Stellt eine UAV-basierende photogrammetrische Vermessung eine Alternative zu traditionellen Methoden dar?

Bodenerosion stellt ein gravierendes Problem in der Landwirtschaft dar, da der Verlust von fruchtbarem Boden wiederum zu finanziellen Verlusten für Landwirte führt und langfristig eine Bedrohung der Produktionsgrundlage für Nahrungs- und Genussmittel darstellt. Des weiteren ergibt sich eine ökologische Problematik aus dadurch ausgelösten Verunreinigungen von Wasserkörpern durch sowohl Sedimente als auch durch Schadstoffe aus Pflanzenschutzprodukten. Weingärten unterliegen aufgrund der oftmaligen Positionierung in Hanglagen und dem häufigen Verzicht auf Zwischenbegrünung einem besonderen Erosionsrisiko. Um Erosionsraten einzudämmen und Landwirten einen Anreiz zur nachhaltigen Bewirtschaftung ihrer Flächen zu bieten, werden Förderungen im Rahmen des Österreichischen Programms für umweltgerechte Landwirtschaft (ÖPUL) vergeben. 

Hintergrund 

Unter der Leitung von Dipl.-Geogr. Dr. Sabine Kraushaar und Mag. Stefan Haselberger (beide Universität Wien, Institut für Geographie & Regionalforschung, Arbeitsgruppe ENGAGE) und mit freundlicher Unterstützung von Dr. Elmar Schmaltz (Bundesamt für Wasserwirtschaft) wurde im Sommer 2020 im Rahmen einer mehrtägigen Lehrveranstaltung der Universität Wien das Erosionsverhalten eines Hanges in den nördlichen Wiener Weinbergen untersucht. Die Ergebnisse werden zur Zeit von einigen motivierten Studierenden entsprechend aufbereitet und für eine Publikation in einem Journal der Geomorphologie vorbereitet. Dabei steht die Herausarbeitung der Unterschiede zwischen den Bewirtschaftungsformen im Vordergrund, welche Informationen zur Effektivität der angewandten ÖPUL-Maßnahmen liefern sollen. 

Methodik 

Die für die Untersuchung relevanten Rebzeilen sind in Abbildung 2 festgehalten. Jede Farbe repräsentiert dabei eine unterschiedliche Bewirtschaftungsart. Zeilen 6 A/B und 7 A/B wurden 2006 ausgepflanzt und werden laut ÖPUL-Maßnahmen bewirtschaftet, wobei Gras (6) beziehungsweise Leguminosen (7) als Zwischenbegrünung eingesetzt werden. Die Bewirtschaftungsmaßnahmen in den Zeilen 9 A/B folgen zwar keiner ÖPUL-Richtlinie, weisen aber teilweise Grasbewuchs auf. Gepflanzt wurde dieser Weingarten 2014.  

Um Aufschluss über das Erosionsverhalten des Hanges zu erhalten, werden zwei Methoden zur Bestimmung der Abtragsraten herangezogen. Für die Stock Unearthing Method (SUM) wird der Veredelungspunkt zwischen Rebstock und Wurzelunterlage als passiver Bioindikator für Bodenoberflächenveränderungen gesehen. Ausgehend von der Annahme, dass dieser Punkt sich bei der Auspflanzung 2 cm von der Oberfläche entfernt befindet, wird für eine repräsentative Anzahl an Rebenpaaren in ausgewählten Rebzeilen das aktuelle Oberflächenniveau mit GNSS eingemessen und der aktuelle Abstand zwischen Veredelungspunkt und Oberfläche notiert. Darüber hinaus werden auf Höhe des Rebenpaares im Querschnitt der Zeile mindestens 6 weitere Punkte eingemessen, da auch in diesem Bereich Bodenabtrag zu erwarten ist. Aus den erhobenen Daten wurde ein digitales Höhenmodell erstellt und etwaige Unterschiede zwischen ursprünglicher Oberfläche und aktuellem Relief in so genannten DoD’s (Digital Elevation Models of Difference) visualisiert.  

Als zweite Methode wurden ungestörte Bodenproben in den jeweiligen Rebzeilen am Ober-, Mittel- und Unterhang genommen, um die genaue Korngrößenverteilung zu bestimmen, welche Rückschlüsse auf das Erosionsverhalten ermöglicht. Außerdem wurden die Daten weiters in die Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE), eine weit verbreitete Methode zur Bestimmung von Bodenabtrag, welche sich aus dem Produkt der Faktoren Niederschlag, Bodenerosivität, Hanglänge und Neigung, Bodenbedeckung und Erosionsschutzmaßnahmen ergibt, eingesetzt. Alle weiteren Faktoren wurden zusätzlich erhoben beziehungsweise aus vorhandenen Aufzeichnungen abgeleitet (Niederschlag). 

Hoffnungsträger Photogrammetrie 

Beide zuvor erwähnten Methoden haben den Nachteil, dass sich die Da­tenaufnahme besonders zeitintensiv gestaltet. In einer Machbarkeitsstudie wurde im Rahmen der Feldarbeit des­halb eine zeitsparende Alternative ausprobiert. Die Idee dahinter lautet, dass durch Flüge über dem Untersuchungsgebiet zu unterschiedlichen Zeitpunkten mit einer Drohne, ausgestattet mit einem optischen Sensor und GPS, aus den dabei erhobenen Daten zwei 3D-Modelle des Weinberges erstellt werden können und über die Differenz der Volumina die in dieser Zeitspanne angefallene Erosion daraus abgeleitet werden kann. 
In diesem Fall wurde nur eine Erstbefliegung durchgeführt, um die Methodik zu testen und etwaige Fehlerquellen aufzuzeigen, da einige Störfaktoren, auf die später noch genau eingegangen wird, ein repräsentatives Ergebnis verhinderten. Zur Berechnung des Modells wurden in zwei Flugdurchgängen nadir (Kamerawinkel 0°, „Vogelperspektive“) und oblique (Kamerawinkel 45°) Aufnahmen des Untersuchungsgebietes gesammelt und im Anschluss mit der Software Pix4Dmapper erst zu einer Punktwolke und anschließend zu einem 3D-Modell verarbeitet. Um die Genauigkeit dieses Modells zu erhöhen und eine Georeferenzierung zu ermöglichen, wurden in der Vorbereitung zu den Flügen insgesamt 40 Ground Control Points im Untersuchungsgebiet verteilt und mithilfe von GNSS genau verortet. 

Durch eine Befliegung im Sommer ergibt sich in diesem Fall die Problematik, dass die Zwischenbegrünung und die Vegetation im Unterstockbereich das Ergebnis stark verfälschen. Außerdem müssen, auch im Falle einer Befliegung zu einem günstigeren Zeitpunkt, die Volumina der Rebstöcke aus der Berechnung herausgenommen werden. Mit einem leistungsstarken Tool wie rmDATA 3DWorx können die Einflüsse der Vegetation maßgeblich verringert und zusätzliche Störfaktoren wie Rebstöcke einfach und effizient herausgerechnet werden, womit nur die tatsächliche Bodenoberfläche, welche für die Berechnungen relevant ist, erhalten bleibt. Ein direkter Ver­gleich zwischen den Ausgangsdaten und dem Zustand nach der Bearbeitung mit 3DWorx ist in Abbildung 3 und 4 ersichtlich. 

Ausblick 

Die erhobenen Daten werden derzeit interpretiert und fachgerecht für den anstehenden Review-Prozess aufbereitet. Somit können zurzeit nur Aussagen über die Fallstudie zum Einsatz von UAVs getroffen werden. Diese Methode bietet einen vielversprechenden Ansatz, der unter den richtigen Bedingungen eine zeitsparende Alternative zu den klassischen Methoden bieten kann. Bei verhältnismäßig niedrigen Erosions­raten kann es jedoch passieren, dass der Fehler über dem errechneten Abtrag liegt und das Ergebnis somit invalidiert wird. Grund dafür kann neben Vegetation und ungenauer Vermessung der Referenzpunkte vor allem unzu­reichendes technisches Equipment sein. Um solche Fehler zu minimieren, muss bei der Einmessung der Referenzpunkte genau gearbeitet werden und die Flugzeitpunkte sollten so gesetzt werden, dass Störfaktoren wie Vegetation mini­miert bis gänzlich eliminiert werden können. Während der Befliegungen sollten homogene Belichtungsverhältnisse herrschen und eine eventuell unzureichende Auflösung des verwendeten Sensors durch eine Anpassung der Flughöhe ausgeglichen werden. Künftige Entwicklungen dürften dazu beitragen, diese Methodik weiter zu verfeinern, genauere Ergebnisse zu ermöglichen und den zeitlichen Aufwand dabei weiter zu verringern. 

Matthias Wald (Masterand) 
Kartographie und Geoinformation, 
Universität Wien