit zugehöriger
chemischer Formel, pH-Stabilitätsbereich (soweit bekannt) und spektraler Charakteristika __________________ - 16 -
Tabelle 4: Technische Daten der in dieser Studie verwendeten Kameras ________________________________________ - 43 -

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- ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS -
Seite | IV
VITA-MIN
ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS
AMD
Acid Mine Drainage (saure Grubenwässer)
aq
aquatisch (wässrige Phase)
Eh
Redoxpotential
FIR
Fern-Infrarotbereich
g
gaseous (Gasphase)
Js
Joule * Sekunde
MIR
mittlerer Infrarotbereich
NDVI
Normalized Difference Vegitation Index
NIR
Nahinfrarotbereich
nm
Nanometer
pH
negativer dekadischer Logarithmus der Wasserstoffionen-Aktivität
s
solid (feste Phase)
SEE
Seltenerdelemente
SAM
Spectral Angle Mapper [V]
SWIR
short wavelength infrared (kurzwelliger Infrarotbereich)
UAS
Unmanned Aerial Systeme
UAV
Unmanned Aerial Vehicle
UV
Ultraviolette Strahlung
VNIR
visible
and
near
infrared
(sichtbarer
Wellenlängenbereich
mit
der
darauffolgenden
Infrarotstrahlung)
μm
Mikrometer

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- KURZFASSUNG -
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1 -
VITA-MIN
1 KURZFASSUNG
Die
vorliegende
Machbarkeitsstudie
untersucht
die
Möglichkeit
der
Nutzung
fernerkundungsgestützter Systeme für eine automatisierte Analyse von Fließgewässern,
Tagebaurestseen und Halden. Im speziellen soll erörtert werden, in wie weit Unbemannte
Luftfahrtsysteme (Englisch: Unmanned Aerial System = UAS) oder Flugzeuge und
ausgewählten Satelliten in Kombination mit speziellen Kameras in der Lage sind
Wasserflächen oder Halden lückenlos und schnell zu dokumentieren und Rückschlüsse auf
enthaltene Stoffe, wie z.B. Chlorophyll, Eisen und Schwermetalle zu ziehen. Im Zentrum der
Methodik steht die Evaluierung von multi- und hyperspektralen bildgebenden Verfahren. In
diesem Zusammenhang werden auch Rechercheergebnisse über ähnliche Studien und
relevante
Spektrenbibliotheken
aufgezeigt.
Aufbauend
auf
den
theoretischen
Untersuchungen und Diskussionen wurden zwei Geländearbeiten, in welchen UAS in
Kombination mit Multispektral-, Hyperspektral- und Thermalkameras eingesetzt wurden,
durchgeführt. Als Testgebiete wurden das Dubringer Moor und der Bernsteinsee bei
Hoyerswerda ausgewählt.
Der Vincenzgraben im Dubringer Moor weist in Folge des Passierens einer ehemaligen
Grauwackegrube
erhöhte
Konzentrationen
an
Schwermetallen
auf,
was
durch
bodenstationäre Messstellen im Dubringer Moor bekannt ist. Die Fragestellung für dieses
Testgebiet richtet sich nach der Detektierbarkeit dieser Schwermetallbelastung mit
Methoden der luftgestützten bildgebenden Spektroskopie. Da die hier analysierbaren
Wellenlängenbereiche des elektromagnetischen Spektrums nur in der Lage sind mit den
obersten Mikrometern (μm) der Oberfläche zu interagieren (mit Ausnahme von besonders
klaren Gewässern und Kristallen), kann der Boden unter der Vegetationsdecke nicht erreicht
werden.
Darüber
hinaus
können
Schwermetalle,
welche
üblicherweise
im
Konzentrationsbereich von Spurenelementen auftreten, nicht direkt detektiert werden.
Studien zeigten jedoch, dass Änderungen im Absorptionsverhalten der Hydroxylgruppen von
Tonmineralen erkennbar sind, wenn sich Schwermetalle an besagte Minerale anlagern.
Diese Absorptionen sind im SWIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums erkennbar.
Da für diese Studie nur der VNIR-Bereich zur Verfügung stand, wurde die Vegetation selbst
als Proxy genutzt. Hier besteht die grundsätzliche Annahme, dass die Vegetation eine
verringerte Chlorophyllaktivität aufweist, wenn die gegebenen Schwermetallkonzentrationen
schädliche Werte erreichen.
Jedoch legt eine Analyse der Chlorophyllaktivität mittels NDVI im Untersuchungsgebiet
nahe, dass aufgrund der extremen Sommertrockenheit 2018 der positive Einfluss des
Vincenzgrabens als Bewässerungssystem überwiegt. In unmittelbarer Umgebung konnte
kein erhöhter Vegetationsstress erkannt werden.
Das zweite Testgebiet stellt einen Tagebaurestsee mit Zufluss von Lohsa II, einem bereits
renaturierten See, dar. Die Aufgabe bestand hier in einer Analyse der Gewässerqualität,
sowie der Ermittlung des Grundwasserzutritts mit Mitteln der luftgestützten bildgebenden
Spektroskopie. Eisenausfällungen entlang der Uferlinie deuteten auf einen erhöhten
Eisengehalt des Bernsteinsees hin. Zwei unterschiedliche Eisenindizes, welche an multi- und
hyperspektralen Daten errechnet wurden, zeigen Unterschiede im relativen Eisengehalt
zwischen den Gewässern des Bernsteinsees und denen von Lohsa II. Daten einer
Breitbandthermalkamera zeigen zudem Temperaturunterschiede der beiden Gewässer.

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- PROBLEMSTELLUNG -
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2 -
VITA-MIN
2 PROBLEMSTELLUNG
Die Hauptumwelteinflüsse von unzureichendem Bergbaufolgemanagement zeigen sich in der
negativen Beeinflussung naheliegender Gewässer und Böden, vor allem in der Nähe von
Tagebaurestseen, Kippen und Abflüssen. Durch natürliche und anthropogene Vorgänge
können beispielsweise wässrige Lösungen entstehen, welche in fließende und stehende
Gewässer eingeleitet werden. Diese Lösungen mit pH-Werten von -1 bis 9 (Fitch, 2015)
führen zu einer mitunter massiven Änderung des pH-Gleichgewichtes der Gewässer, in
welche sie eingeleitet wurden. Saure Gewässer begünstigen die Mobilisierung von
Übergangselementen, was eine Erhöhung der Eisen- und Schwermetallkonzentrationen
begünstigt. Je nach Intensität dieser Änderungen ergeben sich möglicherweise massive
Folgeschäden für Mensch und Umwelt. Dieser Bericht untersucht die Möglichkeit des
Einsatzes von luftgestützten Fernerkundungssystemen für eine schnelle, lückenlose und
automatisierte Analyse von Tagebaurestseen, Fließgewässern und Halden. Besonderes
Interesse liegt hierbei auf stofflichen Analysen. Für konkrete Geländestudien sind UAS-
gestützte Systeme in Verbindung mit Thermal-, Multi- und Hyperspektralkameras
vorgesehen.
2.1
FOLGEN SAURER GRUBENWÄSSER
Saure Grubenwässer sind Wässer deren pH-Wert und weitere chemische Eigenschaften auf
natürlichem oder anthropogenen Weg verändert wurden. Sie zeichnen sich durch ihrem
sauren pH-Wert sowie stark oxidierende Wirkung aus und enthalten meiste erhöhte Beträge
an gelöstem Eisen und Schwefel. Sie entstehen, wenn Niederschlagswasser oder
Grundwasser in Kontakt mit schwefelhaltigen Gestein und Böden tritt. Meist ist für die
Behandlung von sauren Grubenwässern betroffener Altbergbaugebiete mit hohen
Folgekosten zu rechnen (Wolkersdorfer, 2006). Saure Grubenwässer erhöhen die Mobilität
von gelösten Schwermetallionen. Elemente wie Kupfer, Eisen, Arsen, Blei, Zinn, Kadmium,
Mangan, Kobalt und Weitere werden verstärkt mobilisiert und können von den Abwässern
des Tagebaus ungefiltert in den Vorfluter gelangen. Die daraus entstehenden Folgen sind
eine Veränderung der Grund- und Oberflächenwässer und damit einhergehend des Bodens,
was von Beeinträchtigungen landwirtschaftlicher Erträge und der Brauchwasserqualität bis
hin zu kritischen Störungen sensibler Habitate führen kann. Die Wasserrahmenrichtlinie
bzw. Grundwasser- und Oberflächengewässerverordnung geben Grenzwerte für die
einzelnen Elemente vor, die nicht überschritten werden dürfen.
2.2
FOLGEN DER SCHWERMETALLKONTAMINATION VON GEWÄSSERN
Auch ohne die Anwesenheit von Sulfidverbindungen, welche als eine Hauptursache für saure
Grubenwässer angesehen werden, können Bergbauaktivitäten die Konzentration von
Schwermetallen und anderen toxischen und ökotoxischen Elementen in der Umgebung
massiv beeinflussen. Für alle Elemente lässt sich sagen, dass bei geeignet hoher Dosis oder
Dosisrate eine toxische Wirkung zu erwarten ist. Von besonderer Bedeutung sind hierbei
jedoch Übergangsmetalle, da bei vielen Elementen dieser Gruppe eine toxische bzw.
ökotoxische Reaktion schon bei geringer Konzentration erwartet werden kann. Einige dieser
potentiell schädlichen Elemente sind jedoch in Spuren essentielle Nährstoffe. Darunter fallen
Chrom, Kupfer, Mangan, Molybdän, Nickel, Selen und Zink. Neben diesen genannten

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- PROBLEMSTELLUNG -
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3 -
VITA-MIN
Elementen gelten einige Metalle als toxisch, für welche bislang keine essentielle Wirkung
nachgewiesen werden konnte. In diesem Kontext sind besonders, Blei, Cadmium und
Quecksilber von Bedeutung. Neben dem Element selbst ist dessen Wertigkeit und Bindung
von Bedeutung.
Diese natürlich auftretenden Elemente sind durch ihren vielfachen Einsatz in Industrie,
Landwirtschaft, Medizin sowie im Privatgebrauch und in technologischen Anwendungen
ubiquitär verteilt. Ihre toxische Wirkung wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter
Dosis, Aufnahmeweg, chemische Spezies und biologische Eigenschaften des betroffenen
Subjekts (Tchounwou et al., 2012).
Generell gibt es Richtlinien und Verordnungen, die Grenzwerte für Elemente und chemische
Verbindungen in Grund- und Oberflächen festlegen. Beispielsweise seien hier die
Wasserrahmenrichtlinien der Bund/Länder-Arbeitsgemeinschaft Wasser (LAWA), die
Richtlinie 2008/105/EG des europäischen Parlaments und des Rates, sowie die Verordnung
zum Schutz der Oberflächengewässer (OGewV) und Grundwasser (GrwV) genannt. Die in
den
erwähnten
Normen
zu
findenden
Grenzwerte
bewegen
sich
jedoch
in
Konzentrationsbereichen von μg/l bis mg/l. Für die in dieser Studie verwendeten
Detektionsmethoden müssten diese Grenzwerte deutlich überschritten sein. In vom Bergbau
beeinflussten Gewässern kann dies durchaus der Fall sein (Umweltbundesamt).
2.3
HALDEN
Die Überwachung von Kippen oder Haldenkörpern (künstliche Aufschüttung von Schlacken
oder tauben Gesteinsmassen, Aufschüttung von nicht verwertbaren Rohstoffvorräten) mit
UAS
gehört
seit
einigen
Jahren
zu
Basisdienstleistungen,
welche
von
Vermessungsunternehmen erbracht werden können. Die Fragestellung bestimmt hier die
Methodik. Unternehmen der Rohstoffbranche z.B. des Bergbaus lagern ihre Produkte und
taubes Gestein auf Halden ab. Interessant für die Unternehmen ist dabei das Volumen und
zeitliche Veränderungen der Halden.
Eine beispielhafte Studie aus Finnland (Rauhala et al., 2017) zeigt die konzeptionelle
Anwendung eines Kippeninventars mittels Drohnenbefliegung. Die geflogenen Sensoren
waren handelsübliche, hochauflösende RGB Kameras. Die 0,5 km
2
große Kippenfläche
wurde von 2015 bis 2017 untersucht. Ergebnisse zeigen, dass eine jeweils eintägige
Befliegung Flächen von 0,7 bis 1 km
2
abdeckt. Subsidenz und Materialverschiebung auf dem
Haldenkörper lässt sich im Dezimetermaßstab nachweisen.
2.4
URSACHEN
Die in Kohle und Deckgebirge enthaltenen Sulfide sind der entscheidende Faktor für AMD.
Diese Verbindungen sind unter gegebenen Bedingungen nur in reduzierendem Milieu stabil.
Sobald sie oxidativen Bedingungen ausgesetzt sind, beginnt eine Reihe möglicher
Zerfallsprozesse, welche Lottermoser (2010) in vier Hauptgruppen zusammenfasste:
Direkte abiotische Oxidation durch Sauerstoff
Direkte biotische Oxidation durch Sauerstoff unter Einwirkung von Mikroorganismen
Indirekte abiotische Oxidation durch Sauerstoff und Eisen
Indirekte biotische Oxidation durch Sauerstoff, Eisen und Mikroorganismen

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- PROBLEMSTELLUNG -
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4 -
VITA-MIN
Eines der häufigsten Minerale, welches in diesem Zusammenhang unter reduzierenden
Bedingungen anzutreffen ist, ist Pyrit. Wird dieses Mineral einem oxidierenden Milieu
ausgesetzt, können grundsätzlich verschiedene Reaktionen stattfinden, welche den
genannten vier Hauptgruppen zuzuordnen sind.
Im Fall direkter Oxidation (sowohl biotisch als auch abiotisch), reagiert Pyrit mit Sauerstoff
unter der Bildung schwefliger Säure:
FeS
2
(s) + 3,5 O
2
(g) + H
2
O (l) →Fe
2+
(aq) + 2 SO
42-
(aq) + 2 H
+
(aq) + Energie
Häufiger jedoch tritt die indirekte Oxidation im Zusammenhang mit Sauerstoff und Eisen
auf. Diese verläuft in drei Reaktionsschritten. Der erste Teil ist ähnlich der Reaktion der
direkten Oxidation. Der zweite Schritt ist die Überführung von Eisen(II) zu Eisen(III):
Fe
2+
(s) + 0.25 O
2
(g) + H
+
(aq)→Fe
3+
(aq) + 0.5 H
2
O (aq) + Energie
Der letzte Reaktionsteil ist die Oxidation von Pyrit mit Eisen(III) und die Reduktion des
Reaktionspartners:
FeS
2
(s) + 14Fe
3+
(aq) + 8H
2
O (l)
15Fe
2+
(aq) + 2 SO
42-
(aq) + 16H
+
(aq) +
Energie
Es wird deutlich, dass im Fall der indirekten Oxidation durch Freisetzung von
Hydroniumionen eine fortschreitende Versauerung des Systems zu verzeichnen ist. Anhand
der Reaktionsgleichungen wird außerdem deutlich, dass die Verfügbarkeit von Wasser eine
entscheidende Rolle für die Bildung sekundärer Minerale spielt.
Nach Lottermoser (2010) sind die wesentlichen Faktoren, welche den zeitlichen Rahmen
dieser Reaktionen determinieren:
Die Partikelgröße und die damit verbundene gegebene Oberfläche
Die Porosität des Ausgangsmaterials
Das Vorhandensein von Kristallgitterdefekten
Das Ausgangsverhältnis von Eisen(II) zu Eisen(III)
Die Konzentration von Spurenelementen im Pyrit
Äußere Faktoren (pH, Eh, Temperatur, O
2
, CO
2
, Redoxpotential)
Zusammenfassend bietet Lottermoser (2010) auf Grundlagen der chemischen Analysen
folgendes Modell zur Entstehung saurer Grubenwässer:
Sulfidverbindungen werden bei ausreichendem Atmosphärenkontakt oxidiert und die
entsprechenden Sekundärminerale fallen aus,
Wasser sickert durch den Abraum und fließt ab,
Porenwasser evaporiert
Feststoffreste (eisenreiche Krusten) verbleiben vor Ort.

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- EINFÜHRUNG IN DIE FERNERKUNDUNG -
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3 EINFÜHRUNG IN DIE FERNERKUNDUNG
Grundsätzlich lässt sich die Fernerkundung als eine Reihe von Verfahren beschreiben,
welche Informationen über Untersuchungsgebiete sammeln, wobei ein direktes Betreten
dieser Gebiete nicht stattfindet oder absolut minimiert wird. Hierzu dient die Aufnahme und
Analyse von Wellen und Feldern, welche teils aktiv induziert und teils passiv gemessen
werden können. Die hier behandelten Methoden beschränken sich auf passive Messungen
elektromagnetischer Wellen im Bereich des sichtbaren Lichtes, des Nahinfrarot und teilweise
auf den thermalen Infrarotbereich. Die Datensätze, welche im Folgenden auf ihre
Tauglichkeit für die zugrundeliegende Problematik getestet werden sollen, umfassen multi-
und hyperspektrale Aufnahmen. Eine multispektrale Aufnahme besteht aus mehreren
Kanälen, wobei jeder Kanal einen bestimmten Bereich des elektromagnetischen Spektrums
in einem Wert zusammenfasst. Allgemein können hierbei auch Wellenlängenbereiche
gemessen werden, welche durch das menschliche Auge nicht detektiert werden können. Für
gewöhnlich sind dies passive Sensoren, welche das reflektierte Sonnenlicht detektieren, das
zuvor mit der zu untersuchenden Oberfläche wechselwirkte. Hyperspektrale Daten arbeiten
nach dem gleichen Prinzip, mit dem Unterschied, dass eine Vielzahl von Kanälen
aufgezeichnet wird, wobei jeder Kanal Informationen über einen sehr engen
Wellenlängenbereich beinhaltet. Durch diese feine Auflösung können materialspezifische
Informationen gewonnen werden.
3.1
SPEKTROSKOPIE
Im Folgenden werden die physikalischen Hintergründe zur Spektroskopie in vereinfachter
Form dargestellt. Diese Angaben entstammen Clarks Veröffentlichung „Spectroscopy of
Rocks and Minerals and Principles of Spectroscopy“ (1999).
Unter Spektroskopie versteht man allgemein die Untersuchung des Lichts als Funktion der
Wellenlänge.
Üblicherweise unterteilt man das elektromagnetische Spektrum in Wellenlängenbereiche. In
der Spektroskopie unterteilt man klassischerweise in:
Ultraviolett (UV): 0,001 – 0,4 μm,
Sichtbar: 0,4 – 0,7 μm,
Nahinfrarot (NIR): 0,7 – 3,0 μm,
Mittleres Infrarot (MIR): 3,0 – 30 μm,
Fernes Infrarot (FIR): 30 μm – 1 mm.
Für die Anwendung der Spektroskopie in der Fernerkundung hat sich außerdem die
Einteilung in VNIR (sichtbar und Nahinfrarot, 0,4 – 1,0 μm) und SWIR (Kurzwellen-Infrarot,
1,0 – 2,5 μm) als nützlich erwiesen.
Unter den möglichen Photon- Partikel- Wechselwirkungen ist die Absorption (= Minimum in
der Reflexion) von größter Bedeutung für die in diesem Projekt durchzuführenden
Untersuchungen. Absorption entsteht durch unterschiedliche Mechanismen. Durch die

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Kenntnis charakteristischer Absorptionswellenlängen lassen sich Rückschlüsse auf
bestimmte chemische Elemente oder Verbindungen im untersuchten Medium ziehen.
Die physikalischen Grundlagen der Spektroskopie leiten sich aus den Bereichen der Optik
und der Quantenphysik ab. Im Folgenden wird eine stark vereinfachte Erläuterung der
wichtigsten Grundlagen aufgezeigt.
Die Grundlage der Spektroskopie sind die diskreten Energiewerte, die Photonen annehmen
können. Diese werden durch das Planck’sche Wirkungsquantum mit der Frequenz der
elektromagnetischen Welle, einer messbaren Einheit, verknüpft (Campbell, 2002):
=
Hierbei bezeichnet
E
die Energie,
f
die Frequenz und
h
die Planck-Konstante
(6,626070040*10
-34
Js).
Die Interaktionen der energiediskreten Photonen mit anderen Partikeln wird durch das
Fachgebiet der Optik beschrieben.
Jedes Material besitzt einen charakteristischen Brechungsindex (
m
):
m = n - iK
wobei
n
den Realteil,
i
die imaginäre Einheit und
K
den Imaginärteil darstellt.
Nach dem Lambert - Beer’schen Gesetz kann der Intensitätsverlust einer Strahlung in Folge
der Interaktion mit einem absorbierenden Medium wie folgt berechnet werden:
=
0
wobei
I
die gemessene Intensität,
I
0
die ursprüngliche Intensität,
k
den
Absorptionskoeffizienten und
x
den zurückgelegten Weg durch das Medium darstellt. Der
Absorptionskoeffizient steht in folgender Verbindung zum Brechungsindex:
=
4
Hierbei beschreibt die Wellenlänge des Lichts. Durch die Fresnel Gleichung wird die
Reflexion (
R
) des Lichts von einer orthogonal dazu stehenden glatten Oberfläche
beschrieben:
=
( −1)
2
+
2
( +1)
2
+
2
Für abweichende Einfallswinkel gelten komplex-trigonometrische Funktionen.
Grundsätzlich können zwei Mechanismen auf atomarer Ebene für das Aufkommen von
Absorption benannt werden:

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Zum einen gibt es Energie-Transfer Prozesse, welche auf der Absorption eines Photons
bestimmter Wellenlänge durch ein Atom oder Ion beruhen. Hierbei nimmt ein Teilchen
diskreter Energie eine höhere Energiekonfiguration an, in welcher es jedoch nicht stabil ist.
Beim Übergang in den ursprünglichen Energiezustand wird ein Photon abgegeben, welches
eine elementspezifische Energiesignatur aufweist. Dieser Typ Absorption ist meist scharf
(geringe Halbwertsbreite) und tritt v.a. im VNIR-Bereich auf. Beispiele hierfür sind die
Absorptionen für Seltenerd-Elemente.
Zum anderen greift der Prozess der Molekülschwingung, welche die schwingenden
Bindungsenergien zwischen den Atomen betrifft. Die Frequenz dieser Schwingung wird
beeinflusst von den Bindungen im Molekül und der Masse der Einzelelemente. Abhängig von
der Anzahl der Atome gibt es
3N–6
mögliche fundamentale Schwingungsmodi. Die
Auswirkungen der Molekülschwingung können im Infrarotbereich des elektromagnetischen
Spektrums erkannt werden, wenn ein Dipolmoment vorliegt. Ungestörte symmetrische
Molekülverbindungen gelten im Allgemeinen als nicht-infrarotaktiv. Dieser Typ Absorption
zeigt breite Absorptionen (große Halbwertsbreite) und tritt meist im Bereich des SWIR-LWIR
auf. Beispiel hierfür ist die 2. harmonische Schwingung (overtone) für die Al-OH Bindung
um 2,2 μm.
Aufgrund der Sensitivität spektraler Charakteristika bezüglich geringfügiger Änderungen
eines Materials in chemischer und struktureller Hinsicht können bereits geringe materielle
Unterschiede abgeschätzt werden.
3.2
PHOTOGRAMMETRIE MITTELS STRUCTURE-FROM-MOTION MULTI-
VIEW STEREO (SFM-MVS)
Der “Structure-from-Motion” Algorithmus wurde erstmals 2012 von Westoby et al.
beschrieben. Die Basis einer dreidimensionalen Rekonstruktion eines Objektes aus
zweidimensionalen Bildern bilden mehrere Aufnahmen des Objektes aus verschiedenen
Perspektiven und Winkeln. Um die verschiedenen Aufnahmen miteinander korrelieren zu
können, müssen charakteristische Merkmale erkannt werden, welche sich in allen Bildern
unabhängig von Größe und Rotation finden lassen. Ein weitverbreiteter Ansatz hierfür ist der
“Scale-invariant feature transform”, kurz SIFT- Algorithmus (Lowe, D. G., 1999; Lowe, D.
G., 2004). Anhand dieser Merkmale lassen sich merkmalsspezifische Vektoren errechnen,
welche größtenteils invariant gegenüber Belichtungsänderungen, Translation und Rotation
sind. Anhand dieser Parameter können die Kamerapositionen in einem intrinsischen
Koordinatensystem rekonstruiert werden.
Die in den verschiedenen Bildern erkannten Merkmale werden mit Algorithmen wie “nearest
neighbour” (Arya et al., 1998) oder “Random Sample Consensus”, kurz “RANSAC” (Fischler
& Bolles, 1987) aufeinander angepasst. Die angepassten Merkmale werden mittels
Triangulation verbunden.
Aus diesen Punktwolken lassen sich präzise Geländemodelle und Orthofotos von
Auflösungen bis 5 cm erstellen.
Nach diesen und ähnlichen Algorithmen werden mit Hilfe von kommerzieller Software wie
Agisoft Photoscan, Pix4D oder MicMac 3D Punktwolken mittels Image Matching Algorithmen
aus den Einzelfotos berechnet.

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4 RELEVANTE PLATTFORMEN UND SENSORTECHNIKEN
Im Bereich der multi- und hyperspektralen Bildgebung kommen verschiedene
Sensorbauweisen in Frage, welche neben intrinsischen Vor- und Nachteilen der jeweiligen
Plattform entsprechen müssen. Im folgenden Kapitel werden die gebräuchlichsten
Sensorbauweisen und Plattformen vorgestellt, sowie deren Vor- und Nachteile erörtert.
4.1
SENSORBAUWEISEN
In der Fernerkundung kommen grundsätzlich zwei Kameratypen zum Einsatz. Diese sind
line scanner (Zeilenkameras) und snapshot Kameras. Line scanner Systeme werden je nach
Abtastgeometrie in pushbroom und whiskbroom Sensoren unterschieden (Harrisgeospatial).
Whiskbroom Scanner (Abbildung 1) bestehen aus einem fixen Detektor und einer
beweglichen Spiegelapparatur deren Rotationsachse parallel zur Flugrichtung ausgerichtet
ist (Harrisgeospatial). Durch Rotation des Spiegels wird die Oberfläche orthogonal zur
Flugrichtung abgetastet und das Signal an den Detektor übermittelt. Aufgrund der sich
ständig bewegenden mechanischen Bauteile ist diese Art der Kamera anfällig gegenüber
Verschleiß. Des Weiteren erfordert dieses Messprinzip eine relativ kurze Belichtungszeit pro
Fläche, was in einem schlechteren Signal-Rausch-Verhältnis resultieren kann. Der Vorteil
dieses Scanners ist eine hohe räumliche Auflösung. Konstruktionen dieser Art fanden in den
Satelliten der Landsat-Missionen bis einschließlich Landsat 7 Anwendung.
Abbildung
1:
Funktionsweise
eines
whiskbroom
Sensorsystems.
Abbildung
aus
Vorlesungsskript "Grundlagen der Fernerkundung", Schiewe, 2006

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Pushbroom Scanner (Abbildung 2) bestehen aus in einer Zeile angeordneten Detektoren,
welche orthogonal zur Flugrichtung angebracht werden. Die Belichtungszeit ist somit eine
Funktion aus Flughöhe und –geschwindigkeit. Dadurch ergibt sich im Allgemeinen eine
längere Belichtungszeit als bei whiskbroom Scannern, was potentiell in einem besseren
Signal-Rausch-Verhältnis resultiert. Durch das Fehlen von beweglichen mechanischen
Komponenten erhöht sich die potentielle Lebensdauer der Apparatur. Der Nachteil dieser
Bauweise liegt in der aufwändigen Sensorkalibrierung. Eine unzureichende Kalibrierung
resultiert in „bad stripes“ in den Aufnahmen.
Abbildung
2:
Funktionsweise
eines
pushbroom
Sensorsystems.
Abbildung
aus
Vorlesungsskript "Grundlagen der Fernerkundung", Schiewe, 2006
Eine snapshot Kamera verfügt über ein Feld (auch bekannt als „array“) von Detektoren oder
einen Flächendetektor wie bei handelsüblichen Digitalkameras. Ähnlich wie bei pushbroom
Kameras ergibt sich auch hier der Vorteil, dass aufgrund der fehlenden beweglichen Bauteile
die Verschleißrate verringert wird. Zusätzlich gestaltet sich die Datenprozessierung
einfacher als bei pushbroom oder whiskbroom Systemen. Ein zu berücksichtigender Faktor
bei snapshot-Kameras ist jedoch die Verzerrung des Signals durch Linsengeometrien, sowie
Verschwimmen oder Versatz einzelner Kanälen, sofern diese nicht simultan aufgenommen
werden, oder unterschiedlich lange Belichtungszeiten benötigen
4.2
PLATTFORMEN
Satellit
Satelliten dienen als Plattform für eine Vielzahl an Sensortypen. Im Zusammenhang mit
dieser Studie wären multi- und hyperspektrale Datensätze, sowie digitale Geländemodelle
bzw. Radardaten zu erwähnen.

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Diese kostenlosen multi- und hyperspektralen Daten haben für gewöhnlich eine grobe bis
moderate räumliche Auflösung von 2500m bis ca. 15 m je Pixel. Kommerzielle
Satellitendaten mit besserer räumlicher Auflösung sind normalerweise nur gegen Bezahlung
erhältlich. Abhängig vom jeweiligen Sensor decken diese Daten den Bereich von teilweise
UV bis hin zu thermalen Infrarot ab. Beispiele für kostenlos erhältliche Multispektrale
satellitengestützten Datensätze sind: Sentinel 2, ASTER, ALI, Landsat 7 und Landsat 8
(Tabelle 1, Tabelle 2). Ein Beispiel für hyperspektrale Satellitendaten ist Hyperion. Zukünftig
wird dies um EnMAP erweitert.
Satellitenbasierte Oberflächenmodelle werden in unterschiedlicher Auflösung von SRTM und
PalSAR geliefert. Für Radardaten wäre unter anderem Sentinel 1 zu nennen.
Zu den bekannten Datenbanken welche kostenfreien Zugriff auf Satellitendaten bieten
zählen der Earth Explorer des USGS, die Copernicus-Plattform der EU sowie die Google
Earth Engine.
Tabelle 1. Charakteristika ausgewählter Satellitentypen
Sentinel 2
ASTER
EO-1 ALI
EO-1
Hyperion
Landsat 7
ETM+
Landsat 8
Status
Aktiv
Inaktiv
Inaktiv
Inaktiv
Inaktiv
Inaktiv
Typ
Multi-
spektral
Multi-
spektral
Multi-
spektral
Hyper-
spektral
Multi-
spektral
Multi-
spektral
Sensor-
prinzip
Pushbroom Pushbroom Pushbroom Pushbroom
Whisk-
broom
Pushbroom
Wellen-
längen-
bereich
442 nm –
2202 nm
520 nm –
11650 nm
480 nm –
2350 nm
400 nm –
2500 nm
450 nm –
12500 nm
430 nm –
12510 nm
Anzahl der
Bänder
12
14
10
220
8
11
Pixel-
auflösung
1
10 m –
60 m
15 m –
90 m
10 m –
30 m
30 m
15 m –
60 m
15 m –
30 m
Daten-
preise
Kostenlos
Kostenlos
Kostenlos
Kostenlos
Kostenlos
Kostenlos
1
unterschiedlich für Einzelbänder
Flugzeug

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Flugzeugbasierte Daten bieten eine höhere räumliche Auflösung als Satellitendaten, decken
dabei jedoch für gewöhnlich eine geringere Fläche pro Flug ab (Tabelle 2). Eine genaue
Angabe zur abgedeckten Fläche kann an dieser Stelle nicht erfolgen, da dies unter anderem
vom Flugzeugmodel in Kombination mit dem verwendeten Sensor und der gewünschten
räumlichen Auflösung abhängt. So sinkt z.B. die maximal abdeckbare Fläche bei niedrigerer
Flughöhe, was im Gegenzug eine höhere Pixelauflösung zulässt. Ebenso determiniert die
Aufnahmerate des Sensors die Fluggeschwindigkeit, da bei steigender Hertzzahl weniger
Signal pro Zeiteinheit aufgenommen werden kann, was meist mit einer Verschlechterung
der Qualität einhergeht. Die Daten sind jedoch nicht kostenlos erhältlich. Außerdem sind
nicht für alle Gebiete der Erde Daten erhältlich. Grundsätzlich lassen sich nahezu alle
optischen Sensoren an ein Flugzeug oder einen Helikopter anbringen. Als Beispiele für
flugzeugbasierte hyperspektrale Aufnahmen wären unter anderem die Missionen HyMAP
(Cocks et al., 1998) und AVIRIS (Vane et al., 1993) zu nennen. Nach Kenntnis der Autoren
liegen jedoch keine Daten für das Untersuchungsgebiet vor. AVIRIS operiert zum Beispiel
nur auf dem amerikanischen Kontinent.
Unbemannte Luftfahrtsysteme
UAS als Plattformen multi- und hyperspektraler Kameras zeichnen sich besonders durch
eine deutlich höhere räumliche Auflösung aus als andere Systeme (Tabelle 2). Dies ist durch
die geringe Flughöhe von maximal 100 m über Grund bedingt. Des Weiteren ist man in der
Lage die Größe und Form der zu erfassenden Fläche flexibel festzulegen. Neben der hohen
räumlichen Auflösung ist eine vergleichsweise geringe Flächenabdeckung pro Flug ein
Resultat der geringen Flughöhe. Für größere Flächen müssen daher mehrere Flüge
eingeplant werden, was mit einer hohen Datenmenge einhergeht, welche je nach Sensor
mehrere Gigabyte pro Flug betragen kann.
Die gebräuchlichsten UAS-Bautypen sind Coptersysteme und Starrflügler. Aus beiden
Bauweisen ergeben sich Vor- und Nachteile. Die meisten Starrflügler weisen effizientere
Flugeigenschaften auf, was sie befähigt länger und schneller zu fliegen. Der Nachteil dieser
Bauweise ist das vergleichsweise geringe zuladbare Gewicht, sowie die hohe
Fluggeschwindigkeit, welche kurze Integrationszeiten benötigt. Aus diesem Grund
beschränken sich die nutzbaren spektralen Sensoren für Leichtbau-UAV gegenwärtig auf
RGB- und Multispektralkameras.
Der Vorteil von Coptersystemen liegt im maximal tragbaren Gewicht und die relativ kleine
für Start und Landung benötigte Fläche. Die Limitierung hierfür wird von gesetzlichen
Rahmenbedingungen vorgegeben (Abschnitt 8.7). Dieser Umstand ermöglicht die Nutzung
von
hochauflösenden
passiven,
optischen
Systemen
wie
RGB-Systemkameras,
Hyperspektralkameras, aktiven optischen Systemen wie LiDAR und nicht optischen
Sensorsystemen, wie zum Beispiel Magnetometer aus dem Bereich der Geophysik. Im
Bereich der Hyperspektralkameras, welche im Fokus dieser Studie stehen, existieren
Linescanner- als auch Snapshot- Kameras in Leichtbauweise, wobei Letztere derzeit einen
eingeschränkteren Wellenlängenbereich als derzeit verfügbare Leichtbau-Zeilenkameras
abdecken. Im Bereich der Zeilenkameras existieren Leichtbausysteme, welche den Bereich
von
UV
bis
MIR
abdecken.
Nach
Wissen
der
Autoren
decken
Snapshot
Hyperspektralkameras derzeit einen Bereich bis 1700 nm ab.

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Tabelle 2: Vergleich diverser Plattformen
Satellit
Flugzeug
Drohne
Missionsplanung
Flughöhe
Fix (km)
Variabel
Begrenzt (<100 m)
Planungsdauer
Jahre
Monate
Tage
Benötigte
Infrastruktur
Keine Angaben
Hoch
Minimal
Öffentliche
Verfügbarkeit
Ja
Nein
Nein
Kosten Neumission
(Hunderte)
Millionen €
Tausende bis
Millionen €
Hunderte bis
Tausende €
Sensoren
Maximales Gewicht
Begrenzt
Nahezu unbegrenzt
Stark begrenzt
Sensorauswahl
Stark begrenzt
Nahezu unbegrenzt
Begrenzt
Individualisierung
Stark begrenzt
Nahezu unbegrenzt
Nahezu unbegrenzt
Daten
Maximale räumliche
Auflösung
Gering (10er m)
Mittel (m - dm)
Hoch (dm - cm)
Signal-Rausch-
Verhältnis
Meist gering
Hoch
Mittel
Zeitliche Auflösung
Hoch
Meist gering
Flexibel
Flächenabdeckung
Hoch (10
4
km
2
)
Mittel (10
2
km
2
)
Gering (ha bis km
2
)
Verfügbarkeit
etablierter
Prozessierungs-
methoden
Hoch
Oft nur kommerziell
Gering
4.3
IMPLIKATION FÜR DIE AUFGABENSTELLUNG
Für die hier vorgestellte Methodik sind whiskbroom Systeme weitestgehend ungeeignet, da
aufgrund
der
kurzen
Integrationszeit,
bedingt
durch
die
Funktionsweise
der
Spiegelelemente, ein niedrigeres Signal-Rausch-Verhältnis zu erwarten ist. Snapshot, bzw.
sequenzielle Multiband 2D-Kameras weisen gegenüber pushbroom Systemen einen
geringeren
Prozessierungsaufwand
auf.
Jedoch
sind
gegenwärtig
die
meisten
Leichtbausysteme, welche den SWIR-Bereich abdecken als pushbroom-Sensoren erhältlich.

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- STUDIEN VERGLEICHBARER ZIELSTELLUNGEN -
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Satelliten sind gut geeignet einen ersten Überblick über das zu untersuchende Gebiet zu
erhalten. Sollten detailliertere Daten benötigt werden, müssen anschließend höher
auflösende Systeme eingesetzt werden. Ob hier Flugzeugen oder UAS der Vorzug zu geben
ist, hängt von der erwarteten Auflösung, der zu befliegenden Fläche und vom verwendeten
Sensorsystem ab.
5 STUDIEN VERGLEICHBARER ZIELSTELLUNGEN
In diesem Kapitel werden kurz einige Beispiele angeführt, die eine fernerkundliche
Mineralkartierung
im
Zusammenhang
mit
AMD,
Gewässermonitoring
und
Schwermetalldetektion zum Ziel haben.
Die im Jahr 2000 veröffentlichte Studie von Swayze et al. setzte sich zum Ziel pH-saure
Bereiche von Bergbauhalden mittels hyperspektraler Flugzeugdaten zu kartieren. So wurden
zum Beispiel mittels des flugzeuggestützen Airborne Visible/Infrared Imaging Spectrometers
(AVIRIS [I]) das Gebiet des California Gulch Superfund (Leadville, Colorado) untersucht.
Dieses Vorhaben wurde durch die Kartierung ausgewählter eisenhaltiger Sekundärminerale
realisiert. Zur Klassifizierung wurde der Tetracoder-Algorithmus [VI] des USGS verwendet,
welcher an Referenzspektren trainiert wurde, die in einer Feldkampagne aufgenommen
wurden. Zur Validierung der Ergebnisse wurden XRD-Analysen an ausgewählten Proben
durchgeführt. Durch diese Methode konnten im Rahmen dieser Studie geringfügige
Änderungen im Mineralbestand entlang der Hänge, und damit mögliche Risikoregionen,
abgeschätzt werden. Eine modellhafte charakteristische Zonierung von Jarosit im Kern und
Goethit in äußeren Bereichen der Haldenkörper. Jarosit fungiert als Indikator für saurere
Bereiche (pH 1.5 - 3) und konnte ebenfalls erkannt werden.
Eine Studie, die sich sowohl satellitengestützter, als auch flugzeuggestützter Sensorsysteme
bediente, war die Arbeit von Riaza et al (2011). Ziel dieser Untersuchung war die
Abschätzung der Wasserqualität mittels spektraler Eigenschaften von gelösten, von Pyrit
und Sulfaten stammenden Ionen, gemessen mit dem satellitenbasierten hyperspektralen
Sensor Hyperion [IV] und der flugzeuggestützten Mission HyMap [III]. Als
Untersuchungsgebiet wurde der in Südwest-Spanien befindliche Fluss Rio Odiel ausgewählt,
welcher den Iberischen Pyritgürtel in Nord-Süd-Richtung passiert und dem somit neben dem
natürlichen Eintrag zusätzlich Material zahlreicher Bergbaugebiete zugeführt wird. Die
Klassifizierung erfolgte durch Vergleiche von Referenzspektren mit Zielspektren.
Quantitative Schätzungen der spektralen Bereiche für Mineralfunde basierten auf
Absorptionstiefen, Modellen der Verteilungsfunktion und Vergleich der Form der spektralen
Kurven. Als Training für diese Modelle diente eine spektrale Datenbank, welche sich aus der
USGS spectral library und weiteren Spektren zusammensetzte, welche in einer
Feldkampagne selbst aufgenommen wurden. Diese aufgenommenen Spektren umfassen
vornehmlich sekundär entstandene Oxide und Hydroxide, welche charakteristisch für diese
Region sind (zum Beispiel Goethit und Hämatit), sowie Minerale, welche als Indikatoren für
industrielle Prozesse gelten (Alunit, Gips). Ergebnis dieser Studie war, dass die Verbreitung
kontaminierter Bereiche kartiert werden konnte, jedoch unter der Berücksichtigung, dass
dies mit einer starken Vereinfachung einer lokal komplexen Mineralogie einhergeht.
Eine ähnliche Studie, welche eine solche Kartierung des Rio Odiell zum Ziel hatte, wurde
von Buzzi et al. (2016) veröffentlicht. Im Gegensatz zur Untersuchung von Riaza et al.
(2011) wurden hierfür ausschließlich HyMap-Daten verwendet. Ebenfalls mit einer

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- STUDIEN VERGLEICHBARER ZIELSTELLUNGEN -
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Kartierung von Haldenkörpern im spanischen Teil des Iberischen Pyritgürtels mittels HyMap-
Daten beschäftigt sich die Veröffentlichung von Zabcic et al. (2014).
Repräsentativ für eine Abschätzung von pH-Bereichen durch Mineralkartierung mittels
HyMap-Daten in gemäßigter Klimazone wurde hier die Studie von Kopačková (2013)
gewählt. Als Testgebiet wurden die Tagebaurestseen der Region Sokolov (Tschechien)
ausgewählt. In dieser Veröffentlichung konnten pH-Wertbereiche über die Kartierung
bestimmter Minerale eingegrenzt werden. So zeigte sich, dass das Vorhandensein von Pyrit,
Jarosit und Lignit in diesem Gebiet stellvertretend für einen pH-Wert von 3 und weniger,
Jarosit zusammen mit Goethit eine pH-Bereich von 3 – 6,5 und Goethit alleine einem pH-
Wertebereich von mehr als 6,5 entspricht. Jarosit und Goethit konnten durch eine spektrale
Verschiebung im Bereich zwischen 0,9 μm und 1 μm gut voneinander unterschieden
werden, wobei eine Verschiebung zu kürzeren Wellenlängen Jarosit und eine Verschiebung
zu längeren Wellenlängen Goethit entspricht. Hinzu kommen schmalle Absorptionspeaks,
welche charakteristisch für die jeweiligen Minerale sein können (siehe Tabelle 1 S. 5,6).
Das gleiche Gebiet in Sokolov, jedoch in unterschiedlichen Maßstab, wurde von Jackisch et
al. (2018) mit Unbemannten Luftfahrtsystemen untersucht. Hierzu kamen Drohnen mit
RGB- und Hyperspektralkameras zum Einsatz, was in einer detailreichen Kartierung mit
räumlichen Auflösungen im Bereich weniger Zentimeter resultierte. Durch die Kombination
aus verschiedenen Drohnentypen, bestückt mit verschiedenen Sensorsystemen, konnte
sowohl eine Kartierung einiger Indikatorminerale zur Abschätzung des pH-Bereiches (Jarosit
und Goethit), als auch ein dreidimensionales digitales Oberflächenmodell erstellt werden.
Durch ein geeignetes Verhältnis ausgewählter spektraler Bänder konnte der relative
Eisengehalt der in den Pixeln repräsentierten Materialien abgeschätzt werden. Bestimmte
Grenzwerte ließen darüber hinaus sogar Rückschlüsse auf bestimmte Minerale zu. Zusätzlich
wurden Mineralkartierungen mittels von Proben aufgenommenen Referenzspektren
durchgeführt und zur Validierung benutzt. Der hier benutzte Klassifizierungsalgorithmus war
Spectral Angle Mapper (SAM [V]). Durch das erhaltene Oberflächenmodell konnte zusätzlich
noch die Morphologie selbst analysiert werden, sowie deren zeitliche Veränderung (mehrere
Aufnahmen in monatlichen Intervallen) und die Einflüsse der Morphologie auf die
Entstehung und Akkumulierung von AMD-bezogenen Mineralen.
In Cuervos Veröffentlichung von 2017 wird eine Methodik zur relativen Abschätzung des
Sedimentgehaltes in Wasserkörpern unter Nutzung von Fernerkundung vorgestellt. Der
Autor bezieht sich hierbei auf die Eigenschaft des Wassers, für große Teile des VNIR- und
SWIR-Bereiches des elektromagnetischen Spektrums absorbierend zu wirken. Folglich
erscheint Sedimentfracht in Gewässern in bestimmten Wellenlängenbereichen mit höherer
Intensität. Versuchen des Autors zufolge weisen der Bereich von 400 nm bis 500 nm,
gefolgt von dem Bereich von 500 nm bis 600 nm, die größten Intensitätsunterschiede
zwischen Wasser und Suspension auf. Im weiteren Verlauf wurden Gewässerflächen
extrahiert und mittels unüberwachter Klassifizierung in Klassen unterteilt, welche die
Mengen der Sedimente im Gewässer repräsentieren. Des Weiteren wurde eine
multitemporale Analyse vorgenommen, bei welcher jeweils die gleichen Bänder von
unterschiedlichen Aufnahmezeiten gestapelt und in den Hauptkomponentenraum rotiert
wurden. Eine unüberwachte Klassifikation wurde an der ersten Hauptkomponente
vorgenommen.
Olmanson et al. (2013) nutzen flugzeuggestützte Hyperspektraldaten um die Wasserqualität
im Mississippi Fluss abzuschätzen. Als zu untersuchende Parameter wurden unter anderem
Chlorophyllgehalt, Suspensionsfracht und Gewässertrübung bestimmt. Es zeigt sich, dass

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- RELEVANTE STOFFE UND ZUGEHÖRIGE SPEKTRALE CHARAKTERISTIKA -
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die Verhältnisse von 700 nm zu 670 nm, 700 nm zu 592 nm und 700 nm zu 620 nm gut
geeignet sind um relative Mengen an Chlorophyll a und flüchtigen Schwebstoffen
widerzuspiegeln. Des Weiteren evaluieren die Autoren die Effizienz dieser Vorgehensweise,
mit dem Ergebnis, dass ihrer Meinung nach die Kosten einer flugzeuggestützten Kampagne
zur Gewinnung hyperspektraler Daten den Nutzen übersteigen. Vielmehr empfehlen sie,
aufgrund
der
überschaubaren
aussagekräftigen
Wellenlängenbereichen,
eine
Multispektralkamera mit klar definierten Bändern, welche die nötigen Wellenlängenbereiche
abdecken.
Choe et al. (2008) untersuchten die Nutzbarkeit der Methoden der Fernerkundung zur
Kartierung von Schwermetallverunreinigungen in der südspanischen Bergbauregion
Rodalquilar. Die grundlegende Annahme für diese Studie war, dass die zu messenden
Schwermetalle selbst keine charakteristischen Absorptionen aufweisen, sie jedoch die
Spektren der Minerale, an welche sie sich binden, ändern können. Die theoretische
Grundlage hierfür wurde 1999 von Ben-Dor et al. beschrieben und besagt, dass sich
Spektren von Mineralen in Abhängigkeit von chemischer Zusammensetzung und
Oberflächenaktivität ändern können. Das surface complexation model besagt, dass sich
Schwermetallionen an funktionelle Gruppen und der Oberfläche von Mineralen anhaften und
so eine stabilere molekulare Einheit bilden (Christl & Kretzschmar, 1999; Zachara & Westall,
1999). Es wurde aufgezeigt, dass die Hydroxylgruppen von Tonmineralen diesbezüglich als
funktionelle Gruppe fungieren (Sparks, 1995; Zachara & Westall, 1999). Durch die
Absorption eines Metallions an die Hydroxylgruppe wird ein Wasserstoffion freigesetzt. Die
fortschreitende Umwandlung der Mineraloberflächen von hydroxidisch zu oxidischen
Verbindungen sollte in einer Veränderung des jeweiligen Absorptionsspektrums resultieren.
Die analysierten Spektralbereiche umfassten den VNIR- und SWIR-Bereich des
elektromagnetischen Spektrums. Während der VNIR-Bereich Rückschlüsse über das
Vorhandensein von Eisenverbindungen zulässt, sind im Bereich des SWIR, besonders in der
Region um 2200 nm, Informationen über Metalle wie Mangan und Aluminium zu finden
(Hunt & Ashley, 1979). Die Spektren wurden in-situ gemessen und mit geochemischen
Analysen validiert. Als spektrale Kenngrößen wurden das Verhältnis von 610 nm zu 500 nm,
die Absorptionsfläche um 2200 nm, sowie dessen Asymmetrie, die Tiefe der Absorption bei
500 nm und das Verhältnis zwischen 1344nm und 778 nm festgelegt. Im Rahmen der
geochemischen Analysen wurden die Elemente As, Cu, Pb und Zn als Umweltindikatoren
definiert. Auf Basis von multiplen und schrittweise multiplen Regressionsanalysen zeigten
sich signifikante Korrelationen zwischen Pb und dem Verhältnis von 610 nm zu 500 nm,
zwischen Zn und der Fläche bei 2200 nm und zwischen As und der Asymmetrie um 2200
nm. Die gewonnenen Erkenntnisse wurden anschließend auf HyMAP-Daten übertragen.
Grundlage für die Analyse der Ähnlichkeit der Sensoren war eine ANOVA-Analyse. Für das
Verhältnis von 1344 nm zu 778 nm, sowie für die Absorptionsfläche um 2200 nm wurde
eine Bestimmtheitsmaß von über R
2
= 0,5 festgestellt. Für die restlichen Parameter lag das
Bestimmtheitsmaß unterhalb von R
2
= 0,5.
6 RELEVANTE STOFFE UND ZUGEHÖRIGE SPEKTRALE
CHARAKTERISTIKA
Nachfolgend sind tabellarisch die wichtigsten Minerale im Zusammenhang mit AMD mit den
zugehörigen chemischen Formeln, soweit bekannt den zu erwartenden pH-Bereichen, und
charakteristischen spektralen Absorptionsbereichen aufgelistet (Tabelle 3). Alle Werte

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- RELEVANTE STOFFE UND ZUGEHÖRIGE SPEKTRALE CHARAKTERISTIKA -
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VITA-MIN
entstammen Veröffentlichungen von Hunt & Ashley (1979), Crowley et al. (2003) und
Bishop & Murad (2005). Die hier eingemessenen Minerale stellen oftmals Reinstphasen dar,
welche zum Teil auch synthetisch hergestellt wurden.
Tabelle 3: Überblick über Sekundärminerale, welche in Folge saurer Grubenwässer
entstehen mit zugehöriger chemischer Formel, pH-Stabilitätsbereich (soweit bekannt) und
spektraler Charakteristika
Mineral
Formel
pH
Bereich
Charakteristische Wellenlängen
in nm
Alunit
KAl
3
(SO
4
)
2
(OH)
6
430, 910, 1850, 2270, 2630,
4900, 8000 – 10000, 15000 –
24000
Copiapit
(Fe
2+
Fe
43+
(SO
4
)
6
(OH)
2
*20
H
2
O)
<1,5
431, 541, 868, 1178, 1453,
1768, 1941 [Crowley et al.,
2003]
Ferricopiapit
(Fe
2/3
3+
Fe
43+
(SO
4
)
6
(OH)
2
*20
H
2
O)
432, 550, 871, 1425, 1768,
1942 [Crowley et al., 2003]
Ferrihydrit
(5Fe
3+
O
3
*9H
2
O)
>4,5
900 ( 11), 600, 1450, 1940,
2300 – 2400 [Crowley et al.,
2003];
910 – 930 [Bishop & Murad,
2005]
Fibroferrit
(Fe
3+
(SO
4
)(OH)*5H
2
O)
428, 543, 827, 1175, 1490,
1930
[Crowley et al., 2003]
Goethit
( Fe
3+
O(OH))
> 6,5
480, 674, 939, 1450, 1940
[Crowley et al.,2003];
910 – 940 [Bishop & Murad,
2005];
1000, 940, 650 [Hunt &
Ashley, 1979]
Halotrichit
(Fe
2+
Al
2
(SO
4
)
4
*22H
2
O)
(436), 994, 1180, 1445, 1945
[Crowley et al., 2003]
Hämatit
( Fe
2+
O
3
)
872, 1930 [Crowley et al.,
2003];
850 – 885 [Bishop & Murad,
2005];
850 [Hunt & Ashley, 1979]
Jarosit
(KFe
3+
(SO4)
2
(OH)
6
)
<2,8
437, 650, 911, 1467, 1849,
1936, 2264 [Crowley et al.,
2003];
435, 650, 900 – 925 [Bishop &
Murad, 2005]; 430 [Hunt &
Ashley, 1979]
Melanterit
(Fe
2+
*SO
4
*7 H
2
O)
432, 892, 1150, 1475, 1972

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- RELEVANTE SPEKTRALBEREICHE UND SPEKTRENBIBLIOTHEK -
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VITA-MIN
[Crowley et al., 2003]
Paracoquimbit
(Fe
2
3+
(SO
4
)*9H
2
O)
429, 558, 785, 1157, 1412,
1480, 1910, 1976 [Crowley et
al., 2003]
Pickeringit
(Mg
2+
Al
2
(SO
4
)
4
*22H
2
O)
1440, 1940 [Crowley et al.,
2003]
Rhomboklas
((H
5
O
2
)
1+
Fe
3+
(SO
4
) *2H
2
O)
428, 513, 793, 2002 [Crowley
et al., 2003]
Rozenit
(Fe
2+
SO
4
*4H
2
O)
432, 978, 1170, 1448, 1954,
1980 [Crowley et al., 2003]
Schwertmannit
(Fe
16
3+
O
16
(OH)
12
(SO
4
)
2
)
2,8–
6,5
489,
911,
1450,
1950
[Crowley et al., 2003]
Szomolnokit
(Fe
2+
*SO
4
*H
2
O)
430, 940, 1328, 1520, 1990,
2098, 2403 [Crowley et al.,
2003]
Im Gegensatz zu Mineralen, welche mit AMD einhergehen, können Schwermetalle schon in
Spuren mit einer toxischen bzw. ökotoxischen Wirkung verbunden sein. Minerale, welche
diese Metalle als Hauptelemente einbauen, zeigen selten ausgeprägte Absorptionsbänder in
dem hier betrachteten Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Für einige
Verbindungen stehen Spektren in der USGS spectral library zur Verfügung.
Darüber hinaus lagern sich Ionen dieser Elemente bevorzugt an funktionellen
Hydroxylgruppen von z.B. Tonmineralen an (Choe et al., 2008). In diesen geringen Spuren
ist ein direkter Nachweis mit den hier untersuchten Methoden nicht möglich. Wie in Kapitel
2 beschrieben können mittels Proxys begrenzt Rückschlüsse auf das Vorhandensein von
Schwermetallen in Tonmineralen gezogen werden.
7 RELEVANTE SPEKTRALBEREICHE UND SPEKTRENBIBLIOTHEK
Die analysierbaren Spektralbereiche werden in erster Linie von den zur Verfügung
stehenden Sensoren determiniert. In diesem Projekt stehen Daten im Wellenlängenbereich
von 500 nm bis 900 nm in hyperspektraler Auflösung zur Verfügung. Für Anwendungen im
Bereich der Geowissenschaften ist jedoch auch der SWIR-Bereich mit Wellenlängen bis
2500 nm von besonderem Interesse, da in diesem Bereich viele charakteristische
Informationen zu finden sind. Neben Indizes werden Methoden des maschinellen Lernens,
sowie unüberwachter und überwachter Klassifizierung eingesetzt, um aus den gewonnenen
Daten Karten zu generieren. Für viele dieser Klassifizierungsmethoden können
Referenzspektren eingesetzt werden, um Materialien mit ähnlichem Spektren zu kartieren.
Neben Spektren, welche aus Referenzpixeln aus der Aufnahme selbst erhalten werden
können, besteht die Möglichkeit externe Spektren aus einer Spektrenbibliothek, einer
Datenbank von materialspezifischen Spektren, für die Klassifizierung hinzuzuziehen um
zusätzliche Informationen für das Model zu erhalten. Dies kann sinnvoll sein, da

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- RELEVANTE SPEKTRALBEREICHE UND SPEKTRENBIBLIOTHEK -
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VITA-MIN
Klassifizierungsalgorithmen mathematisch-statistische Modelle sind, deren Güte in erster
Linie von der Anzahl und Qualität der Eingangsparameter abhängt. Interne Pixelspektren
sollten jedoch überwiegen, da externe Spektren oft Labormessungen darstellen, deren
Ergebnis aufgrund von Messabstand, Lichtbedingungen und weiteren Parametern, nicht
immer den Messungen während einer Befliegung entspricht. Nachfolgend sind einige
ausgewählte Spektren von öffentlich zugänglichen Quellen zusammengestellt, welche als
grundlegende Spektrenbibliothek dienen können. Die Auswahl umfasst den VNIR- und
SWIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums, um Unterschiede zwischen Materialien
besser erkennbar zu machen.
Im Folgenden sind repräsentative Spektren der eingangs identifizierten Indikatorminerale
abgebildet. Die Daten stammen von Crowley et al. (2003) (Abbildungen 3 und 4). Zur
besseren Sichtbarkeit wurde die Reflektanz (y-Achse) der jeweiligen Intensität angepasst.
Dies gilt zu berücksichtigen, da sonst ein fälschlicher Eindruck über das Reflektanzverhalten
der dargestellten Verbindungen entsteht. Besondere Vorsicht ist in diesem Zusammenhang
bei Spektren von Sulfidverbindungen geboten. Auch das Eisenmineral Magnetit (Fe
3
O
4
) ist
gekennzeichnet durch das Fehlen charakteristischer Absorption, sollte jedoch eine
Absorption charakteristisch für Eisen zu erkennen sein liegt, dies an oberflächlicher
Oxidation (Umwandlung z.b. zu Hämatit) Diese weisen im Gegensatz von zum Beispiel den
meisten Oxiden und Hydroxiden eine niedrigere maximale Reflektanz in den hier
betrachteten Wellenlängenbereich auf. Zusätzlich zu den hier abgebildeten Spektren
beinhaltet die Spektrenbibliothek Daten ausgewählter Minerale von der USGS Spectral
Library (Kokaly et al. 2017) (Abbildung 5).

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- RELEVANTE SPEKTRALBEREICHE UND SPEKTRENBIBLIOTHEK -
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VITA-MIN
Abbildung 3: Ausgewählte Spektren AMD-relevanter Minerale, nach Crowley et al., 2003.

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- RELEVANTE SPEKTRALBEREICHE UND SPEKTRENBIBLIOTHEK -
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VITA-MIN
Abbildung 4: Ausgewählte Spektren AMD-relevanter Minerale, nach Crowley et al., 2003.

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
Abbildung 5: Ausgewählte Spektren schwermetallhaltiger Minerale, nach Kokaly et al. 2017.
8 PRAXISTAUGLICHES KONZEPT
In diesem Kapitel werden die Rahmenbedingungen für den Geländeeinsatz mit UAS
vorgestellt. Neben der nötigen technischen Ausstattung werden die rechtlichen
Rahmenbedingungen aufgezeigt, welche es zu beachten gilt. Darüber hinaus wird auf die
Kalibrierung und Validierung der in dieser Studie verwendeten Systeme eingegangen und
ein detaillierter Ablaufplan der Geländearbeiten vorgestellt. Zusätzlich werden Vergleiche zu
herkömmlichen Methoden angestellt und die Nutzung zusätzlicher Informationen und die
Grenzen der verwendeten Systeme diskutiert.

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
8.1
NUTZUNG VORHANDENER INFORMATIONEN
Vorhandene Daten, wie zum Beispiel geologische, geochemische und geophysikalische
Karten, können und sollten bei der Planung einer Mission einbezogen werden, da somit eine
Befliegung und die damit einhergehende Probenahme effizienter gestaltet werden kann.
Für die Auswertung von multi- und hyperspektralen Daten werden für die meisten
Fragestellungen Methoden des maschinellen Lernens verwendet. Hierbei handelt es sich um
statistische Verfahren. Wenn durch externe Daten mehr Information in das statistische
Model einfließt, kann im Allgemeinen dessen Güte verbessert werden.
Daten, die nicht in das Modell einfließen, dienen als Validierung und können eigene in-situ
Messungen ergänzen.
Allgemein
Die Datenrecherche dient in diesem Kontext dem Sammeln von Informationen um die
Geländearbeiten entsprechend planen zu können. Dies ist wichtig, da die Flugzeiten von
UAS, und damit die aufnehmbare Fläche begrenzt sind. Speziell richtet sich das nach dem
verwendeten UAS, liegt aber unter einer Stunde. Deswegen müssen Bereiche von Interesse
so genau wie möglich definiert werden. Außerdem bieten spektrale Datenbanken die
Möglichkeit weitere stoffliche Informationen zur Datenauswertung hinzuzuziehen.
Für die Datenrecherche werden zwei grundsätzliche Typen von Daten für das Arbeiten mit
fernerkundlichen Methoden als besonders wichtig angesehen: Öffentlich zugängliches
digitales Kartenmaterial in Form von herunterladbaren Dateien oder WMS-Karten (web map
service) und öffentlich zugängliche spektrale Datenbanken.
WMS-Karten werden oft thematisiert angeboten und können somit sowohl als
Entscheidungsgrundlage für Feldkampagnen, als auch als erste Validierungsgrundlage
dienen. Für die in diesem Projekt bedeutenden Regionen Sachsen und Tschechien wurden
folgende Quellen für digitale Karten identifiziert:
Geoviewer Sachsen (WMS 1)
Geobasisinformation von Sachsen.de (WMS 2)
Bereich Wasser und Wasserwirtschaft von Sachsen.de (WMS 3)
Bereich Boden von Sachsen.de (WMS 4)
Sowie die Dienste des Czech Geological Survey für Tschechische Gebiete (WMS 5)
Vielerorts herrschen Flugverbotszonen. Für Geländekampagnen ist es von essentieller
Bedeutung diese Gebiete ausfindig zu machen um die Sicherheit des Luftraums zu
gewährleisten. Diese Gebiete können online eingesehen werden:
Sachsen.de – Luftverkehr und Binnenschifffahrt
Spektrale Datenbanken bieten die Möglichkeit Klassifizierungsalgorithmen mit externen (das
heißt nicht aus der zu analysierenden Datei stammende) Referenzspektren zu trainieren.
Für die meisten Algorithmen steigt die Vorhersagegenauigkeit mit der Anzahl der
Trainingsdaten, weshalb eine umfangreiche Spektrenbibliothek, oder die Nutzung mehrerer
Datenbanken, vorteilhaft sein kann. Als die wichtigsten Spektralbibliotheken für die
zugrundeliegende Aufgabenstellung werden folgende erachtet:

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
Die Spektrale Datenbank des „United States Geological Survey (USGS)“. Diese
Bibliothek ist vornehmlich auf Spektren von Mineralen spezialisiert. (SL 1)
Die „Johns Hopkins University library“, welche Referenzdaten von Gesteinen,
Mineralen, Böden, Meteoriten, Vegetation, Schnee, Eis und anthropogenen
Materialien enthält. (SL 2)
Die „Jet Propulsion Laboratory library“, welche Spektren von Mineralen umfasst.
(SL 3)
Zusätzlich kann an dieser Stelle noch die „Ecostress Spectral Library“ (SL 4) der NASA
angeführt werden, welche sich aus der „Johns Hopkins University library“, der „Jet
Propulsion Laboratory library“, sowie der „ASTER Spectral library” zusammensetzt.
Die terrestrische Begutachtung von Halden mit Methoden der Fernerkundung wurde im
Projekt REStrateGIS angewendet. Der Projekttitel „Konzeption und Entwicklung eines
Ressourcenkatasters für Hüttenhalden durch Einsatz von Geoinformationstechnologien und
Strategieentwicklung zur Wiedergewinnung von Wertstoffen“ (REStrateGIS, 2016) gibt die
inhaltliche Ausrichtung wieder. Das Verbundprojekt welches vom Frauenhofer Umsicht
koordiniert wird, widmete sich der Erfassung von Halden und deren stofflicher Analyse mit
Methoden der terrestrischen und satellitengestützten Fernerkundung, sowie der
Laboranalytik. Im Gesamtziel soll das Potential der Werkstoffrückgewinnung im Material der
Halden und Kippen anhand der erprobten Methoden evaluiert werden.
In einem WebGIS wurden die erfassten Objekte der Haldenlandschaft zusammengebracht.
Temporär (Stand 30.11.2018) ist der Zugriff auf das Ressourceninventar unter
webgis.ressourcenkataster.de nicht möglich, wird voraussichtlich aber wieder zugänglich
sein.
Speziell für die Rahmen dieser Untersuchung ausgeführten Geländearbeiten
Für die im Rahmen dieser Studie durchgeführten Geländearbeiten mussten grundsätzlich
zwei Typen von Informationen eingeholt werden. Zum einen die Kenntnis von
Flugverbotszonen, zum anderen die bereits bekannten fachlichen Hintergründe des
zugrundeliegenden Problems. Einschränkungen des Flugraumes wurden online überprüft.
Dieser Schritt ist entscheidend und muss vor jeder Planung einer Geländekampagne
durchgeführt werden. Nachdem Kenntnisse über die allgemeinen Luftraumverhältnisse in
diesen Gebieten vorlagen mussten die Testgebiete auf spezielle Besonderheiten geprüft
werden. Dies bedeutet, dass Grundstückseigentümer und verwaltende Behörden, die
geplante Kampagne prüfen und den Überflug über besondere Regionen aus z.B.
Umweltschutzgründen untersagen können. Nachdem bekannt ist, in welchen Gebieten eine
Befliegung erlaubt ist, können diese Bereiche durch das Hinzuziehen fachlicher
Informationen darauf hin geprüft werden, welche Bereiche, bzw. Flugroute den vermeintlich
größten Informationsgewinn bieten wird. Im Falle des Bernsteinsees wurden die im Internet
zugänglichen Angaben der Lausitzer und Mitteldeutschen Bergbau-Verwaltungsgesellschaft
mbH (Güte von Bergbaufolgeseen der LMBV) zur vorliegenden Gewässerqualität
recherchiert. Für das Dubringer Moor lag eine Studie des Sächsischen Landesamtes für
Umwelt, Landwirtschaft und Geologie vor, welche den Zustand der in diesem Graben
geführten Gewässer detailliert zusammenfasst.

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
8.2
TECHNISCHE AUSSTATTUNG
Flug- und Vermessungstätigkeit
Multikopter mit Funktion für Wegpunktflug und ausreichend Nutzlast, z.B. Aibotix
Aibot X6 Drohne (inklusive Rikola Kamera)
alternativ/zusätzlich für Photogrammetrie und multispektraler Datenaufnahme:
Starrflügler-UAS, z.B.: Sensefly eBee oder eBeePlus mit Canon oder Sequioa
(RTK-)GNSS Vermessungsausrüstung, z.B. Trimble R10
Laser-Tachymeter (z.B. Trimble M3)
Vermessungstätigkeiten sind von besonderer Bedeutung, wenn ein Gebiet besonders genau
rekonstruiert werden soll um z.B. Aussagen über die Morphologie in multitemporalen
Studien treffen zu können. Abgesehen davon ist diese Tätigkeit optional, da dies keinen
Einfluss auf spektrale Analysen hat.
Validierung
tragbares VIS-NIR Handspektrometer, z.B. Spectral Evolution PSR-3500
Hand- Röntgenfluoreszenzanalysator (RFA), z.B. Bruker S1 Titan 800
optional: Thermal-Infrarot Handspektrometer, z.B. Agilent 4300 FTIR
Transport-Equipment für Probennahme (Probenbehälter)
Multimeter–Messgerät (pH, Redox, O
2
)
Probennahme z.B. angelehnt an DIN ISO 10381-2:2003-08 (Bodenbeschaffenheit –
Probennahme – Teil 2: Anleitung für Probennahmeverfahren)
8.3
DETAILLIERTE ARBEITSSCHRITTE
Die nachfolgenden Arbeitsschritte „Vermessung“ und „Probennahme“ konnten in den hier
getätigten
Geländearbeiten
aufgrund
von
Sicherheitsbestimmungen
und
Zugangsbeschränkungen nicht realisiert werden, sind aber im Zuge des Konzepts hier
aufgelistet. Abbildung 6 fasst folgende Arbeitsschritte übersichtlich zusammen.
Planung:
o
Überprüfung der Flugbedingungen: Es muss gewährleistet werden, dass kein
Eingriff in den aktiven Flugverkehr vorliegt. Hierfür muss sichergestellt
werden, dass das Zielgebiet ausreichend Abstand von Flugplätzen,
Krankenhäusern, Industrieanlagen u.a. Einrichtungen der öffentlichen
Infrastruktur,
Energieversorgung
und
Verteidigung
darstellt.
Ein
Mindestabstand von 100 m zu Grundstücksgrenzen ist normalerweise
einzuhalten.
o
Es müssen für gewöhnlich Genehmigungen zur Befliegung von Grundstücken
eingeholt werden. Dies gilt besonders, wenn das zu befliegende Areal
Privateigentum darstellt.
o
Aus der Allgemeinverfügung der Landesdirektion Sachen finden sich weitere
Details zur Betriebserlaubnis unbemannter Luftfahrtsysteme. Insbesondere
Abschnitt 3 ist hervorzuheben.
o
Die Landesämter und Behörden sind angehalten, sich bei der Vergabe von
Genehmigungen gegenseitig zu unterstützen.

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
o
Flugverbotszonen sind zu beachten. Entsprechend ausgezeichnete Gebiete
finden sich im Internet (
map2fly.flynex.de
) und auf offiziellen Karten.
o
Wetterbedingungen für den Flugtag gilt es zu prüfen. Von Interesse für den
Flug sind vor allem Niederschlag, Windgeschwindigkeit, Windrichtung und ob
Böen zu erwarten sind. Für die Aufnahmen der Hyperspektralkameras ist
außerdem Bewölkung ein zu berücksichtigender Faktor.
o
Die Dauer der täglichen Lichtverhältnisse darf nicht vernachlässigt werden.
o
Bei ungünstigen Wetterbedingungen und starken Schneetreiben ist eine
fernerkundliche Befliegung nicht möglich, dies betrifft also vor allem die
Wintermonate.
o
In der Planung muss die Zielstellung berücksichtigt werden um jeden Flug
möglichst effizient zu nutzen. So muss zum Beispiel entschieden werden, ob
bei einem Flug ein möglichst großer Bereich beflogen werden soll, oder ob der
Fokus auf bestimmten Bereichen liegt. In diesem Fall wurde beispielsweise ein
Wassermischungsbereich kartiert. Da es sich hier um ein dynamisches
System handelt muss der Flugplan darauf angepasst werden diesen Bereich in
kürzester Zeit aufzunehmen, was auf Kosten der beflogenen Gesamtfläche
geschieht.
Vorbereitung des Equipments
o
Um sicherzustellen, dass während der Geländearbeiten keine vermeidbaren
Ausfälle auftreten, werden sowohl Hardware als auch Software vorher
überprüft und gegebenenfalls gewartet.
o
Planung der Durchführung entsprechend Aufgabe und Ziel der Untersuchung
und der notwendigen Schritte zum Erreichen derselben.
Transport:
Der Transport der Ausrüstung in das Zielgebiet ist ein nicht zu vernachlässigender
Faktor.
Die
gesamte
Ausrüstung
umfasst
viele,
zum
Teil
schwere
Einzelkomponenten. Der Transport in unzugängliches Gelände muss hier besonders
berücksichtigt werden. Bewährt hat sich die Anfahrt an das Zielgebiet mit einem
geländegängigen Kleintransporter. Nach Aufsuchen des Startpunktes wird die
Ausrüstung dahin per Hand zum Startort transportiert.
Erneute Überprüfung der Flugbedingungen:
Vor der Befliegung werden die Flugbedingungen vor Ort erneut überprüft. Dichter
Nebel, Niederschlag und Seitenwinde ab 10 m/s gefährden die Flug-Operation.
Validierungspunkte:
Bodenvalidierungspunkte verbessern die Genauigkeit von digitalen 3D- Modellen. Zu
diesem Zweck werden Kontrollmarkierungen zur Verbesserung der räumlichen
Genauigkeit im Untersuchungsgebiet verteilt. Als einfache Markierungen reichen
Plastikplanen mit einer sich vom Untergrund unterscheidenden Farbe.
Flugplanung direkt an im Gelände vorherrschende Bedingungen anpassen:
Flugplanung mittels Flugplanungssoftware, sofern dies vom verwendeten UAS-Model
unterstützt wird. Benötigte Flugparameter sind Start und Landefläche, Größe des
Zielgebiets und Anzahl der aufzunehmenden Luftbilder. Für ein Geländemodel von
0,5 km
2
Größe werden 150 – 200 Einzelbilder zusammengesetzt. Die resultierende

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
Pixelauflösung liegt dann bei 5 – 10 cm, mit absoluten Genauigkeiten abhängig von
der Güte der per GNSS eingemessenen Passpunkte.
Befliegung des Gebietes mit Flugplan
o
Nach dem Erstellen eines GPS- basiertem Flugplans werden RGB- und
Multispektralbilder des Gebietes aufgenommen. Es wird empfohlen diese
Aufnahmen zuerst zu tätigen, da diese Systeme im Allgemeinen schneller
einsatzbereit sind als Hyperspektralkameras und die damit gewonnenen
Daten eine meist geringere Aufbereitungszeit benötigen. In Kombination mit
einem geeigneten UAS (z.B. eine Starrflüglerdrohne mit langer Flugzeit)
können
hierbei
hohe
Flächen
abgedeckt
werden,
welche
als
Entscheidungsgrundlage für die Positionierung hyperspektraler Aufnahmen
dienen können.
o
Hyperspektrale Befliegungen werden meist manuell oder semiautomatisch
durchgeführt. Das transportierende UAS muss außerdem in der Lage sein das
Gewicht der Kamera zu tragen. Eine Erhöhung der Traglast der UAS verkürzt
deren Einsatzzeit pro Flug.
o
Zur radiometrischen und atmosphärischen Korrektur der Aufnahmen kommen
Referenzmaterialien, vorzugsweise verschiedener Graustufen zum Einsatz,
welche in einer der Szene zu erkennen sein müssen.
Vermessung:
Die vorher ausgelegten Validierungspunkte werden zur Erzielung einer bestmöglichen
räumlichen Genauigkeit der Daten mittels GNSS Empfängern eingemessen.
Probennahme:
o
Probennahme beinhaltet das eigentliche Entnehmen von Proben für weitere
Analysen im Labor, sowie in situ Messungen mittels Handspektrometer, pXRF
(zur Feststoffmessung) und pH-Meter. Je nach zu untersuchendem
Sachverhalt erfolgt die Probennahme entweder rasterartig, oder an
ausgewählten Stellen, welche nach einer makroskopischen Analyse alle
vorhandenen Endglieder charakterisieren.
o
Die Probennahme ist angelehnt an die zertifizierte DIN-Norm wie die DIN ISO
10381-2:2003-08.
o
Die Validierung ist abhängig von der Größe und Zugänglichkeit des Gebietes,
sowie der angestrebten Probendichte.
Spektralbibliothek:
Das Erstellen der Referenzspektren wird vorzugsweise mit einem Handspektrometer
vollzogen, das einen breiten Wellenlängenbereich umfasst und eine hohe spektrale
Auflösung bietet.
Datenaufbereitung und –auswertung:
o
Erstellung von überwachten Klassifizierungen aus den Drohnenaufnahmen
und damit qualitative Kartierung von Indikatoren für Bergbaufolgeschäden.
o
Auswertung der hyperspektralen Daten mit Validierung der Daten und der
Spektrenbibliothek.
o
Detaillierte Erfassung der Vitalität örtlicher Vegetation.
o
Aufbau eines digitalen Atlas über den Zustand des kartierten Geländes.

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
Abbildung 6: Arbeitsablauf einer UAS-gestützten Geländemission. Grün-umrahmte Schritte
wurden in der zugehörigen Feldstudie durchgeführt. Gelb-umrahmte Schritte wurden
durchgeführt,
werden
jedoch
im
weiteren
Verlauf
aufgrund
mangelnden
Informationsgehaltes für die zugrundeliegende Aufgabenstellung nicht weiter erwähnt.
Rot-umrahmte Arbeitsschritte konnten in dieser Studie aus gegebenen Gründen nicht
realisiert werden, werden der Vollständigkeit halber jedoch für eventuelle künftige Projekte
hier aufgeführt.
8.4
KALIBRIERUNG UND VALIDIERUNG DES SYSTEMS
Die Kalibrierung ist im Detail abhängig von der verwendeten Kamera. Der hier beschriebene
Arbeitsablauf wird sich folglich auf die in dieser Studie verwendete Hyperspektralkamera
“Senop Oy Rikola” beziehen.
Der erste Schritt besteht in der Einstellung der Parameter, was mittels der mitgelieferten
Software erfolgt.
Diese Kamera verfügt nicht über einen eingebauten Verschluss, weshalb vor Beginn
der eigentlichen Aufzeichnung die Linse mit einem speziellen lichtundurchlässigen
Material abgedunkelt werden muss um die Kalibrierung des Dunkelstroms
durchzuführen.
Danach kann die eigentliche Datenaufzeichnung beginnen. Hierbei muss darauf
geachtet werden, dass Referenzmaterialien (hier PVC-Panele in schwarz, grau und
weiß) mit bekannten Spektren deutlich in der Aufnahme, bei Arbeitsflughöhe, zu
erkennen sind.

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- PRAXISTAUGLICHES KONZEPT -
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VITA-MIN
Die eigentliche Vorprozessierung beginnt mit der Umwandlung der gewonnenen
Daten von digital number (DN) in radiance. Dieser Schritt kann mit der Software von
Senop unter Abzug des Eingangs gemessenen Dunkelstroms erfolgen.
Der nächste Schritt besteht in der Korrektur von Verzerrungen durch die
Kameralinse, sowie in einer Koregistrierung der einzelnen Bänder. Dies ist nötig, da
diese Kamera nicht alle Bänder simultan aufnimmt, sondern nacheinander. Für
diesen Arbeitsschritt wird die Python-basierte Toolbox “MEPHySTo” (Jakob et al.,
2017) verwendet.
Der nächste Schritt umfasst Orthorektifizierung und Georeferenzierung. Hierzu wird
ebenfalls MEPHySTo eingesetzt. Der verwendete Algorithmus basiert auf der
automatischen Detektion übereinstimmender Bildmuster und der darauf basierenden
Entzerrung und Transformation der Hyperspektralbilder in einen kartografisch
sinnvollen Zusammenhang.
Anschließend sollte, bei ausreichend diverser Morphologie, eine topographische
Korrektur
stattfinden,
um
morphologisch
bedingte
Belichtungsunterschiede
herauszurechnen. Dies wird hier erneut mit MEPHySTo realisiert.
Nun werden die einzelnen Aufnahmen zu einem Mosaik zusammengesetzt. Dieser
Schritt kann mit den meisten GIS umgesetzt werden.
Der letzte Schritt besteht in der Umrechnung der Daten in Reflektanz. Im konkreten
Fall wird dies durch ein Regressionsmodell umgesetzt, welches Gebrauch von den im
Bild enthaltenen Referenzmaterialien (Panele) mit bekannten Spektren macht.
Alternativ kann dieser Schritt auch durch eine atmosphärische Korrektur erfolgen, für
welche jedoch, abhängig vom verwendeten Algorithmus, mitunter deutlich mehr
Metadaten nötig sind.
Eine detaillierte Beschreibung der Arbeitsschritte ist in der Veröffentlichung Jakob et al.,
2017 nachzulesen.
Für die Validierung kommen in-situ gemessene Kontrollspektren, soweit zugänglich, zum
Einsatz. Optimaler Weise werden Spektren von jeder zu erwartenden Hauptkomponente im
Untersuchungsgebiet gesammelt. Diese dienen zum einen zur Verbesserung des
statistischen Models und gleichzeitig zur Evaluierung der Ergebnisse.
8.5
RÄUMLICHE UND ZEITLICHE AUFLÖSUNG
Die räumliche Auflösung der mit UAV akquirierten Daten wird in erster Linie durch die
Flughöhe bestimmt. Wie in Abschnitt 9.6 gezeigt, gelten für den Einsatz von Drohnen
rechtliche Vorgaben, welche die maximale Flughöhe einschränken. Neben diesem Aspekt
bedingt die Brennweite der verwendeten Linse die Pixelauflösung. Die Bauart des Sensors
limitiert die Anzahl der Pixel pro Aufnahme.
Ein Vorteil des Einsatzes von UAV ist die Umsetzung von multitemporalen Gebietsanalysen.
Der Einsatz kann nahezu jederzeit erfolgen und ist nur abhängig von erforderlichen
Genehmigungen, Wetterbedingungen, der Anzahl an zur Verfügung stehenden Batterien und
dem Piloten. Wieviel Fläche pro Zeit abgedeckt werden kann ist abhängig von der jeweiligen
UAV und der transportierten Last. Für die hier verwendeten Drohnen wird dies in einem
späteren Abschnitt (12.2) genannt, soweit bekannt.

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VITA-MIN
8.6
GRENZEN DES SYSTEMS, SOWIE DER GENAUIGKEIT UND
FEHLERABSCHÄTZUNG
8.6.1
SPEKTRALBEREICHE
Alle Elemente und Verbindungen können Interaktionen mit elektromagnetischen Wellen
zeigen. Der bestimmende Faktor dabei ist die Energie, welche nötig ist, um die Substanz
anzuregen. Diese Energie ist direkt proportional zur Frequenz der elektromagnetischen
Welle. Die hier behandelten Methoden betrachten einen fein aufgelösten Teil des Spektrums
zwischen 500 nm und 900 nm, bzw. einen durchschnittlichen Wert im Bereich des
thermalen Infrarot. Nicht alle Elemente oder Verbindungen zeigen Energieübergänge in
diesen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums.
8.6.2
ABTASTGENAUIGKEIT
Auch hyperspektrale Datensätze können ein tatsächliches elektromagnetisches Spektrum
nur näherungsweise wiedergeben, was mit der Abtastfrequenz des Detektors begründet
werden kann. Wird beispielsweise alle 5 nm ein Signal aufgenommen, so wird der Bereich
zwischen den Signalpunkten interpoliert.
8.6.3
SENSORGENAUIGKEIT
Als elektronische Bauteile unterliegen Sensoren gewissen Ungenauigkeiten, welche
eventuell als Artefakte im Spektrum auftauchen können. Die Genauigkeit und Präzision
eines Sensors hängt auch hier stark von der Kalibrierung ab. Auch bei guter Kalibrierung
kann eine Verschiebung zwischen gemessenen und tatsächlichen Wellenlängen auftreten.
Des Weiteren bestehen viele Hyperspektralkameras aus mehr als einem Sensor, da
verschiedene Sensoren unterschiedliche Bereiche des elektromagnetischen Spektrums
detektieren. Beim Übergang von einem Sensor zum Nächsten kann es zu
Intensitätssprüngen des Signals kommen, was berücksichtigt werden muss und nicht mit
einer Absorption verwechselt werden darf. Darüber hinaus benötigen Sensoren, besonders
bei steigender zu messender Wellenlänge, eine akkurate Kühlung um verlässliche Daten
aufzuzeichnen. Bei nicht ausreichender Absenkung der Temperatur am Sensor sinkt das
Signal-Rausch-Verhältnis, induziert durch die Hintergrundwärme. Im konkreten Fall dieses
Projektes liegt das Signal-Rausch-Verhältnis der verwendeten Hyperspektralkamera bei
150:1.
8.6.4
DETEKTIONSGRENZEN FÜR QUANTITATIVE ANALYSEN
Nach Kenntnisstand der Autoren ist eine vollquantitative Elementanalyse für den Großteil
der Elemente mit den hier vorgestellten Methoden nicht möglich. Eine Ausnahme bilden
hierbei die Elemente mit f-Orbitalen (Lanthanoide und Actinoide). Turner et al. (2014)
zeigten, dass einige Minerale, welche seltene Erd-Elemente (SEE) zu erheblichen Teilen
einbauen unterschieden werden und der Gehalt an SEE abgeschätzt werden kann.

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VITA-MIN
8.7
VORAUSSETZUNG FÜR DIE NUTZUNG DER SYSTEME
(UMWELTBEDINGUNGEN, RECHT, MENSCHLICHE FÄHIGKEITEN UND
KENNTNISSE)
In diesem Kapitel werden die organisatorischen und rechtlichen Randbedingungen für die
kommerzielle Nutzung von unbemannten Luftfahrzeugen betrachtet. Es werden dabei
nachfolgend die rechtlichen Grundlagen für die Luftraumnutzung dargelegt und zusätzlich
die Besonderheiten für Flüge in der Nähe eines Tagebaurestloches betrachtet. Detailliert
wird auf Besonderheiten, Genehmigungsverfahren sowie Einschränkungen in städtischer
und ländlicher Umgebung eingegangen.
Dabei wird davon ausgegangen, dass die Messungen in unmittelbarer Nähe zu einem
Gewässer durchgeführt werden und sich somit das Einsatzgebiet des UAS wie folgt räumlich
einordnet:
Am Gewässer (genau darüber oder über dem Uferbereich)
ggf. an einem Verkehrsweg
ggf. in einem Naturschutzgebiet
ggf. über Wohngrundstücke
ggf. im Bereich einer Rutschung
8.7.1
RECHTLICHE GRUNDLAGEN FÜR DIE NUTZUNG DES DEUTSCHEN LUFTRAUMS
Ein unbemanntes Luftfahrtsystem ist grundsätzlich als ein Teilnehmer der Luftfahrt zu
betrachten und von den damit verbundenen Rechten und Pflichten betroffen.
Für die Einordnung der UAS in der Luftfahrt stellt das Luftverkehrsgesetz (LuftVG) die
Grundlage dar. Das LuftVG ist das Basisgesetz der obersten Luftfahrtbehörde - dem
Bundesministerium
für
Verkehr
und
digitale
Infrastruktur
(BMVI)
-
für
die
Luftfahrtgesetzgebung in Deutschland.
§ 1 Absatz 1/2 Luftverkehrsgesetz beschreibt (siehe BMJ 2017):
„Die Benutzung des Luftraums durch Luftfahrzeuge ist frei, soweit (…)“
Und
„Luftfahrzeuge sind:
(…) 9. Flugmodelle (…)
Ebenfalls
als
Luftfahrzeuge
gelten
unbemannte
Fluggeräte
einschließlich
ihrer
Kontrollstation, die nicht zu Zwecken des Sports oder der Freizeitgestaltung betrieben
werden (unbemannte Luftfahrtsysteme).“
Der Luftraum ist also ein kostenlos nutzbarer öffentlicher Raum, welcher nicht kommerziell
erworben werden kann. Auch UAS können diesen Luftraum nutzen. Das LuftVG beschreibt
weiterhin, dass die Nutzung zwar frei ist, aber während einer Benutzung andere Gesetze
und Vorschriften nicht außer Kraft gesetzt werden können. Beispielhaft ist das
internationale
Recht
oder das
Recht auf Privatsphäre
des Grundgesetzes genannt.

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Das LuftVG unterteilt die unbemannten Luftfahrtsysteme nach deren Nutzungsart. Die
Flugmodelle dienen ausschließlich der Freizeitgestaltung und unterliegen einem Hobby,
während die unbemannten Luftfahrtsysteme einen Zweck verfolgen. Je nachdem welche
Nutzungsart vorliegt, gelten unterschiedliche Voraussetzungen für die Teilnahme am
Luftverkehr. Im Rahmen des Projektes ist stets davon auszugehen, dass es sich nicht um
Flugmodelle handelt, sondern um UAS, welche für einen bestimmten Zweck eingesetzt
werden.
8.7.2
DIE DROHNENVERORDNUNG
Seit 07. April 2017 gilt hinsichtlich der Nutzung von UAS bundesweit die Verordnung zur
Regelung des Betriebs von unbemannten Fluggeräten („Drohnenverordnung“, Abbildung 7).
Darin enthalten sind sowohl Einschränkungen als auch Freiheiten beim Betrieb von UAS
sowie Regelungen zum Schutz der Privatsphäre. Diese Verordnung hat folgende
Hauptintention: Zum einen soll niemand belästigt oder gefährdet werden, zum anderen soll
aber die gewerbliche und industrielle Nutzung nicht unnötig erschwert werden. Gleichzeitig
sollen eine Kennzeichnungspflicht mehr Ordnung und der Kenntnisnachweis (eine Art
Führerschein) mehr Sicherheit bringen.
Wie in Abb. 6 dargestellt, werden dazu die UAS in bestimmte Gewichtsklassen eingeteilt.
Diese neue Regelung erlaubt den Betrieb aller Drohnen – unabhängig von einer privaten
oder kommerziellen Nutzung – wenn folgende Bedingungen eingehalten werden:
Maximales Abfluggewicht 5,0 kg
Maximale Flughöhe 100 m
Flug in Sichtweite (manuelles Steuern muss möglich sein)
Es muss eine Haftpflichtversicherung vorliegen.

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Abbildung 7: Schaubild der Drohnenverordnung nach der sächsischen Allgemeinverfügung
(BMVI).
Weiterhin gilt im Speziellen:
Ab einem Abfluggewicht von 250 g ist das UAS mit einer feuerfesten Plakette zu
kennzeichnen.
Ab einem Abfluggewicht von 2.0 kg ist verpflichtend ab 01.10.2017 ein Kenntnisnachweis zu
erbringen. (Abhängig von der Nutzungsart unterschiedlich)
Bei einem Abfluggewicht von mehr als 5.0 kg ist die Erlaubnis der zuständigen
Landesluftfahrbehörde einzuholen. Dies gilt auch bei Flughöhen von mehr als 100 m, dem
Flugbetrieb bei Nacht und dem Flug außerhalb der Sichtweite des Steurers.
Überflugverbot besteht bei:
Menschenansammlungen
BOS (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben)
Bundesfernstraßen, Bundeswassertrassen, Bahnanlagen
Verfassungsorganen, Bundes- oder Landesbehörden
Naturschutzgebieten
Industrieanlagen und Wohngrundstücken
nationalen und internationalen Flughäfen
Im Einzelfall können zuständige Behörden oder Grundstückseigentümer den Überflug
genehmigen. Ein Genehmigungsverfahren der Landesluftfahrbehörde ist somit nicht

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notwendig. Details sollten jedoch vorher mit der Landesluftfahrtbehörde abgesprochen
werden.
Die Abb. 6 zeigt einen Teil eines vom BMVI veröffentlichen Flyer zur ,,Drohnenverordnung“.
Details der Verordnung können als Download beim BMVI eingesehen werden.
8.7.3
DIE AUFSTIEGSERLAUBNIS
Luftfahrt im Zusammenhang mit UAS und in nicht kontrollierten Lufträumen, obliegt den
Zuständigkeiten der Bundesländer. Folgende Erläuterungen und Beispiele zu den
Genehmigungen gelten ausschließlich in den jeweiligen Bundesländern in denen die Flüge
durchgeführt werden sollen.
Ein Abfluggewicht unter 5 kg für eine regelmäßige Nutzung eines Messsystems ist durchaus
erstrebenswert, denn somit entfällt eine womöglich umständliche Aufstiegserlaubnis der
Landesluftfahrtbehörde. Diese Genehmigung beinhaltet in vielen Fällen eine Risikoanalyse
nach SORA – GER (Specific Operations Risk Assessment Germany) sowie weitere Auflagen
für die Durchführung. Die Landesluftfahrtbehörden unterscheiden zwischen einer Einzel- und
Allgemeinen Aufstiegserlaubnis. Soll beispielsweise ein Flug die maximale Höhe von 100 m
überschreiten wird dies im Rahmen einer Einzelgenehmigung für diesen einen Fall geprüft.
Handelt es sich um ein Flugsystem, welches die 5,0 kg generell überschreitet, kann dafür
eine Allgemeine Genehmigung erteilt werden.
8.7.4
FLUGVERBOTSZONEN
Flugverbotszonen für UAS sind laut ,,Drohnenverordnung“ eindeutig definiert. Der zunächst
wichtigste Punkt ist
Punkt 5
in
§ 21b (Verbotener Betrieb von unbemannten
Luftfahrtsystemen und Flugmodellen):
Der Betrieb von unbemannten Luftfahrtsystemen und Flugmodellen ist verboten, sofern er
nicht durch eine in § 21a Absatz 2 genannte Stelle oder unter deren Aufsicht erfolgt, …
…über und in einem seitlichen Abstand von 100 Metern von Bundesfernstraßen,
Bundeswasserstraßen und Bahnanlagen, soweit nicht die zuständige Stelle dem Betrieb
ausdrücklich zugestimmt hat,[ ...]
Erfolgt also eine Befliegung an einem der Verkehrswege in geringerem Abstand als 100 m,
muss die dafür zuständige Stelle diesen Aufstieg genehmigen. Mittlerweile (Stand Aug.
2017) übernehmen immer mehr Bundesländer die sogenannte 1:1 Regel. Die 1:1 Regel
beschreibt einen Korridor mit 100% Steigung. D.h. für jeden Meter Abstand, ist ein Meter
mehr Höhe erlaubt. Das entspricht einem Winkel von 45°. Ergänzt wird dieser Trichter mit
einem Mindestabstand, z.B. 25 m von Bahnanlagen (Abbildung 8).

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Abbildung 8: 1:1 Regel, Flughöhe von AUS linear zum Abstand Verkehrsweg (BMVI)
8.7.5
SCHLUSSFOLGERUNGEN
Die neuen Regelungen wirken an manchen Stellen nicht eindeutig. Vor allem die
Ausnahmegenehmigungen werden von den einzelnen Bundesländern unterschiedlich
behandelt. Es gibt zwischen den einzelnen Bundesländern derzeit noch starke Unterschiede
hinsichtlich der Formulare, Genehmigungszeiten, und Genehmigungserfolge. Demzufolge ist
der Genehmigungsaufwand auch schwer abzuschätzen, da viele Formulare kurzfristig
geändert werden, dazukommen oder nicht mehr notwendig sind. Beispielhaft sei hier die
Risikoanalyse nach dem Verfahren SORA – GER zu nennen, welche zwar eindeutig definiert
ist, nicht jeder Landesluftfahrtbehörde gefordert wird.
Positiv zu erwähnen ist, dass in den Klassen bis 5 kg Abfluggewicht die
,,Drohnenverordnung“ deutlich mehr Klarheit über Betriebsgrenzen, Genehmigungen,
Kennzeichnungen für die kommerziellen und privaten Anwendungen gebracht hat.
Im Zweifelsfall ist für den legalen Betrieb eine Kontaktaufnahme zur Landesluftfahrtbehörde
jedoch unumgänglich.
8.7.6
BESONDERHEITEN IM RAHMEN DIESES PROJEKTES
Alle oben genannten Gesetze gelten für die kommerzielle als auch die private Nutzung von
UAS. Wird also davon ausgegangen das Messungen mit unbemannten Systemen in Zukunft
kommerziell sein sollen, ist jeder Steuerer eines UAS an diese Gesetze gebunden.
Der Vollständigkeit halber sei jedoch auf einen wichtigen Aspekt hingewiesen: Da es sich
beim Projektträger des vorliegenden Projektes um eine staatliche Behörde handelt, welche
öffentliche Interessen vertritt, ist es nicht notwendig, ein Genehmigungsverfahren zu
durchlaufen. Auch direkte Auftragnehmer dieser Behörde und jene, welche im Sinne der
Behörde handeln, sind von der Erlaubnispflicht befreit.
Für den Auftragnehmer war es somit hier nicht zwingend notwendig, die sonst notwendigen
Aufstiegsgenehmigungen zu beantragen. Laut Aussagen der Landesluftfahrtbehörden in
Mecklenburg-Vorpommern und Bayern gilt dies auch für Forschungseinrichtungen.

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VITA-MIN
Der genaue Gesetzestext (LuftVO §21a Absatz 1 und 2) lautet (Stand 01.2018):
(1) Der Betrieb von folgenden unbemannten Luftfahrtsystemen und Flugmodellen bedarf der
Erlaubnis: …
(2) Keiner Erlaubnis nach Absatz 1 und keines Nachweises nach Absatz 4 bedarf der Betrieb
von unbemannten Luftfahrtsystemen durch oder unter Aufsicht von
1
Behörden, wenn dieser zur Erfüllung ihrer Aufgaben stattfindet;
LUFTVO §21A ABSATZ 1
Der Betrieb von unbemannten Luftfahrtsystemen und Flugmodellen ist verboten, sofern er
nicht durch eine in § 21a Absatz 2 genannte Stelle oder unter deren Aufsicht erfolgt.
Die Institutionen sind zwar von den Genehmigungen befreit, aber unabhängig davon gelten
natürlich weiterhin die Persönlichkeitsrechte, die Luftverkehrsgesetze und das internationale
Recht.
8.8
GEGENÜBERSTELLUNG MIT HERKÖMMLICHEN METHODEN
Die Untersuchung mit herkömmlichen Methoden der analytischen Chemie erlaubt eine
Quantifizierung der Elementgehalte für die untersuchten Probenahmepunkte, wie sie für die
hier angewandte bildgebende Spektroskopie nicht möglich ist. Um aus chemischen
Messpunkten ein Kartenbild zu erzeugen, bedarf es statistischer oder geostatistischer
Interpolationsmethoden, welche immer nur eine Näherung an tatsächliche Sachverhalte
darstellen. Darüber hinaus ist die Qualität einer solchen Interpolationskarte stark abhängig
von Anzahl und Verteilung des Probenrasters. Im Gegensatz dazu kartieren die hier
untersuchten Methoden flächendeckend. Eine vergleichbare Oberflächenkartierung mit
herkömmlichen Methoden würde deutlich mehr Zeit in Anspruch nehmen und eventuell
weniger Details erfassen. Darüber hinaus ist auch eine Kombination der hier untersuchten
Methodik und klassischen Verfahren möglich. So wäre zum Beispiel eine Verbesserung von
Interpolationskarten auf Basis von Messpunkten denkbar, indem Index- oder
Klassifizierungskarten, welche aus Daten luftgestützter, bildgebender Spektroskopie
errechnet wurden, als Drift (bzw. Trend) für das Universalkrigen dienen (Akin & Siemes,
1988; Robinson & Metternicht, 2006). Basierend darauf kann bei ausreichendem
Informationsgehalt
der
Aufnahmen
die
Gesamtzahl
an
bodenstationären
Probenahmepunkten reduziert werden ohne die Qualität des Ergebnisses nennenswert zu
beeinflussen (Drysdale et al., 2002). Neben Methoden der klassischen Geostatistik können
Datensätze der Fernerkundung und Daten aus Bodenproben auch durch geeignete
Algorithmen des maschinellen Lernens miteinander kombiniert werden (Li & Heap, 2011).
Darüber hinaus können die durch Fernerkundung erzeugten Karten dazu dienen die Güte
errechneter Interpolationskarten zu validieren.
9 GELÄNDEARBEIT
Im Rahmen dieses Projektes wurden Geländearbeiten an zwei Standorten durchgeführt
(Abbildung 9). Die Auswahl fiel hierbei auf das Dubringer Moor, südwestlich von
Hoyerswerda und den Bernsteinsee, östlich von Hoyerswerda.

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VITA-MIN
Abbildung 9: Übersichtskarte der Untersuchungsgebiete. Basiskarte von bing maps.
Im Falle des Dubringer Moores sollte speziell der Vincenzgraben untersucht werden
(Abbildung 10). In Folge des Passierens eines auflässigen Bergbaugebietes südwestlich des
Moores wurden erhöhte Konzentrationen von Nickel, Cadmium und Sulfaten festgestellt,
was mit einem niedrigen pH-Wert einhergeht. Das Ziel der Untersuchung war die
Fragestellung, ob diese bekannten Sachverhalte mittels luftgestützter, bildgebender
Spektroskopie sichtbar gemacht werden können. Hierfür wurde eine Fläche von maximal
0,37 km
2
beflogen.

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VITA-MIN
Abbildung 10: Kartenansicht des Dubringer Moores. Der rote Bereich kennzeichnet den
ungefähren beflogenen Bereich. Basiskarte von bing maps.
Für das zweite Testgebiet war bekannt, dass durch ein Gefälle des Grundwasseraquifers
zwischen Lohsa II und Bernsteinsee ein Zustrom von Grundwasser zu Letzterem erfolgt
(Abbildung 11). Weiterhin sind entlang des Ufers markante Eisenablagerungen erkennbar.
Ziel hierbei war eine Untersuchung des Grundwasserzustroms und des Eisengehaltes mit
Methoden der luftgestützten bildgebenden Spektroskopie.

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VITA-MIN
Abbildung 11: Kartenansicht des Bernsteinsees. Der rote Bereich kennzeichnet den
ungefähren beflogenen Bereich. Basiskarte von bing maps.
In jedem der beiden Gebiete erfolgten zwei Einsätze zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die
ersten Befliegungen fanden Ende August 2018, die Zweiten Ende Oktober 2018 statt. Für
alle
Geländearbeiten
erfolgte
der
Einsatz
von
UAS-gestützten
Multi-
und
Hyperspektralkameras. Während des ersten Geländeeinsatzes wurden für beide Gebiete
zusätzlich Daten mit einer Breitbandthermalkamera aufgezeichnet.
Die Wetterbedingungen im Sommer waren trocken und relativ windstill mit leichter
Bewölkung zu Beginn der Geländearbeiten. Im Herbst war es wolkig, teilweise leicht neblig,
böig-windig mit kurzem leichtem Niederschlag.
Die Wetterbedingungen am 21. August 2018 waren zum Zeitpunkt der Untersuchung beider
Gebiete nahezu windstill und wolkenlos, bei 25°C. Die suboptimalen Wetterbedingungen am
26. Oktober 2018 waren für die Befliegung des Bernsteinsees durch eine dicke
Wolkendecke, leichtem Nebel, einem böigen Wind und kurzem leichten Niederschlag, bei
10°C charakterisiert. Während der Befliegung des Dubringer Moores war es windig und
durchgehend bewölkt, ohne Niederschlag, bei 11°C.
Die zweite Geländearbeit war nötig, da davon ausgegangen werden musste, dass die
langanhaltende Trockenperiode im Sommer mögliche Effekte der zu untersuchenden Stoffe
überlagert. Darüber hinaus konnten so Änderungsdetektionen und zeitliche Vergleiche
durchgeführt werden. Für den Bernsteinsee kam hinzu, dass der Flugplan der ersten
Geländearbeit darauf abzielte einen möglichst großen Bereich aufzunehmen, weswegen
detaillierte Aufnahmen der Wassermischstelle mit der Hyperspektralkamera nicht realisiert
werden konnten.

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VITA-MIN
9.1
VERWENDETE UAS
9.1.1
SENSEFLY EBEE PLUS
Das eBee Plus Starflügel-UAS (Abbildung 12) wird bereits seit geraumer Zeit weltweit im
Vermessungswesen verwendet. Die eBee Plus ist besonders robust und transportiert die
Kameras in stabiler Fluglage entlang eines vorprogrammierten Fluglinienplans autonom. Das
Ziel der Luftaufnahmen wird vorher in eine Planungssoftware, wie dem Mission Planner
eingegeben. Dieses UAS wird im Zusammenspiel mit der Multispektralkamera und der RGB-
Kamera verwendet. Die maximale Flugzeit beträgt 55 Minuten. Bei einer Pixelauflösung von
2 cm - 3 cm kann in dieser Zeit etwa eine Fläche von 0,7 km
2
beflogen werden.
Abbildung 12: Sensefly eBee Plus. Bildeigentum Moritz Kirsch.
9.1.2
AIBOTIX AIBOT X6
Der Aibot X6 ist ein Hexakopter (Abbildung 13), welcher mit vorprogrammierten Flugpfaden
autonom fliegen kann. Das maximal zuladbare Gewicht beträgt 2 kg. In diesem Projekt wird
die Hyperspektralkamera an diesem UAS transportiert. Die maximale Flugzeit dieser Drohne
beträgt abhängig von der transportierten Last 10 - 15 Minuten pro Flug. Bei einer Flughöhe
von 40 m (Pixelauflösung ca. 3 cm) können in dieser Zeit ca. 5000 m
2
abgedeckt werden.
Die Anzahl der maximalen Flüge ist abhängig von der Menge an zur Verfügung stehenden
Batterien, und der Einschätzung des Piloten.

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VITA-MIN
Abbildung 13: Hexacopter Aibotix Aibot X6 V2. Bildeigentum Moritz Kirsch.
9.1.3
DJI INSPIRE 2
Dieser Quadrokopter (Abbildung 14) stammt aus dem kommerziellen Bereich der Film-UAS.
Die leichte, vollautomatisch oder manuell operierbare Drohne leistet eine maximale Flugzeit
von 27 Minuten und transportiert die FLIR Thermalkamera.
Abbildung
14:
Quadcopter
DJI
inspire
II.
Bild
bearbeitet
nach:
https://www.dji.com/de/inspire-2
,
letzter Zugriff 28.11.2018
9.2
VERWENDETE KAMERAS
Die zwei wichtigsten Sensoren zur Erfassung von spezifischen Indikatoren mit Bezug zu
Tagebaurestseemonitoring sind eine Hyperspektralkamera der Marke Rikola, Senop Oy,

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Finnland, eine Multispektralkamera Parrot Sequoia, sowie eine Breitbandthermalkamera
FLIR VUE PRO 640 (Tabelle 4).
9.2.1
RIKOLA HYPERSPEKTRALKAMERA
Die Rikola Kamera wird mit einem Multikopter mit 6 Rotoren transportiert (Abbildung 15).
Die Kamera erfasst hyperspektrale Datensätze (Hypercubes) aus der Position unter der
Drohne. Ein solcher Hypercube besteht aus einem Bildstapel von 50 Einzelbildern oder
Bändern. Jedes Band hat jeweils eine räumliche Komponente in X- und Y-, sowie einen
Helligkeitswert (bzw. Energiewert) in Z-Achse für jeweils eine Wellenlänge des jeweiligen
Spektralbereich. Die Rikola Kamera bietet eine Flugauflösung von 1010 x 648 Pixel. Bei 50
m Abstand des Sensors zum Ziel ergeben sich räumliche Auflösungen von 3 – 4 cm
Kantenlänge pro Pixel. Die spektralen Aufnahmebereiche der Kamera lassen sich in
gewissen Rahmen von 500 – 900 nm des elektromagnetischen Spektrums frei wählen. Im
Flugbetrieb sind Einstellungen von 20 – 80 Bändern möglich. Bewährt hat sich die
Einstellung von 50 Bändern bei 8 nm Bandabstand, was ein akzeptables Signal–Rausch
Verhältnis ergibt. Ein so aufgenommener Hypercube hat nach der Postprozessierung eine
Dateigröße von 80 – 100 Mb.
Die Fabry-Perot Technik (Makelainen et al., 2013) der Kamera ermöglicht die flexible
Einstellung der spektralen Eigenschaften und damit die Bandposition im Bereich eines
Nanometers.
Eine hyperspektrale Befliegung eignet sich insbesondere für Flächen mit ausgeprägten
mineralischen Oberflächenmerkmalen (z.B. eisenreiche Mineralkrusten).
Abbildung 15: a: Hexakopter Aibotix Aibot x6v2 transportiert die Rikola Kamera; b: Beispiel
Kalibrierungspanel
in
Weiß
und
Grau
(Spectralon©
Referenz–Ziel);
c:
Rikola
Hyperspektralkamera
mit
einer
Länge
von
10
cm
(http://senop.fi/optronics-
hyperspectral).

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VITA-MIN
9.2.2
PARROT SEQUOIA
Als zweite Option lässt sich eine Multispektralkamera, die Parrot Sequoia (Abbildung 16),
modular in die eBee einsetzen. Diese Kleinformatkamera wird anstatt der Canon vor allem
für Vegetationskartierung benutzt. Die Kamera benutzt 4 separate Bänder (Grün, Rot, Red-
Edge und Nah-Infrarot) sowie einen RGB Sensor.
Abbildung
16:
Parrot
Sequoia
Multispektralkamera.
Bild
bearbeitet
nach:
https://www.parrot.com/business-solutions-de/parrot-professional/parrot-sequoia.
Letzter Zugriff 28.11.2018
9.2.3
FLIR VUE PRO 640
Diese Breitband-Thermalkamera (Abbildung 17) gibt einen gemittelten Wert aller
Intensitäten in einem Bereich zwischen 7500 – 13500 nm zurück. Die Werte entsprechen
keinen absoluten Temperaturwerten, aber lassen Rückschlüsse über die relative
Wärmeverteilung im Bild zu.

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Abbildung 17: Die FLIR VUE PRO 640 Breitbandthermalkamera. Bild bearbeitet nach
https://www.flir.de/products/vue-pro/
.
Letzter Zugriff 28.11.2018
Tabelle 4: Technische Daten der in dieser Studie verwendeten Kameras
Parameter
Senops Rikola HSI
FLIR VUE PRO 640
Parrot Sequoia
Spektralbereich
504 nm – 900 nm
7500 nm – 13500 nm
RGB , 550, 650, 735,
790 nm
Gewicht
720 g
198 g
72 g
Sensor
CMOS
Vox Bolometer
CMOS
Bildrate
Variabel
7,5 Hz – 8,3 Hz
1 Bild/Sekunde
Maximale
Bilddimension
1010 x 1010 Pixel
Boden
1010 x 624 Pixel Luft
336 x 256 Pixel
1,2 MPix
Bodenauflösung
6,5 cm bei 100 m Höhe
Ca. 40 cm bei 100 m
Höhe
10 cm bei 100 m Höhe
Belichtungszeit
0,12 – 3000 ms
-
-
Brennweite
~ 9 mm
6,8 mm und 9 mm
30 mm
Sichtfeld vertikal/
horizontal
36,5°/ -36,6°
45° x 35° und 34° x
26°
-
Lichtstärke (Blende)
~
f
/2,8
-
Spektrale Bänder
~ 380*max/50 im
autonomen Modus
(VIS-NIR)
1
4 (Grün, Rot, Red-
Edge, NIR)

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VITA-MIN
9.3
DATENAUSWERTUNG
9.3.1
DUBRINGER MOOR
Die durchgängige Vegetationsdecke lässt eine Untersuchung des Bodens mit Methoden der
luftgestützten bildgebenden Spektroskopie nicht zu. Darüber hinaus lässt der hier
betrachtete Bereich des elektromagnetischen Spektrums keine Aussagen über das
Vorhandensein von Schwermetallen zu. Auch der Graben selbst war aufgrund von
Baumkronen nicht sichtbar, weswegen eine Analyse von relativen Eisengehalten nicht
möglich war.
Aus diesem Grund wurde als Proxy für schädliche Substanzen die relative
Chlorophyllaktivität der Vegetation untersucht, um möglichen, schadstoffinduzierten
Vegetationsstress sichtbar zu machen. Ein bewährtes Verfahren der Fernerkundung hierfür
ist die Berechnung des „Normalized Difference Vegetation Index“. Hierzu wurden
multispektrale Daten vom gesamten Gebiet, und hyperspektrale Daten in Streifen, welche
orthogonal zum Vincenzgraben verlaufen aufgenommen und auf Chlorophyllaktivität
untersucht.
Normalized Difference Vegetation Index
Der Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) macht sich die charakteristische
Eigenschaft von Pflanzen, genauer des Chlorophylls, zu Nutze, elektromagnetische
Strahlung in einem Wellenlängenbereich von ca. 600 nm bis 700 nm (Rot) größten Teils zu
absorbieren und Wellenlängen von 700 nm bis 1300 (NIR) nm zu reflektieren. In einem
typischen Reflektanzspektrum einer Pflanze findet sich ein deutlicher Anstieg der Intensität
zwischen diesen Bereichen. Die Formel zur Berechnung dieses Anstieges lautet:
=
(
)
(
+
)
Durch die Normalisierung liegen die Werte des NDVI zwischen -1 und 1. Erfahrungsgemäß
zeigt eine dichte Vegetation mindestens einen Wert > 0,3. Da die zugrundeliegenden
spektralen Eigenschaften auf das Chlorophyll zurückzuführen sind, kann der NDVI
Rückschlüsse auf die Vitalität, bzw. den Stress der Pflanze geben (Rouse et al., 1973).
Der direkte Vergleich des an den multispektralen Daten errechneten NDVI zeigt allgemein
für den Sommer (Abbildung 18) eine höhere Varianz als für den Herbst (Abbildung 19). Im
Sommer können deutlich Bereiche mit gesunder zu Bereichen mit stark gestresster
Vegetation abgegrenzt werden. Im Gegenzug dazu zeigen viele, im Sommer vitale Bereiche
eine leichte Verschlechterung im Herbst und im Sommer stark gestresste Bereiche zeigen
mitunter Anzeichen von Erholung (Abbildung 20).

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VITA-MIN
Abbildung 18: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Dubringer Moores zum
Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.

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VITA-MIN
Abbildung 19: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Dubringer Moores zum
Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018.

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Abbildung 20: Differenz der NDVI von Sommer - Herbst. Blaue Bereiche zeigen
Verbesserungen der Chlorophyllaktivität, während rote Bereiche Verschlechterungen
zeigen.
Der NDVI wurde sowohl für multi- als auch für hyperspektrale Daten errechnet (Abbildung
21). Ein Vergleich dieser Werte zeigt eine Korrelation von 78% (Spearman-
Korrelationskoeffizient).

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Abbildung 21: Korrelation der NDVI-Werte zwischen Sequoia Multispektralkamera und
Rikola Hyperspektralkamera.
Die Analyse der Biovitalität in Abhängigkeit von der Entfernung zum Vincenzgraben wurde
an den Hyperspektralaufnahmen durchgeführt (Abbildung 22). Die Daten wurden analysiert,
indem sechs swath-Profile (Andreani et al., 2018) mit 20 m Breite und einem
Probennahmeabstand von 2 m relativ mittig in die Streifen gelegt wurden. Als zu
analysierender Parameter wurde der NDVI bestimmt. Diese Streifen zeigen die minimalen
und maximalen Werte, welche sich pro Messstelle im Korridor befinden (Abbildung 23).

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Abbildung 22: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Rikola
Hyperspektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Dubringer Moores zum
Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018.

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Abbildung 23: Dargestellt sind die swath-Profile über den NDVI-Werten, aufgenommen mit
der Rikola Hyperspektralkamera.
Im ersten Profil ist zu erkennen, dass in durchgängig mit Vegetation bedeckten
Bereichen, keine ausgeprägten Unterschiede in den Trends von Minimal- und
Maximalwerten vorhanden sind. Die höchsten Varianzen sind zum einen direkt im
Graben und zum anderen am äußerst linken Bereich des Profils. Darüber hinaus
zeigen Minimum- und Maximumkurve erhöhte Werte direkt angrenzend an den
Graben. Die Minimumlinie zeigt mit steigender Entfernung zum Graben eine leichte
Abschwächung der Unterschiede. Die Maximumlinie lässt einen schwachen Anstieg
von beiden Seiten hin zum Graben vermuten.
Profil zwei zeigt zwei Minima in der Linie der Minimumwerte. Das kleinere der
beiden Minima, welcher dem Vincenzgraben entspricht, kann auch in der

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Maximumlinie erkannt werden. Wie im ersten Profil kann auch hier ein Anstieg des
NDVI hin zum Graben an der Maximumkurve erkannt werden. Das zweite
Minimum wird durch den Weg hervorgerufen.
In Profil drei ist im Gegensatz zu den ersten beiden ein erhöhter Kontrast zwischen
Minimum und Maximum zu verzeichnen. Das ausgeprägte Minimum der rechts im
Profil korreliert mit dem Graben. Der breite Bereich mit hoher Diversität entspricht
dem Bereich des Weges. Erneut ist der Anstieg der Maxima hin zum Graben
erkennbar.
Das ausgeprägte Minimum in Profil vier entsteht durch Lücken in den Aufnahmen.
An dieser Stelle liegt auch der Vincenzgraben. Der Graben selbst ist nicht
erkennbar, jedoch die direkt angrenzende Vegetation. Hier ist de ansteigende
Trend zum Graben hin in minimalen und maximalen Werten zu erkennen.
Wie schon in Profil vier besteht auch in Profil 5 eine Fehlstelle direkt im Graben.
Ebenso lässt sich auch hier in abgeschwächter Form der Anstieg des NDVI hin zum
Graben, sowohl in der Minimum- als auch in der Maximumlinie, erkennen.

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In Profil sechs sind zwei Fehlstellen zu erkennen. Im Bereich der am weitesten
rechts gelegenen befindet sich der Weg und der Graben. Rechts dieser Fehlstelle
befindet sich ein Teich. Hier lässt sich ein schwacher Trend erkennen, welcher wie
schon vorher durch leicht erhöhte Durchschnittswerte direkt am Graben
charakterisiert ist.
Die mittels Thermalkamera aufgenommenen Daten lassen keine Rückschlüsse auf
Schwermetallkontaminationen oder Chlorophyllaktivität zu (Abbildung 24). Die erkennbaren
Nord-Süd gerichteten streifenartigen Strukturen sind zum Großteil ein Effekt der
dynamischen Kalibrierung dieser Kamera.
Abbildung 24: Orthophoto der Aufnahmen der Thermalkamera des Dubringer Moores.

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MNF:
Minimum Noise Fraction Rotation nach Green et al. (1988).
Ein
Verfahren
zur
Dimensionsreduktion,
ähnlich
der
Hauptkomponentenanalyse, bei gleichzeitiger Dekorrelation des
Rauschens.
9.3.2
BERNSTEINSEE
Die im Sommer aufgenommenen Daten umfassen multispektrale, hyperspektrale und
thermale Daten. Während der zweiten Geländearbeit im Herbst wurden multi- und
hyperspektrale Daten aufgenommen.
Ein auffälliges Merkmal des Sees waren Eisenablagerungen entlang des Ufers. Die Flugpfade
wurden folglich optimiert einen möglichst langen Küstenstreifen aufnehmen zu können.
Des Weiteren erkennt man in den Sommer-Aufnahmen eine deutliche Vermischung zweier
Gewässer an der Eintrittsstelle des Wassers von Lohsa II. Diese Vermischung wurde
daraufhin mittels MNF-Rotation und Eisenindex untersucht. Dieser Index wurde zum einen
auf die gesamte Szene und zusätzlich auf den isolierten Gewässerkörper angewendet. Des
Weiteren wurde die Vegetation mittels NDVI auf Stress untersucht. Für die Aufnahmen
der zweiten Geländearbeit wurden die gleichen Arbeitsschritte angewendet um einen
zeitlichen Vergleich zu haben.
Erste Geländearbeit Sommer 2018:
Trotz der lang anhaltenden hohen Temperaturen und des geringen Niederschlages zur Zeit
der ersten Geländearbeit zeigt sich ein einheitliches Bild, welches auf eine normale Vitalität
der Vegetation vermuten lässt. In der Wassereintrittsstelle des Wassers von Lohsa II ist der
NDVI höher als im Rest des Sees (Abbildung 25).

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Abbildung 25: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt
der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.
Zweite Geländearbeit Herbst 2018:
Im Herbst zeigen sich Unterschiede des NDVI was mit der saisonalen Variation des
Chlorophyllgehaltes einhergeht (Abbildung 26). Die Vegetation entlang des Ufers und einige
Teile im Zentrum der Aufnahme zeigen höhere Werte, was für gewöhnlich mit erhöhter
Chlorophyllaktivität und somit mit erhöhter Vitalität einhergeht. Die niedrigen Werte im
Südwesten der Szene werden bei der Interpretation außer Acht gelassen da es nicht
ausgeschlossen werden kann, dass es sich hier um Streuungseffekte handelt.

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Abbildung 26: Falschfarbendarstellung des NDVI, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt
der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018.
Eisenindex
Eisenminerale sind im VNIR durch mindestens eine charakteristische Absorption
gekennzeichnet. Allen Eisenoxid- und -hydroxidmineralen gemein ist ein Absorptionsfeature
bei etwa 900nm, verursacht durch die Anwesenheit von zweiwertigem Eisen in einer
kristallinen Matrix. Ein zusätzliches Reflektanzminimum bei 650 nm wird durch den
Ladungstransfer von dreiwertigen zu zweiwertigem Eisen verursacht und tritt bei Fe
3+
tragenden Minerale wie z.B. Goethit (FeOOH) auf (Hunt & Ashley, 1979).
Das Absorptionsminimum bei 900nm ist im Allgemeinen breit ausgeprägt und verursacht ein
Absinken der Reflektanz bereits ab etwa 730 nm. Der ab diesem Bereich zu beobachtende
negative Anstieg kann genutzt werden, um einen Hinweis auf die Anwesenheit von
Eisenmineralen zu erhalten. Im Falle der Multispektralkamera Sequoia ist die Berechnung
über das Verhältnis zwischen den beiden Bildkanälen bei 735 nm und 790 nm möglich. Die
Berechnung des vergleichsweise schmalen Minimums bei 650 nm ist aufgrund der breiten
Wellenlängen-Verteilung der Sequoia-Bildkanäle nicht realisierbar (Townsend, T. E.,
1987). Aus diesem Grund wird für diese Kamera der negative Anstieg ab 730 nm als Proxy
genutzt.
Für die Aufnahmen im Sommer (Abbildung 27) und Herbst (Abbildung 28) wurden jeweils
die Eisenindizes der gesamten Aufnahme und nur für die Gewässerfläche berechnet. Für die
Ergebnisse der Gesamtfläche lassen sich in Sommer und Herbst die erhöhten Werte entlang
der Uferlinie als schmaler Saum erkennen. Diese Eisenausfällungen konnten auch im

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Gelände erkannt werden. Die stark erhöhten Werte des Gewässers im Vergleich zur
Landmasse können nicht direkt mit einander verglichen werden, da der hier verwendete
Eisenindex nur den negativen Anstieg hin zum charakteristischen Minimum, und nicht
Absolutwerte vergleicht, welche für Wasser aufgrund der absorbierenden Eigenschaften
deutlich geringer sind. Betrachtet man die Indizes der Gewässerfläche, so sind deutliche
Unterschiede zwischen Sommer und Herbst zu erkennen.
Abbildung 27: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt
der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.

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Abbildung 28: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht des Bernsteinsees zum Zeitpunkt
der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018.
Die Vermischungsstelle des Bernsteinsees mit dem Wasser von Lohsa II zeigt starke
Unterschiede im relativen Eisengehalt (Abbildung 29). Das Wasser von Lohsa II zeigt
niedrige Werte, welche sich scharf von den höheren Werten des Bernsteinsees abgrenzen
lassen. Allgemein zeigen die Indexwerte der Herbst-Aufnahmen niedrigere Absolutwerte, als
die Aufnahmen der ersten Untersuchung (Abbildung 30).

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Abbildung 29: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht der Wasserfläche des Bernsteinsees
zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.

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Abbildung 30: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht der Wasserfläche des Bernsteinsees
zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im Herbst 2018. Die relativen Werte zeigen eine
geringere Varianz als im Sommer. Die Absolutwerte des Eisenindex sind ebenfalls geringer.
MNF Bernsteinsee
Die Analyse der mittels MNF-Rotation erzeugten Hauptkomponenten zeigt ein ähnliches Bild
wie die Eisenindizes der Gewässer. Für den Sommer ist eine Mischung von zwei Gewässern
mit unterschiedlicher spektralen Charakteristika erkennbar (Abbildung 31). Für den Herbst
ist diese ausgeprägte Mischung nicht mehr erkennbar (Abbildung 32). Dennoch lassen sich
leichte Unterschiede zwischen dem Zustrom und der offenen Gewässerfläche erkennen.

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Abbildung 31: Falschfarbendarstellung des MNF, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht der MNF-Bandkombination R:1, G:2,
B:3 der Wasserfläche des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im
Sommer 2018.

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Abbildung 32: Falschfarbendarstellung des MNF, aufgenommen mit der Sequoia
Multispektralkamera. Dargestellt ist eine Kartenansicht der MNF-Bandkombination R:1, G:2,
B:3 der Wasserfläche des Bernsteinsees zum Zeitpunkt der zweiten Geländearbeit im
Herbst 2018.
Hyperspektraldaten
Ein Fe
3+
Index, angepasst auf hyperspektrale Daten, wurde auf die Aufnahmen der Rikola
angewendet (Abbildung 33). Wie schon in der Multispektralszene lassen sich dadurch
verschiedene Wassermassen unterscheiden. Zusätzlich wurden drei Spektren aus der
Hyperspektralszene von der Eisenausfällung im Uferbereich (Abbildung 34), des Wassers
des Bernsteinsees und des Wassers von Lohsa II dargestellt (Abbildung 35). Beim direkten
Vergleich der beiden Wasserspektren lässt sich erkennen, dass die von Lohsa II zugeführten
Wassermassen eine durchweg verringerte Reflektanz, besonders aber im Bereich von
500 nm bis 750 nm, aufweisen.

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Abbildung 33: Falschfarbendarstellung des Eisenindex, aufgenommen mit der Rikola
Hyperspektralkamera.
Dargestellt
ist
eine
Kartenansicht
der
Wasserfläche
des
Bernsteinsees zum Zeitpunkt der ersten Geländearbeit im Sommer 2018.
Abbildung 34: Dargestellt sind ausgewählte Spektren von Pixeln des Mündungsbereich des
Wassers von Lohsa II in den Bernsteinsee, aufgenommen mit der Hyperspektralkamera.
Man erkennt, dass die Formen der beiden Spektren nahezu identisch sind, jedoch das
Wasser von Lohsa II durchgehend höhere absorbierende Eigenschaften aufweist, was sich
besonders stark in dem Wellenlängenbereich von 500 nm bis 750 nm, ausprägt.

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Abbildung 35: Dargestellt ist das Spektrum eines mit der Hyperspektralkamera
aufgenommenen Pixels im Bereich der Eisenablagerungen am Uferbereich. Man erkennt
deutlich den negativen Anstieg des Spektrums, beginnend bei 850 nm, was eventuell durch
zweiwertiges Eisen begründet sein könnte. Des Weiteren ist ein kleineres Plateau bei ca.
600 nm, zu erkennen, welches möglicherweise durch den Übergang von Eisen(II) zu
Eisen(III) zu erklären ist.
Breitbandthermaldaten
Zusätzlich zu multi- und hyperspektralen Daten wurden die Wassermischungen mit
Thermaldaten analysiert. Es zeigt sich ein leichter Temperaturunterschied zwischen den
Gewässern von Bernsteinsee und Lohsa II (Abbildung 36).
Abbildung 36: Dargestellt ist ein Thermalbild des Mündungsbereich des Wassers von Lohsa
II in den Bernsteinsee. Ein leichter Temperaturunterschied der Gewässer ist erkennbar.

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9.3.3
DISKUSSION
9.3.3.1
FEHLERANALYSE
Flugroute
Wie am Beispiel der ersten Geländearbeit zu erkennen ist, muss der Flugplan auf eine
konkrete Fragestellung angepasst werden. Während des ersten Geländetests lag der Fokus
auf den Eisenausfällungen am Ufer, was dazu führte, dass ein Flugplan erstellt wurde,
welcher das Ziel hatte ein möglichst großes Gebiet entlang des Ufers aufzunehmen. Im
Gegensatz dazu stand die Fließgeschwindigkeit am Zustrom. Eine Optimierung hinsichtlich
einer schnellen Aufnahme des Deltabereiches, wie es während der zweiten Geländearbeit
erfolgte, resultiert in einer geringeren Gebietsabdeckung pro Flug, zugunsten einer besseren
Analysierbarkeit der Wassermischung.
Rauschen
Die Aufnahmen der zweiten Geländearbeit zeigen für multi- und hyperspektrale Daten ein
niedrigeres Verhältnis von Signal zu Rauschen, was hier besonders starken Einfluss auf die
Gewässeranteile der Aufnahme hat. Dies kann vermutlich auf die Wetterbedingungen an
diesem Tag und den zu dieser Jahres- und Tageszeit niedrigen Sonnenstand zurückgeführt
werden. Jene Umstände äußern sich besonders in einem Verlust von Signalintensität durch
verminderte Lichteinstrahlung sowie eine starke Streuung des Signals, was sich besonders
auf die Wasseroberfläche auswirkt. Zusätzlich könnten vom Wind induzierte Wellen kleiner
Amplitude in den Aufnahmen als Rauschen dargestellt werden. Eine Möglichkeit zur
Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses könnte eine BRDF-Korrektur (Nicodemus et
al., 1977) sein, welche die reflektierte Strahlung dahingehend korrigiert, dass Einflüsse von
Material, Geometrie und Lichteinfallswinkel verringert werden. Dies ist jedoch mit
erheblichen Aufwand verbunden und erfordert spezielle Messungen. Eine solche Korrektur
wurde in diesem Fall als nicht sinnvoll erachtet, da aufgrund der komplexen zu
simulierenden
Parameter,
wie
z.B.
dem
Wellenverhalten
und
wechselnden
Belichtungsverhältnissen, keine deutliche Verbesserung erwartet wurde.
Vergleich der verwendeten Multi- und Hyperspektralkamera
Das Korrelationsergebnis zwischen Sequoia und Rikola kann zum einen mit den
unterschiedlichen Bandbreiten und zum anderen mit der Koregistrierung der Pixel
zusammenhängen. Während die Rikola eine Hyperspektralkamera mit hier 8 nm Bandbreite
ist, wird für die Sequoia als Multispektralkamera ein Mittelwert über einen größeren
Wellenlängenbereich gebildet. Sollten die Pixel der zwei Aufnahmen nicht absolut
deckungsgleich sein, stellen die jeweiligen Pixel Mischungen von leicht unterschiedlichen
Komponenten dar. Eine räumliche Abweichung würde somit eine leichte Verschlechterung
der Korrelation bewirken.
9.3.3.2
EINFLUSS DES VINCENZGRABENS AUF DAS DUBRINGER MOOR
Die hohe Diversität in den NDVI-Werten der Aufnahmen vom Sommer sind mit hoher
Wahrscheinlichkeit auf Vegetationsstress in Folge der langanhaltenden Trockenheit
zurückzuführen. Dies wird durch die Tatsache verstärkt, dass Pflanzen wie Schilf extrem
niedrige Werte aufwiesen und andere Gräser einer Art in der Nähe von Gräben eine leicht
erhöhte Vitalität zeigten, als deren Artgenossen, welche weiter von potentiellen
Wasserspeichern entfernt waren. Die im Herbst gemachten Aufnahmen zeigen im Vergleich
dazu ein Bild der Erholung. Einige Bereiche welche im Sommer durch Wassermangel

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starkem Stress ausgesetzt waren, zeigen jetzt höhere Werte. Dem gegenüber steht der
saisonale Rückgang von Chlorophyll in den Pflanzen. Wie in den Profilen erkennbar, zeigt
der Vincenzgraben einen minimalen Einfluss auf die ihn umgebende Vegetation. Mit den hier
verwendeten Methoden scheint dieser Einfluss, während Trockenperioden, jedoch positiver
Natur zu sein, da durch die vergleichsweise konstante Bereitstellung von Wasser die
unmittelbar angrenzende Vegetation erhöhte NDVI-Werte aufweist, was im Allgemeinen
erhöhte Vitalität bedeutet.
9.3.3.3
WASSERMISCHUNG IM BERNSTEINSEE
Die Wassermischungen am Zustrom von Lohsa II in den Bernsteinsee zeigten im Sommer
deutliche Unterschiede im Eisenindex und kleinere Unterschiede im NDVI. Wassermassen
mit niedrigen relativen Eisenwerten korrelierten mit leicht erhöhten NDVI-Werten und
umgekehrt. Dies könnte bedeuten, dass zu diesem Zeitpunkt höhere Eisengehalte im
Bernsteinsee als in Lohsa II zu verzeichnen waren. Umgekehrt deutet der erhöhte NDVI
nicht zwingend darauf hin, dass im Wasser von Lohsa II ein erhöhter Anteil an Chlorophyll
bestand, da die absoluten Werte dennoch deutlich unter den Werten der restlichen
Vegetation liegen. Die Abwesenheit dieser markanten Unterschiede im Herbst könnte auf
verschiedene
Ursachen
zurückzuführen
sein.
Denkbar
wären
zum
einen
Temperaturunterschiede der Gewässer welche zu den erkannten scharfen Grenzen führten
was sich an Aufnahmen der Thermalkamera zeigt. Im Falle einer Kalkbehandlung des Sees
würde sich der pH-Wert ändern was sich auch auf eine Senkung des Eisengehaltes
auswirken könnte. Ebenso ist eine Vermischung der beiden Wassermassen durch Wind
denkbar. Während der Zeit der ersten Geländearbeit, wie auch die Tage zuvor war es im
Vergleich
zur
zweiten
Geländearbeit
deutlich
windstiller.
Aufgrund
von
Sicherheitsbestimmungen war es nicht möglich Gewässerproben zu entnehmen um einen
möglichen Einfluss des pH-Wertes zu ermitteln.
9.3.3.4
FAZIT DER GELÄNDEARBEIT BEZOGEN AUF DIE AUFGABENSTELLUNG
Bernsteinsee:
Die grundsätzlichen Fragestellungen in diesem Gebiet waren:
Lückenlose Detektierbarkeit der Wasser- und Landflächen
Detektion des Wasserzutritts von Lohsa II, sowie des Grundwasserzutritts
Detektion von Stoffgehalten, darunter besonders Eisen, Chlorophyll und Sulfat
Lückenlose Detektion von Wasser- und Landflächen:
Land
Über Landflächen konnten mit allen verwendeten Kameras lückenlose Aufnahmen getätigt
werden, welche sich zur Weiterverarbeitung zu mosaikierten Orthophotos eignen.
Wasser
Über Wasserflächen waren nur die Multispektral- und Thermalkamera in der Lage
Aufnahmen zu tätigen, welche zu Orthophotos weiterverarbeitet werden konnten. Jedoch
konnten weiterführende Analysen des Orthophotos nur mit der Multispektralkamera
durchgeführt werden, da die intrinsische dynamische Kalibrierung der Thermalkamera die
Ergebnisse verzerrt. Für die Hyperspektralkamera ergaben sich zu hohe zeitliche Differenzen
bei der Aufnahme des sich bewegenden Mediums, was ein Mosaikieren nicht möglich

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machte. Die RGB-Kamera zeigt Lücken und Fehlzuordnungen beim Versuch einer
Mosaikierung.
Detektion des Wasserzutritts von Lohsa II, sowie des Grundwasserzutritts
Im Bernsteinsee konnte die Mischungsstelle der Gewässer grundsätzlich mit allen Kameras
erkannt werden. Das beste Ergebnis lieferte hier die Multispektralkamera, da durch das
Generieren eines lückenlosen Orthophotos die Ausbreitung gut erkennbar war. Die
Thermalkamera detektierte leichte Temperaturunterschiede zwischen den unterschiedlichen
Wassermassen. Multi- und Hyperspektralkamera konnten die Mischungen sowohl über MNF-
als auch über Eisenindexanalysen sichtbar machen.
Detektion von Stoffen
Chlorophyll
Rückschlüsse auf die Chlorophyllaktivität lassen sich besonders detailliert mit der
Hyperspektralkamera, in gewissem Umfang aber auch mit der Multispektralkamera, ziehen.
Mit RGB-Aufnahmen kann keine detaillierte Chlorophyllaktivität abgeschätzt, lediglich
Grünflächen erkannt werden. Die Thermalkamera ist nicht in der Lage Chlorophyll zu
messen.
Eisen
Mit der Hyperspektralkamera lassen sich relative Konzentrationen von Fe
2+
und Fe
3+
kartieren. Die Multispektralkamera kann relative Konzentrationen von Fe
2+
kartieren. Eine
RGB-Kamera ist nicht in der Lage Eisen zu detektieren.
Sulfat
Sulfate sind generell mit Methoden der Spektroskopie detektierbar, sobald sie sich als
mineralische Sulfate äußern (z.B. Gips oder Jarosit). Detektierte Sulfatminerale dienen
somit als Proxies für die vorherrschende Sulfatkonzentration.
In den untersuchten Gebieten wurden keine Sulfate detektiert.
Allgemein ist keine der verwendeten Kameras in der Lage absolute Konzentrationen der
besagten Elemente und Verbindungen zu messen.
Dubringer Moor
Die verwendeten Methoden sind nicht in der Lage Schwermetallkonzentrationen zu messen.
Da das Gebiet durchweg von Vegetation bedeckt war, konnte nur diese als Proxy für das
Vorhandensein von ökotoxischen Substanzen analysiert werden. Es konnte kein erhöhter
Vegetationsstress entlang des Vincenzgrabens festgestellt werden. Aufgrund der
diesjährigen Trockenheit schien der Einfluss des Grabens als Wasserlieferant positiver Natur
zu sein.

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- EINSATZ ALTERNATIVER TECHNOLOGIEN -
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10
EINSATZ ALTERNATIVER TECHNOLOGIEN
10.1 LIDAR ALS ALTERNATIVE ZU PHOTOGRAMMETRIE
Alternativ zu Photogrammetrie können 3D-Oberflächenmodelle mittels UAS-gestütztem
LiDAR System generiert werden. Mit einer Multi-Echo Auswertung pro Lasermessung lässt
sich z.B. die Vegetation in bewaldeten Terrain durchdringen und so Baumkronen von
Erdboden unterscheiden. Dies ist ein Vorteil gegenüber traditioneller Photogrammetrie, der
jedoch zu einem wesentlich höheren Kostenfaktor erkauft wird. Des Weiteren sind die per
LiDAR generierten Punktwolken ohne Farbinformation und nicht unbedingt besser aufgelöst
im Vergleich zu photogrammetrisch generierten Punktwolken. Ob LiDAR oder
Photogrammetrie genutzt werden soll, muss auch anhand der Problemstellung entschieden
werden.
10.2 RGB LIDAR ALS ALTERNATIVE ZUR DETEKTION VON 900 NM
ABSORPTIONEN
Ein LiDAR System arbeitet klassischerweise mit einem Laser in einer definierten
Wellenlänge, beispielsweise bietet der Yellowscan Mapper II den 900 nm (± 5 nm) Bereich
an. Der Laser-Detektor misst anschließend die Anzahl der zurückgesendeten Pulse und ihre
Intensität. Von der Intensität lassen sich Rückschlüsse auf die Absorptionsfähigkeit des
Oberflächenmaterials ziehen.
Eine Weiterentwicklung der bekannten LiDAR Systeme verwendet drei statt einem Laser
(Teledyne Titan). Die Frequenzbereiche der Laser des Systems liegen bei 532 nm, 1064 nm
und 1550 nm. Anhand der empfangenen Intensitäten lassen sich Informationen über die
Zusammensetzung der Oberfläche ableiten, zusätzlich zur topographischen Gegebenheit.
Man spricht daher auch von multispektralen LiDAR.
10.3 KLASSISCHE GEOPHYSIK
Zur Detektion von Grundwasserleitern sind die hier aufgezeigten Methoden nicht geeignet.
Als Alternative zu Bohrungen wären an dieser Stelle “klassische” Methoden der Geophysik
zu nennen. Bewährt in diesem Zusammenhang ist die Seismik, welche in der Lage ist
Schichtgrenzen, Störungen und Klüfte im Untergrund durch entsprechende Berechnungen
zu detektieren. Diese Methodik beruht auf Änderungen der Geschwindigkeiten von Wellen
im Untergrund, induziert durch materialabhängige akustische Impedanzen. Wellen können
Schichtgrenzen passieren, an ihnen entlang weiter ausbreiten oder an ihnen reflektiert
werden.
10.4 TRAGBARES
XRF ALS ALTERNATIVE ZU GEOCHEMISCHE VOLLANALYSE
Um einen schnellen ersten Überblick über vorhandene Elemente und deren ungefährer
Konzentration
in
Feststoffen
zu
bekommen,
kann
ein
handgehaltener
Röntgenfluoreszenzanalysator (hhXRF) verwendet werden. Dieses Gerät ist in der Lage
Elementkonzentrationen ab Milligrammbereich zu messen. Die gemessenen relativen

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- ENMAP UND REEMAP -
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Konzentrationen liefern erfahrungsgemäß verlässliche Ergebnisse. Die Güte der absoluten
Konzentrationen hängt von der Kalibrierung ab. Bei der Messung einer Elemente wie SEE
oder Gold ist allerdings Vorsicht bei der Interpretation geboten, da sich die
charakteristischen spektralen Eigenschaften mancher Elemente überlagern können und eine
verlässliche Auswertung erschweren. Idealer Weise sollte ein solches Gerät in Kombination
mit einer klassischen geochemischen Vollanalyse verwendet werden, welche genutzt wird
um die mit hhXRF gemessenen Werte zu anzupassen. Mit dieser Methode kann die Anzahl
an chemischen Analysen deutlich verringert werden.
11
ENMAP UND REEMAP
Im Rahmen dieser Studie sollte die Möglichkeit der Nutzung hyperspektraler Satellitendaten,
genauer der Missionen EnMap und REEMAP erörtert werden.
Das “Rare Earth Element Mapping Project”, kurz REEMAP, ist eine BMBF-geförderte Studie,
deren weitere Partner die Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe (BGR), das
Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches GeoForschungszentrum (GFZ), sowie die
Universität Potsdam umfasst. Ziel dieses Projektes ist eine Verbesserung der Methodik zum
Kartieren von seltenerdhaltigen Lithologien. Hierzu kommen bodengestützte hyperspektrale
Sensoren zum Einsatz, welche Wellenlängenbereiche von 400 nm bis 2500 nm und von
7700 nm bis 12500 nm aufzeichnen.
Die drei Testgebiete hierfür umfassen den Ulefoss Komplex in Norwegen, Norra Kärr in
Schweden und Steenkampskraal/ Schiel Komplex in der Republik Südafrika. Die Kampagne
startete am 31.12.2015 und endet voraussichtlich am 30.11.2018.
Da sich REEMAP auf spektrale Charakteristika von Seltenerdelementen bezieht, bringt es
keinen nennenswerten Gewinn für die Schwerpunkte dieser Studie. Des Weiteren handelt es
sich bei REEMAP um bodengestützte Messungen, wohingegen in dieser Studie vorrangig
luftgestützte Plattformen von Bedeutung sind. Jedoch bilden in situ-Messungen eine
geeignete Validierungsgrundlage für luftgestützte Aufnahmen, welche in Kombination mit
einer Befliegung aufgenommen werden können, sofern die Bedingungen dies zulassen.
Das Environmental Mapping and Analysis Program (EnMAP) wird vom Deutschen Zentrum
für Luft- und Raumfahrt (DLR) und dem Helmholtz-Zentrum Potsdam - Deutsches
GeoForschungszentrum (GFZ) betreut. Die Projektkoordination obliegt hierbei dem DLR und
die wissenschaftliche Leitung dem GFZ. Die auf fünf Jahre geplante Satellitenmission startet
voraussichtlich 2020. Der hyperspektrale Sensor detektiert
Signale in einem
Wellenlängenbereich von 420 nm bis 2450 nm in 242 Bändern mit Bandbreiten von 6,5 nm
für den VNIR-Bereich und 10 nm für den SWIR-Bereich. Die räumliche Auflösung wird bei
30 m pro Pixel liegen.
In einer 2014 veröffentlichten Studie zeigten Mielke et al. (2017) anhand von synthetisch
erzeugten Daten, dass EnMAP in der Lage sein wird Eisenverbindungen mit
charakteristischen Absorptionen um 900 nm mit hoher Genauigkeit zu kartieren. Als
Untersuchungsgebiete dienten die Bergbauregionen Witwatersrand (Republik Südafrika),
dessen Fokus auf der Goldgewinnung, und Bushfeld-Komplex (Republik Südafrika), dessen
Fokus auf Platingruppen-Elementen liegt. In beiden Fällen stellte sich die Absorption bei
900 nm als Proxy für Bergbaurückstände in diesem Gebiet heraus.

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- KOSTEN-NUTZEN-ANALYSE -
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Da der ENMAP-Satellit den VNIR- und SWIR-Bereich mit einer hohen spektralen Auflösung
aufnehmen soll, wären die resultierenden Daten theoretisch in der Lage verschiedene
charakteristische Minerale zu kartieren. Darunter wären zum Beispiel einige der in Kapitel 7
erwähnten Sekundärminerale, aber auch Karbonate und Aluminium-, Mangan- und
Eisenhydroxidverbindungen zu nennen. Dadurch wäre theoretisch eine Anwendung der in
Kapitel 4 gezeigten Detektion von Schwermetallen an Tonmineralen denkbar. Dem
gegenüber steht jedoch eine Pixelauflösung von 30 m x 30 m, was für die meisten Gebiete
nicht fein genug ist, da ein Pixel immer eine Mischung aus allen im Pixel vertretenen
Komponenten und deren Anteilen darstellt.
12
KOSTEN-NUTZEN-ANALYSE
Eine Quantifizierung der Kosten ist stark abhängig von der Fragestellung und damit
einhergehend, der zu verwendenden Kamera und der dafür ausgelegten UAV.
Einsteigermodelle mit RGB-Kameras, welche für Photogrammetrie verwendet werden
können sind mitunter schon für einige hundert Euro erhältlich. Für eine professionellere
Ausstattung ist mit deutlich höheren Kosten zu rechnen. Eine allgemeinverbindliche Angabe
kann an dieser Stelle nicht erfolgen, da das genaue Equipment abhängig von den
Anforderungen ist. Im Rahmen dieses Projektes kamen drei verschiedene Systeme zum
Einsatz: Ein UAS mit Multispektralkamera, ein UAS mit Hyperspektralkamera und ein UAS
mit Breitbandthermalkamera.
Für das multispektrale System wurde die Parrot Sequoia in Kombination mit der sensfly
ebee verwendet. Die Kosten der Kamera belaufen sich auf 4.500 € und die der Drohne auf
ca. 15.000 €.
Das hyperspektrale System besteht aus der Senop Oy Rikola Hyperspektralkamera - ca.
45.000 € - und dem Hexakopter Aibot X6 - ca. 40.000 €.
Das dritte System arbeitet im thermalen Infrarotbereich und bestand aus der UAV “DJI
Inspire 2” in Kombination mit der Kamera “FLIR VUE pro 640” mit einem Objektiv von 13
mm Brennweite. Die Kosten der Drohne belaufen sich auf ca. 5.000 Euro und die der
Kamera auf ca. 6.000 Euro.
Neben der Möglichkeit der Anschaffung eigener UAS und Sensorsysteme besteht die
Möglichkeit der Beauftragung an Firmen, welche UAS-Befliegungen als Dienstleistungen
anbieten. Da dieser Wirtschaftszweig noch relativ neu ist, sind den Autoren gegenwärtig nur
wenige Unternehmen dieser Art bekannt. Während ein stetig wachsender Anteil an
Ingenieurbüros den Einsatz von UAS zur effizienten Gestaltung von Vermessungstechniken
etabliert, verwenden noch vergleichsweise wenige Anbieter Kameras, wie sie in dieser
Studie verwendet werden. Die wahrscheinlich häufigste Anwendung im industriellen Sektor
finden Multispektralkameras, meist im Zuge landwirtschaftlicher Feldanalysen. Auch
Thermalkameras finden immer häufiger Anwendung. Hyperspektralkameras, welche für
detaillierte geowissenschaftliche Untersuchungen notwendig wären, sind in der freien
Wirtschaft nach wie vor selten vertreten. Dies könnte dadurch begründet sein, dass die hier
vorgestellten Methoden bislang auf Satelliten und Flugzeuge als Plattformen angewiesen
waren. Eine Beauftragung entsprechender Unternehmen zur Datenakquise für ausgewählte
Gebiete ist mit enormen finanziellen Aufwendungen verbunden. Der rapide technische
Fortschritt erlaubte Hyperspektralkameras immer kleiner und leichter zu werden, was

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- ZUSAMMENFASSUNG UND EMPFEHLUNG AUF GRUNDLAGE DIESER STUDIE -
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VITA-MIN
schließlich in einer Nutzung mit UAS resultierte. Es kann davon ausgegangen werden, dass
dieser Trend anhält und somit immer leistungsfähigere Leichtbau-Hyperspektralsensoren auf
dem Markt zu finden sein werden. Zusätzlich zu den genannten Gründen, sind Leichtbau-
Hyperspektralkameras, je nach Wellenlängenbereich und Sensorbauweise, mit hohen
Anschaffungskosten verbunden. Dies zeigt sich besonders bei Kameras, welche den SWIR-
Bereich und längere Wellenlängen abdecken. Aufgrund dieser Sachverhalte ist es derzeit
nicht möglich zu erwartende Durchschnittspreise anzugeben. Jedoch kann davon
ausgegangen, dass durch andauernden technischen Fortschritt, und allgemeine Akzeptanz
der Methodik vermehrt Dienstleistungsunternehmen dieser Art zu finden sein werden, was
zu einer Preisregulierung führen sollte. Unter Berücksichtigung der benötigten Infrastruktur
ist davon auszugehen, dass diese Preise unterhalb derer liegen sollten, welche mit einer
flugzeuggestützten Mission einhergehen. Zum gegenwärtigen Zeitpunkt wird für die zuvor
erwähnten bereits etablierten Anwendungen eine ungefähre Preisspanne ab ca. 150 € je
Stunde geschätzt. Der genaue Preis ist jedoch stark von den verwendeten Sensoren und der
erforderlichen Prozessierung abhängig.
Im Vergleich dazu ist eine Quantifizierung von flugzeuggestützten Missionen ähnlich
schwierig, da dies stark vom Anbieter, die Messtechnik und die jeweiligen örtlichen
Gegebenheiten abhängt. Aufgrund eigener Erfahrungen wird an dieser Stelle ein ungefährer
Wert von ca. 3.000 € je Stunde (inklusive Betriebs- und Nebenkosten) angenommen.
13
ZUSAMMENFASSUNG UND EMPFEHLUNG AUF GRUNDLAGE
DIESER STUDIE
Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie konnten aufgrund der Gegebenheiten in den
Testgebieten nicht alle Fragestellungen mit praktischen Beispielen bearbeitet werden.
Stellvertretend wurden hier Studien anderer Wissenschaftler hinzugezogen. Zunächst
werden die konkreten Fragestellungen mit den im Rahmen dieser Studie gesammelten
Informationen nach bestem Wissen und Gewissen beantwortet.
Lückenlose Aufnahme von Seen und Fließgewässern:
Die direkte Aufnahme der Daten kann mit allen verwendeten Kamerasystemen
lückenlos erfolgen. Dies wird durch automatisierte Flugpläne gewährleistet. Jedoch
waren nicht alle aufgenommen Daten geeignet Einzelbilder in ein mosaikiertes
Orthophoto zu überführen. Aus den Daten der Geländearbeiten konnten lückenlose
Mosaike nur aus Daten der Multispektral- und der Thermalkamera generiert werden.
Aufgrund dynamischer Kalibrierung der Thermalkamera ist der Informationsgehalt
jedoch kritisch zu betrachten. Für die Multispektralkamera ergab sich ein lückenloses
Gesamtbild auf dessen Basis weitere Analysen durchgeführt werden konnten.
Fließgewässer stellen eine besondere Herausforderung dar, da eventuell sichtbare
Merkmale sehr kurzlebig sind und bei entsprechender Fließgeschwindigkeit nicht als
Gesamtbild aufgenommen werden können. Die Grenze hierbei wird von der
Aufnahmerate und der Integrationszeit der verwendeten Kamera determiniert.
Detektion stofflicher Komponenten:
Von besonderem Interesse waren in diesem Zusammenhang Chlorophyll, Eisen und
Schwermetalle. Grundsätzlich können keine absoluten Konzentrationen gemessen
werden. Hingegen kann die relative Konzentration durch Vergleich der Intensitäten

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- ZUSAMMENFASSUNG UND EMPFEHLUNG AUF GRUNDLAGE DIESER STUDIE -
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VITA-MIN
einer verbindungs-spezifischen Absorption ermittelt und kartiert werden. Dies war
sowohl für Chlorophyll, bzw. dessen Aktivität, sowie Eisen(II) und Eisen(III) möglich.
Hierbei konnte die relative Chlorophyllaktivität sowohl mit multi-, als auch mit
hyperspektralen Daten kartiert werden. Gleiches gilt für Eisen(II). Eisen(III) war im
vorliegendem Fall nur mit einer Hyperspektralkamera möglich, da die spektrale
Auflösung der Multispektralkamera in diesem Bereich nicht fein genug war. Die
Detektion von Schwermetallen war nicht möglich, da diese zum einen meist nur im
Bereich von Spurenelementen auftreten und zum anderen der Wellenlängenbereich,
in welchem Proxies für das Vorhandensein von Schwermetallen auftreten, nicht zur
Verfügung stand.
Überwachung von Kippen:
Dieser Abschnitt gliedert sich in zwei Teile: die stoffliche Zusammensetzung und die
morphologische und geometrische Ausprägung. Der erste Teil wurde im vorherigen
Punkt „Detektion stofflicher Komponenten“ behandelt. Das morphologische
Erscheinungsbild einer Kippe lässt sich mittels photogrammetrischer Methoden digital
rekonstruieren. Die Genauigkeit der Rekonstruktion hängt neben der Qualität der
Daten und der Berechnung auch von der Güte zusätzlicher Vermessungstätigkeiten
am Boden ab. Bei ausreichender Datengrundlage kann die Geometrie der Kippe mit
Genauigkeit im cm-Bereich rekonstruiert werden.
Neben den allgemeinen Zielstellungen werden nun die konkreten Ergebnisse der
Geländearbeiten in Bezug auf die Fragestellungen zusammengefasst.
Im Rahmen dieser Machbarkeitsstudie konnten im Vincenzgraben mit den hier verwendeten
Methoden keine Schwermetalle detektiert, bzw. deren Konzentration gemessen werden. Es
zeigte sich, dass mittels des NDVI die Vitalität, bzw. der Vegetationsstress, welcher als
Proxy für toxische Substanzen eingesetzt wurde, schnell, einfach und flächendeckend
illustriert werden kann. Durch die hohe räumliche Auflösung konnte ein Einfluss des
Vincenzgrabens auf die umgebende Vegetation genau analysiert werden. Die zum Zeitpunkt
der Untersuchung anhaltende Trockenperiode hatte einen allgemein negativen Einfluss auf
die Biovitalität der Flora. Unter den gegebenen Umständen muss der Einfluss des
Vincenzgrabens als Wasserlieferant positiv betrachtet werden. Um mögliche negative
Auswirkungen
zu
kartieren,
müsste
eine
erneute
Studie
bei
günstigeren
Umweltbedingungen durchgeführt werden.
Für den ersten Einsatz im Testbereich Bernsteinsee konnte die Mischung zweier
Wassermassen mit Multispektral-, Hyperspektral- und Thermalkamera erkannt werden.
Darüber hinaus zeigte sich, dass diese Mischung ebenfalls anhand zweier unterschiedlicher
Eisenindizes, errechnet an multi- und hyperspektralen Daten, erkennbar war. Dies lässt
Unterschiede in den relativen Eisenverhältnissen zu. Eine Quantifizierung der
Konzentrationen ist nach derzeitigem Kenntnisstand nicht möglich.
Ein potenzieller Einsatz von hyperspektralen Satellitendaten, wie EnMAP, wird
voraussichtlich gut geeignet sein um Trends im regionalen Maßstab ausfindig zu machen,
sollte aber darüber hinaus als Ergänzung zu hochauflösenden Methoden und nicht als Ersatz
dieser verstanden werden.
Innerhalb der hochauflösenden Methoden wären UAV- und flugzeuggestützte Methoden
gegeneinander abzuwägen. Wie bereits aufgezeigt sind rein finanzielle Aspekte keine
ausreichende Entscheidungsbasis, da sie sehr variabel sind. Ein entscheidender Vorteil der

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- AUSBLICK -
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VITA-MIN
UAVs liegt hierbei eindeutig auf dem hohen Maß an Entscheidungsfreiheit bei der Planung
und Durchführung der Missionen. Üblicherweise werden Helikopter nicht als Plattform
hyperspektraler Aufnahmen verwendet, da Flugzeuge im Allgemeinen ruhigere
Flugeigenschaften aufweisen.
Auf Grundlage dieser Studie lässt sich sagen, dass ein Großteil der relevanten
Informationen, unter Berücksichtigung des Kosten-Nutzen Verhältnisses, bereits mit einer
Multispektralkamera erfassen lässt. Besonders wenn es sich hierbei um eine Kamera mit frei
wählbaren Bändern handelt. Sollten besonders detaillierte Informationen, insbesondere von
Feststoffen, benötigt werden sollte einem System mit Hyperspektralkamera der Vorzug
gegeben werden. Hierbei gibt es jedoch Faktoren zu berücksichtigen, welche im zeitlichen
Rahmen dieses Projektes nicht behandelt werden konnten. Darunter zum Beispiel ob das
Vorhandensein des SWIR-Bereiches des elektromagnetischen Spektrums einen erheblichen
Zugewinn an Informationen liefern würde und welche Korrekturen nötig wären um qualitativ
höherwertige hyperspektrale Aufnahmen von Gewässerkörpern zu erlangen.
14
AUSBLICK
Wie bereits im Kapitel „Kosten-Nutzen-Analyse“ aufgezeigt, ist der Bereich der UAS-
gestützten bildgebenden Spektroskopie, besonders im Hinblick auf hyperspektrale Daten,
relativ neu. Es ist wahrscheinlich, dass bei anhaltendem Trend die Entwicklung
leistungsfähiger Leichtbau-Hyperspektralkameras weiter voranschreitet, was bei einer
ausreichenden Anzahl von Anbietern eine natürliche Preisregulation mit sich bringen wird.
Eine Senkung der Anschaffungskosten könnte zur industriellen Verbreitung dieser Systeme
beitragen.

image
image
image
- LITERATURVERZEICHNIS -
Seite | -
73 -
VITA-MIN
LITERATURVERZEICHNIS
AGISOFT WEBSITE: HTTP://WWW.AGISOFT.COM/ (ABGERUFEN AM 09.11.2018)
AKIN, H., SIEMES, H., 1988. „PRAKTISCHE GEOSTATISTIK – EINE EINFÜHRUNG FÜR DEN
BERGBAU UND DIE GEOWISSENSCHAFTEN“. S. 186 _ 213. SPRINGER VERLAG. ISBN:3-540-
19085-6.
ANDREANI L., POHL E., SHAHZAD F., KOUCKA L., GLOAGUEN R. (2018). TECGEMS: A
PYTHON-BASED
TOOLBOX
FOR
TECTONIC
GEOMORPHOLOGY.
EXPLORATION
DIVISION,
HELMHOLTZ INSTITUTE FREIBERG, GERMANY. (UNDER DEVELOPMENT).
ARYA, S., MOUNT, D. M., NEATANYAHU, N. S., SILVERMAN, R., WU, A. Y. (1998). AN
OPTIMAL ALGORITHM FOR APPROXIMATE NEAREST NEIGHBOUR SEARCHING FIXED DIMENSIONS.
JOURNAL OF THE ASSOCIATE FOR COMPUTING MACHINERY 45, 891 – 923.
BISHOP, J. L., & MURAD, E. (2005). THE VISIBLE AND INFRARED SPECTRAL PROPERTIES OF
JAROSITE AND ALUNITE. AMERICAN MINERALOGIST.
BUZZI, J., RIAZA, A., GARCÍA-MELÉNDEZ, E., CARRÉRE, V., HOLZWARTH, S. (2016).
MONITORING OF RIVER CONTAMINATION DERIVED FROM ACID MINE DRAINAGE USING
AIRBORNE IMAGING SPECTROSCOPY (HYMAP DATA, SOUTH-WEST SPAIN). RIVER RESEARCH
AND APPLICATIONS. WILEY ONLINE LIBRARY.
CAMPBELL, J. B. (2002). INTRODUCTION TO REMOTE SENSING (BD. 3). THE
GUILFORD PRESS. S. 30F
CLARK, R. N. (1999). SPECTROSCOPY OF ROCKS, MINERALS, AND PRINCIPLES OF
SPECTROSCOPY. (A. N. RENCZ, HRSG.) DENVER, COLORADO: REMOTE SENSING FOR EARTH
SCIENCE: MANUAL OF REMOTE SENSING, 3 ED., VOL. 3.
COCKS, T.D., JENSSEN, R., STEWARD, A., WILSON, I. AND SHIELDS, T. (1998) THE
HYMAPTM
AIRBORNE
HYPERSPECTRAL
SENSOR:
THE
SYSTEM,
CALIBRATION
AND
PERFORMANCE. IN THE 1ST EARSEL WORKSHOP ON IMAGING SPECTROSCOPY, UNIVERSITY
OF ZURICH, ZURICH.
CROWLEY, J. K., WILLIAMS, D. E., HAMMARSTROM, J. M., PIATAK, N., I-MING CHOU, &
MARS, J. C. (2003). SPECTRAL REFLECTANCE PROPERTIES (0.4-2.5μM) OF SECONDARY FE-
OXIDE, FE-HYDROXIDE, AND FE-SULPHATE-HYDRATE MINERALS ASSOCIATED WITH SULPHIDE-
BEARING MINE WASTES. GEOCHEMISTRY: EXPLORATION, ENVIRONMENT, ANALYSIS.
CUERVO, G. V., (2017). DETERMINATION OF THE RELATIVE SEDIMENT CONCENTRATION IN
WATR BODIES USING REMOTE SENSING METHODOLOGY. CUADERNOS DE GEOGRAFÍA, REVISTA
COLOMBIANA DE GEOGRAFÍA 26: 11 - 24.
DRYSDALE, G., DELFOS, J., METTERNICHT, G., 2002. LOW COST REMOTE SENSING APPROACH
FOR DESIGNING EFFECTIVE SAMPLING STRATEGIES OF SOIL PROPERTIES FOR SITE-SPECIFIC
CROP MANAGEMENT. IN: PROCEEDINGS OF THE 29TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON REMOTE
SENSING OF ENVIRONMENT, BUENOS AIRES, ARGENTINA, APRIL, CD-ROM.
DUFFUS, J. H. (2002). " HEAVY METALS" A MEANINGLESS TERM?(IUPAC TECHNICAL
REPORT). PURE AND APPLIED CHEMISTRY, 74(5), 793-807.

image
image
image
- LITERATURVERZEICHNIS -
Seite | -
74 -
VITA-MIN
ENMAP WEBSITE: HTTP://WWW.ENMAP.ORG (ZULETZT AUFGERUFEN 11.10.2018)
FISCHLER, M.A., BOLLES, R.C., 1987. RANDOM SAMPLE CONSENSUS: A PARADIGM FOR
MODEL FITTING WITH APPLICATIONS TO IMAGE ANALYSIS AND AUTOMATED CARTOGRAPHY. IN:
MARTIN, A.F., OSCAR, F. (EDS.), READINGS IN COMPUTER VISION: ISSUES, PROBLEMS,
PRINCIPLES AND PARADIGMS. MORGAN KAUFMANN PUBLISHERS INC., LONDON, PP. 726–
740.
GREEN, A. A., BERMAN, M., SWITZER, P., CRAIG, M. D.; A TRANSFORMATION FOR ORDERING
MULTISPECTRAL DATA IN TERMS OF IMAGE QUALITY WITH IMPLICATIONS FOR NOISE
REMOVAL; IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING, VOL. 26, NO. 1,
JANUARY 1988
MAP2FLY: MAP2FLY.FLYNEX.DE, LETZTER ZUGRIFF 14.11.2018
HTTPS://WWW.HARRISGEOSPATIAL.COM/SUPPORT/SELF-HELP-TOOLS/HELP-ARTICLES/HELP-
ARTICLES-DETAIL/ARTMID/10220/ARTICLEID/16262/PUSH-BROOM-AND-WHISK-BROOM-
SENSORS (ABGERUFEN AM 10.11. 2018)
HUNT, G. R., & ASHLEY, R. P. (1979). SPECTRA OF ALTERED ROCKS IN THE VISIBLE AND
NEAR INFRARED. ECONOMIC GEOLOGY.
JACKISCH, R., LORENZ, S., ZIMMERMANN, R., MÖCKEL, R., GLOAGUEN, R. (2018). DRONE-
BORNE HYPERSPECTRAL MONITORING OF ACID MINE DRAINAGE: AN EXAMPLE FROM THE
SOKOLOV LIGNITE DISTRICT. MDPI. REMOTE SENSING.
KOKALY, R. F., CLARK, R. N., SWAYZE, G. A., LIVO, K. E., HOEFEN, T. M., PEARSON, N. C.,
... & KLEIN, A. J. (2017). USGS SPECTRAL LIBRARY VERSION 7 (NO. 1035). US
GEOLOGICAL SURVEY.
KOPAČKOVÁ, V. (2014). USING MULTIPLE SPECTRAL FEATURE ANALYSIS FOR QUANTITATIVE
PH MAPPING IN A MINING ENVIRONMENT. INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED EARTH
OBSERVATION AND GEOINFORMATION.
LI, J., HEAP, A. D., (2011). "A REVIEW OF COMPARISON STUDIES OF SPATIAL
INTERPOLATION METHODS IN ENVIRONMENTAL SCIENCE: PERFORMANCE AND IMPACT
FACTORS". ECOLOGICAL INFORMATICS 6: 228-241
LOTTERMOSER,
B.
(2010).
MINE
WASTES:
CHARACTERIZATION,
TREATMENT
AND
ENVIRONMENTAL IMPACTS. SPRINGER BERLIN HEIDELBERG.
LOWE, D. G., (1999). OBJECT RECOGNITION FROM SCALE-INVARIANT FEATURES,
PROCEEDINGS OF THE INTERNATIONAL CONFERENCE ON COMPUTER VISION (ICCV), CORFU,
2: 1150 - 1157
LOWE, D. G., (2004). DISTINCTIVE IMAGE FEATURES FROM SCALE INVARIANT KEYPOINTS.
INTERNATIONAL JOURNAL OF COMPUTER VISION 60: 91 - 100.
MAKELAINEN, A.; SAARI, H.; HIPPI, I.; SARKEALA, J.; SOUKKAMAKI, J. 2D HYPERSPECTRAL
FRAME
IMAGER
CAMERA
DATA
IN
PHOTOGRAMMETRIC
MOSAICKING.
INT.
ARCH.
PHOTOGRAMM. REMOTE SENS. SPAT. INF. SCI. 2013, XL-1/W2, 263–267.
MIELKE, C., BOESCHE, N. K., ROGASS, C., KAUFMANN, H., GAUERT, C., DE WIT, M. (2014).
SPACEBORN MINE WASTE MINERALOGY MONITORING IN SOUTH AFRICA, APPLICATIONS FOR

image
image
image
- LITERATURVERZEICHNIS -
Seite | -
75 -
VITA-MIN
MODERN PUSH-BROOM MISSIONS: HYPERION/ OLI AND ENMAß/ SENTINEL-2. REMOTE
SENSING 6: 6790 - 6816
MONTERO, S., IRENE, C., BRIMHALL, G. H., ALPERS, C. N., & SWAYZE, G. A. (2005).
CHARACTERIZATION OF WASTE ROCK ASSOCIATED WITH ACID DRAINAGE AT THE PENN MINE,
CALIFORNIA,
BY
GROUND-BASED
VISIBLE
TO
SHORT-WAVE
INFRARED
REFLECTANCE
SPECTROSCOPY ASSISTED BY DIGITAL MAPPING. CHEMICAL GEOLOGY.
GÜTE VON BERGBAUFOLGESEEN DER LMBV:
HTTPS
://
WWW
.
LMBV
.
DE
/
INDEX
.
PHP
/
GUETE
-
VON
-
LMBV
-
SEEN
.
HTML
;
ZULETZT AUFGERUFEN AM 30.11.2018
NICODEMUS, F. E., RICHMOND, J. C., HSIA, J. J. GINSBERG, I. W. (1977). GEOMETRICAL
CONSIDERATIONS AND NOMENCLATURE FOR REFLECTANCE. U.S. DEPT. OF COMMERCE
PIX4D: HTTPS://WWW.PIX4D.COM (ABGERUFEN AM 09.11.2018)
RAUHALA A, TUOMELA A, DAVIDS C, ROSSI PM. UAV REMOTE SENSING SURVEILLANCE OF A
MINE TAILINGS IMPOUNDMENT IN SUB-ARCTIC CONDITIONS. REMOTE SENSING. 2017;
9(12):1318.
REEMAP:
HTTPS
://
WWW
.
BGR
.
BUND
.
DE
/DE/T
HEMEN
/GG_F
ERNERKUNDUNG
/P
ROJEKTE
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/M
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/
REEMAP
.
HTML
?
NN
=1547864
(ZULETZT
AUFGERUFEN
22.10.2018)
RESTRATEGIS,
WWW
.
RESSOURCENKATASTER
.
DE
,
FRAUENHOFER UMSICHT, 2016, LETZTER
ZUGRIFF 25.11.2018
RIAZA, A., BUZZI, J., GARCÍA-MELÉNDEZ, E., CARRÉRE, V., MÜLLER, A. (2011).
MONITORING THE EXTENT OF CONTAMINATION FROM ACID MINE DRAINAGE IN THE IBERIAN
PYRITE BELT (SW SPAIN) USING HYPERSPECTRAL IMAGERY. REMOTE SENSING.
ROBINSON, T. P., MTTERNICHT, G. (2006). „TESTING THE PERFORMANCE OF SPATIAL
INTERPOLATION TECHNIQUES FOR MAPPING SOIL PROPERTIES“. COMPUTER AND ELECTRONICS
IN AGRICULTURE 50: 97-108
ROUSE, J. W., HAAS, R. H., SCHELL, J. A., DEERING, D. W. MONITORING VEGETATION
SYSTEMS IN THE GREAT PLAINS WITH ERTS. (1973)' PROCEEDINGS, 3RD EARTH RESOURCE
TECHNOLOGY SATELLITE (ERTS) SYMPOSIUM, VOL. 1, P. 48-62.
RUPNIK, E., DAAKIR, M., DESEILLIGNY, M. P., (2017). MICMAC – A FREE, OPEN SOURCE
SOLUTION FOR PHOTOGRAMMETRY. OPEN GEOSPATIAL DATA, SOFTWARE, STANDARDS 2: 14
SWAYZE, G. A., SMITH, K. S., CLARK, R. N., SUTLEY, S. J., PEARSON, R. M., VANCE, J. S.,
HAGEMANN, P. L., BRIGGS, P. H., MEIER, A. L., SINGLETON, M. J., ROTH, S. (2000).
USING IMAGING SPECTROSCOPY TO MAP ACIDIC MINE WASTE. ENVIRONMENTAL SCIENCE AND
TECHNOLOGY.
TCHOUNWOU, P. B., YEDJOU, C. G., PATLOLLA, A. K., & SUTTON, D. J. (2012). HEAVY
METAL TOXICITY AND THE ENVIRONMENT. IN MOLECULAR, CLINICAL AND ENVIRONMENTAL
TOXICOLOGY (PP. 133-164). SPRINGER, BASEL.

image
image
image
- LITERATURVERZEICHNIS -
Seite | -
76 -
VITA-MIN
TURNER, D., RIVARD, B., GROAT, L. (2014). RARE EARTH ORE GRADE ESTIMATION
OF
MINERALIZED
DRILL
CORE
FROM
HYPERSPECTRAL
IMAGING
SPECTROSCOPY. IEEE
HTTPS
://
WWW
.
TELEDYNEOPTECH
.
COM
/
EN
/
PRODUCTS
/
AIRBORNE
-
SURVEY
/
TITAN
/
TOWNSEND, T.E., 1987. DISCRIMINATION OF IRON ALTERATION MINERALS IN VISIBLE AND
NEAR- INFRARED REFLECTANCE DATA. JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH 92 (B2), 1441–
1454.
HTTPS
://
WWW
.
UMWELTBUNDESAMT
.
DE
/
TAGS
/
SCHWERMETALLE
Z
ULETZT
AUFGERUFEN
AM
14.11.2018
WESTOBY, M. BRASINGTON, J., GLASSER, N., HAMBREY, M. REYNOLDS, J. (2012).
“STRUCTURE-FROM-MOTION” PHOTOGRAMMETRY: A LOW-COST, EFFECTIVE TOOL FOR
GEOSCIENCE APPLICATIONS; GEOMORPHOLOGY, 179: 300 – 314
ZABCIC, N., RIVARD, B., ONG, C., MUELLER, A. (2014). USING AIRBORNE HYPERSPECTRAL
DATA TO CHARACTERIZE THE SURFACE PH AND MINERALOGYY OF PYRITE MINE TAILINGS.
INTERNATIONAL JOURNAL OF APPLIED EARTH OBSERVATION AND GEOINFORMATION.
ELSEVIER.
SENSOREN UND ALGORITHMEN
[I] VANE, G., O GREEN, R., CHRIEN, T. G., ENMARK, H. T., HANSEN, E. G. PORTER, W. M. THE
AIRBORNE VISIBLE/INFRARED IMAGING SPECTROMETER (AVIRIS). REMOTE SENSING OF ENVIRONMENT,
VOLUME
44,
ISSUES
2–3,
1993,
PAGES
127-143,
ISSN
0034-4257,
HTTPS://DOI.ORG/10.1016/0034-4257(93)90012-M.
[II] ENMAP:
HTTP
://
GFZPUBLIC
.
GFZ
-
POTSDAM
.
DE
/
PUBMAN/ITEM/ESCIDOC:1371146:7/COMPONENT/
ESCIDOC:1378888/ENMAP_SCIENCEPLAN_2012_013.PDF. 24.05.2018
[III] HYMAP:
HTTP
://
WWW
.
HYVISTA
.
COM
/
TECHNOLOGY
/
SENSORS
/
HYMAP
/.
24.05.2018
[VI] HYPERION:
HTTPS
://
EO
1.
GSFC
.
NASA
.
GOV
/
NEW
/
VALIDATION
R
EPORT
/T
ECHNOLOGY
/TRW_EO1%20P
APERS
_P
RESENTATIONS
/1
0.
PDF
.
24.05.2018
[V] RASHMI, S., SWAPNA ADDAMANI, VENKAT S, RAVIKIRAN S., (2014). SPECTRAL ANGLE MAPPER FOR REMOTE
SENSING IMAGE CLASSIFICATION. INTERNATIONAL JOURNAL OF INNOVATIVE SCIENCE, ENGINEERING & TECHNOLOGY.
[VI] VI CLARK, R. N., SWAYZE, G. A., LIVO, K. E., KOKALY, R. F., SUTLEY, S.J., DALTON, J. B., MCDOUGAL,
R. R., GENT, C. A. (2003). IMAGING SPECTROSCOPY: EARTH AND PLANETARY REMOTE SENSING WITH THE USGS
TETRACORDER
AND
EXPERT
SYSTEMS. JOURNAL
OF
GEOPHYSICAL
RESEARCH.
108(E12),
5131,
DOI:10.1029/2002JE001847.

image
image
image
- LITERATURVERZEICHNIS -
Seite | -
77 -
VITA-MIN
WMS
[WMS
1]:
HTTPS
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.
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.
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HTM
[WMS 4]: HTTPS://WWW.UMWELT.SACHSEN.DE/UMWELT/BODEN/26160.HTM
[WMS 5]:
HTTP
://
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.
GEOLOGY
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/
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ENG
/
MAPS
/
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/
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SACHSEN.DE – LUFTVERKEHR UND BINNENSCHIFFFAHRT:
https://www.lds.sachsen.de/luftverkehr/?ID=6891&art_param=478
;
ZULETZT
AUFGERUFEN
30.11.2018
SPEKTRALE DATENBANKEN
[SL 1]: KOKALY, R.F., CLARK, R.N., SWAYZE, G.A., LIVO, K.E., HOEFEN, T.M., PEARSON, N.C., WISE, R.A.,
BENZEL, W.M., LOWERS, H.A., DRISCOLL, R.L., AND KLEIN, A.J., 2017, USGS SPECTRAL LIBRARY VERSION 7
DATA: U.S. GEOLOGICAL SURVEY DATA RELEASE,
HTTPS
://
DX
.
DOI
.
ORG
/10.5066/F7RR1WDJ.
[SL 2]: HTTPS://SPECLIB.JPL.NASA.GOV/DOCUMENTS/JHU_DESC
[SL 3]:
HTTPS
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SPECLIB
.
JPL
.
NASA
.
GOV
/
DOCUMENTS
/
JPL
_
DESC
[SL 4]:
https://speclib.jpl.nasa.gov/documents
WEITERE LITERATUR
MANFREDA, S., MCCABE. M., F., MILLER, P. E., LUCAS, R., MADRIGAL, V., P., MALLINIS, G., DOR E. B.,
HELMAN, D., ESTES, L., CIRAOLO, G., MÜLLEROVÁ, J., TAURO, F., DE LIMA, M., I., DE LIMA, J., L., M., P.,
MALTESE, A., FRANCES, F., CAYLOR, K., KOHV, M., PERKS, M., RUIZ-PÉREZ, SU, Z., VICO, G., TOTH, B.
(2018). ON THE USE OF UNMANNED AERIAL SYSTEMS FOR ENVIRONMENTAL MONITORING. MDPI, REMOTE
SENSING
KEMPER, T., SOMMER, S. (2002). ESTIMATE OF HEAVY METAL CONTAMINATION IN SOILS AFTER A MINING
ACCIDENT USING REFLECTANCE SPECTROSCOPY. ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY. AMERICAN CHEMICAL
SOCIETY.
KOPAČKOVÁ, V., CHVREL, S., BOURGUIGNON, A., ROJÍK, P. (2012). APPLICATION OF HIGH ALTITUDE AND GROUND
–BASED SPECTRORADIOMETRY TO MAPPING HAZARDOUS LOW-PH MATERIAL DERIVED FROM THE SOKOLOV OPEN PIT
MINE. JOURNAÖ OF MAPS
KOPAČKOVÁ, V., HLADÍKOVÁ, L. (2014). APPLYING SPECTRAL UNMIXING TO DETERMINE SURFACE WATER
PARAMETERS IN A MINING ENVIRONMENT. MDPI. REMOTE SENSING

image
image
image
- LITERATURVERZEICHNIS -
Seite | -
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VITA-MIN
ROTH, L., STREIT, B. (2018). PREDICTING COVER CROP BIOMASS BY LIGHTWEIGHT UAS-BASED RGB AND NIR
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