Fernerkundung
Jedes einzelne Luft- und Satellitenbild aus der Arktis ist für sich allein genommen schon wunderschön anzusehen. Die Raum-zeitlichen Veränderungen die bei dem Vergleich mehrerer Bilder sichtbar werden sind dagegen nicht nur sehr spannend, sondern vor allem für Fragestellungen rund um die Stabilität der Permafrostgebiete und damit dem Kohlenstoffkreislauf relevant. Die Kernuntersuchungsgebiete von PETA-CARB in Sibirien und Alaska sind geographisch weitverteilt, geologisch und klimatisch unterschiedlich und decken verschiedenste Ausprägungen von Permafrost ab. Allen Untersuchungsgebieten gemeinsam ist neben ihrer Abgeschiedenheit und der schweren Zugänglichkeit ihre Anfälligkeit gegenüber äußeren Störeinflüssen aufgrund des oberflächennahen sehr eisreichen Permafrosts.
Aufgrund dieser Rahmenbedingungen für unsere Forschung kommt daher eine große Bandbreite verschiedener optischer Fernerkundungsverfahren mit den unterschiedlichsten Bilddatensätzen zur Dauerbeobachtung arktischer Permafrostgebiete zum Einsatz. Räumliche, zeitliche, spektrale und radiometrische Auflösung bestimmen dabei die jeweiligen Anwendungsgebiete. Für langfristige und großräumige Zeitreihenanalysen werden Daten der Landsat Missionen mittlerer räumlicher Auflösung genutzt. Da sich in den hohen Breiten die Bahnen benachbarter Orbits stark überlappen kann die temporale Auflösung erhöht und damit die Ableitung von Trends der Oberflächenvernässung, -reflektanz und Vegetationsindizes verdichtet werden. Die sehr hohe zeitliche Wiederholrate bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung und großer Abdeckung der RapidEye Satellitenkonstellation erlaubt es dagegen die stark ausgeprägte saisonale Variabilität der arktischen Tundra zu erfassen. Schneeschmelze, Eisaufbruch auf Seen, der „Jahresablauf“ verschiedener phänologischer Zustände innerhalb von drei Sommermonaten, sowie das Zurückfrieren werden mit diesen Satellitenbildern Jahr für Jahr aufgezeichnet und dienen dem Verständnis der saisonalen Variabilität, um letztendlich langfristige Veränderungen im Kontext mit anderen Datensätzen besser differenzieren zu können. Auch der bestmögliche Aufnahmezeitpunkt hinsichtlich der Unterscheidbarkeit von Landbedeckungsklassen lässt sich vor diesem Hintergrund ermitteln.
Die Mosaikierung benachbarter und sich ergänzender Szenen ermöglicht flächendeckende multispektrale Klassifikationen, die zur Kartierung von typischen Landschaftseinheiten und darauf aufbauend zur Quantifizierung des in Permafrostböden gespeicherten Kohlenstoffs verwendet werden. Genaue Dokumentationen der Bedingungen vor Ort und die Auswahl der Transekte für die Sedimentprobenahme im Gelände spielen hierbei eine zentrale Rolle, um zunächst alle relevanten Landschaftseinheiten zu erfassen und anschließend eine hohe Klassifikationsgüte zu erreichen. Als ein omnipräsentes Landschaftselement nehmen Thermokarstseen nicht nur eine große Fläche ein, denn über die hohe Wärmespeicherkapazität des Wassers haben sie einen starken Einfluss auf den thermischen Zustand des sie umgebenden Permafrosts. Eine umfassende Inventarisierung von Thermokarstseen im eisreichen Permafrost als auch die Dokumentation aktueller Ausdehnungs-, Anzapfungs- und Drainageerscheinungen ist Bestandteil der fernerkundlichen Arbeiten.
Präzise topographische Referenzmessungen am Boden sind ebenfalls elementar, um das große Potential von sehr hochauflösenden Satellitenbildern wie Kompsat, Ikonos, QuickBird, GeoEye und WorldView für detaillierte Veränderungsanalysen zu sukzessiver Landabsenkung (Subsidenz) durch Permafrosttauen und anderer Massenbewegungen durch Thermokarstprozesse voll nutzbar zu machen. Mit den Methoden der Digitalen Bildverarbeitung werden Stereobilder photogrammetrisch ausgewertet, um Digitale Geländemodelle (DGM) abzuleiten. Die DGM werden dann ihrerseits zur Korrektur von Verzerrungen in den Bildern selbst gebraucht, als zusätzliche topographische Information bei Klassifikationen eingesetzt, sowie zur Quantifizierung von Erosionsvolumina und des Sediment- und Kohlenstoffaustrags benutzt. Geodätische Wiederholungsmessungen auf speziell instrumentierten Dauerbeobachtungsfeldern liefern für die Kernuntersuchungsgebiete Kontrolldatensätze zu den über mehrjährige Zeitreihen von DGM sichtbar gemachten Höhenveränderungen, die durch taubedingte Erosion hervorgerufen werden. Ständige Verbesserungen der Datengrundlage und in den Fernerkundungsmethoden zeichnen somit ein immer präziseres Bild der schnellen Veränderungen denen die arktischen Permafrostgebiete unterliegen.
