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Früherkennung von Pflanzenausbreitung in Gewässern

Luftbilder machen Klimawandel sichtbar

Aus Luftbildern – hier vom Westufer des Starnberger Sees – lesen Wissenschaftler heraus, wie stark bestimmte Wasserpflanzen verbreitet sind. Diese Informationen geben Aufschluss über die Wasserqualität (blau: unbewachsenes Sediment, grün und gelb: spärliche Vegetation, rotbraun: dichte Vegetation).
Aus Luftbildern – hier vom Westufer des Starnberger Sees – lesen Wissenschaftler heraus, wie stark bestimmte Wasserpflanzen verbreitet sind. Diese Informationen geben Aufschluss über die Wasserqualität (blau: unbewachsenes Sediment, grün und gelb: spärliche Vegetation, rotbraun: dichte Vegetation). (Bild: Landesamt für Vermessung und Geodäsie)

Forschung

Durch die Folgen der Klimaerwärmung wandern unerwünschte Wasserpflanzen in heimische Gewässer ein. Auch bekannte Urlaubsregionen wie der Starnberger See sind betroffen, weshalb eine gezielte Überwachung der Wasserflächen nötig ist. Doch ist das bisherige Verfahren für regelmäßige Überwachung teuer – Forscher der Technischen Universität München (TUM) entwickelten jetzt eine schnellere und kostengünstigere Methode.

Aus einem Besuch am Badesee kann schnell eine unangenehme Angelegenheit werden – wenn man Bekanntschaft mit glitschigen Wasserpflanzen macht. Zu diesen zählen auch Elodea nuttallii und Najas marina, besser bekannt als Schmalblättrige Wasserpest und Großes Nixenkraut. Beide breiten sich seit einigen Jahren rasant in heimischen Gewässern aus.

Ökologen können sie dabei als Indikatorpflanzen nutzen: Durch ihr gehäuftes Auftreten kann man Rückschlüsse auf die Qualität eines Gewässers ziehen – Elodea nuttallii und Najas marina findet man besonders in Seen, deren Wassertemperatur steigt. Die schnelle und flächendeckende Ausbreitung der Pflanzen kann das Gleichgewicht des sensiblen Systems See beeinflussen.

Satellitenbilder unterstützen Forschungstaucher

Um zu untersuchen, wie sich das Ökosystem von Seen verändert, überprüfen Wasserwirtschaftsämter in regelmäßig die Pflanzenbestände. Für diese Inspektionen sind Beobachtungen der Taucher notwendig: In verschiedenen Tiefenstufen kartieren die Forscher die „Pflanzenteppiche“.

Dieses Verfahren liefert zwar detaillierte Erkenntnisse, ist aber sehr aufwändig. Doktoranden des Lehrstuhls Aquatische Systembiologie (Limnologische Station) der TUM in Iffeldorf haben sich in ihren Dissertationen dieser Thematik angenommen: Die Gewässerforscher entwickelten ein neues Verfahren, das günstiger und schneller ist.

„Dabei ersetzen hochaufgelöste Luft- und Satellitenbilder einen Teil der Taucharbeiten“, erklärt Projektbetreuer Dr. Thomas Schneider. „Um aus den Bildern Aussagen über den Pflanzenbewuchs abzuleiten, nutzt die neue Methode die Reflexion: Abhängig von Farbe und Aufbau reflektiert jede Pflanzenart das einfallende Licht auf spezifische Weise.“

Jeder See hat ein eigenes Reflexionsverhalten

Die Reflexionsspektren der Pflanzen haben die Forscher in einer digitalen Bibliothek hinterlegt – und können auf dieser Grundlage Luft- und Satellitenaufnahmen auswerten. Bis dahin war es allerdings ein weiter Weg, wie Doktorand Patrick Wolf beschreibt: „Über einen Zeitraum von zwei Jahren haben wir die Pflanzen vom Boot aus fotografiert und deren Reflexion gemessen. Um die Pflanzen aus einem geeigneten Winkel aufzunehmen und Schatten zu vermeiden, wurden die die Kameras und Sensoren über einen Auslegearm unter Wasser gebracht.“

Allerdings erschweren Faktoren wie Wasserinhaltsstoffe, Art des Sediments, Lichtbrechung oder unterschiedliche Wassertiefen die Bewertung der Pflanzenbestände. Daher haben die Gewässerforscher mathematische Algorithmen entwickelt, die in Verbindung mit den Messdaten des Boots die Fehler aus den Bildern „herausrechnen“ können. Da sich die einzelnen Gewässer stark unterscheiden, hat jeder See seinen eigenen Algorithmus.

Risiken für das Ökosystem früh erkennen

Die neue Methode eignet sich insbesondere für große, einheitliche Pflanzenbestände. „An Stellen, wo kleinräumige Wechsel der Vegetation anzutreffen sind, müssen wie bisher Taucharbeiten durchgeführt werden“, sagt Wolf. „Die „Luft-Schau“ kann die Taucher also nicht ersetzen, aber sie kann sie wirkungsvoll unterstützen.“

Die Limnologen der TUM haben ein Fernerkundungsverfahren entwickelt, das geeignet ist, größere Pflanzenbestände in Seen regelmäßig zu überprüfen. Bedenkliche Entwicklungen können so leichter und kostengünstiger erkannt werden. Denn wenn sich Nixenkraut und Wasserpest ausbreiten, stört das nicht nur den Badespaß – sie haben auch das Potenzial, das Ökosystem eines Gewässers langfristig zu verändern: Sie könnten andere Arten verdrängen oder den Lebensraum anderer Organismen, zum Beispiel von Fischen, verändern.

Das Projekt wird vom das Bayerischen Staatsministerium für Umwelt und Gesundheit gefördert; Förderkennzeichen: ZKL01Abt7_18457.

Publikation:
Collecting in situ remote sensing reflectances of submersed macrophytes to build up a spectral library for lake monitoring; Patrick Wolf, Sebastian Rößler, Thomas Schneider and Arnulf Melzer; European Journal of Remote Sensing, 2013, 46: 401-416; doi: 10.5721/EuJRS20134623

Kontakt:
Dr. Thomas Schneider
Technische Universität München 
Lehrstuhl für Aquatische Systembiologie 
Limnologische Station
Hofmark 1-3
82393 Iffeldorf
T: +49 (0)8858 810-56
E: tomi.schneider@tum.de
www.limno.biologie.de

Aus Luftbildern – hier vom Westufer des Starnberger Sees – lesen Wissenschaftler heraus, wie stark bestimmte Wasserpflanzen verbreitet sind. Diese Informationen geben Aufschluss über die Wasserqualität (blau: unbewachsenes Sediment, grün und gelb: spärliche Vegetation, rotbraun: dichte Vegetation).
Aus Luftbildern – hier vom Westufer des Starnberger Sees – lesen Wissenschaftler heraus, wie stark bestimmte Wasserpflanzen verbreitet sind. Diese Informationen geben Aufschluss über die Wasserqualität (blau: unbewachsenes Sediment, grün und gelb: spärliche Vegetation, rotbraun: dichte Vegetation). (Bild: Landesamt für Vermessung und Geodäsie)
Schmalblättrige Wasserpest (Elodea nuttallii).
Schmalblättrige Wasserpest (Elodea nuttallii). (Foto: Limnologische Station/TUM)
Großes Nixenkraut (Najas marina).
Großes Nixenkraut (Najas marina). (Foto: Limnologische Station/TUM)
Mit diesen Kameras und Sensoren fotografieren die Wissenschaftler vom Boot aus die Pflanzenbestände und messen Reflexionsmuster der Unterwasserpflanzen.
Mit diesen Kameras und Sensoren fotografieren die Wissenschaftler vom Boot aus die Pflanzenbestände und messen Reflexionsmuster der Unterwasserpflanzen. (Foto: Limnologische Station/TUM)
Versuchsboot: Die Kamera ist am Ende des Auslegers befestigt, damit kein Schatten auf die fotografierten Areale fällt.
Versuchsboot: Die Kamera ist am Ende des Auslegers befestigt, damit kein Schatten auf die fotografierten Areale fällt. (Foto: Limnologische Station/TUM)
Wasserpflanzen reflektieren das Licht auf unterschiedliche Weise. Ihre Reflexionsspektren helfen Wissenschaftlern, die Verteilung der beiden Pflanzenarten aus der Vogelperspektive zu bestimmen.
Wasserpflanzen reflektieren das Licht auf unterschiedliche Weise. Ihre Reflexionsspektren helfen Wissenschaftlern, die Verteilung der beiden Pflanzenarten aus der Vogelperspektive zu bestimmen. (Grafik: P. Wolf/TUM)