Die Bodenfeuchte im Blick - Radarmessungen für effiziente Agrarwirtschaft

Dürre und Trockenperioden bedrohen zunehmend den Ackerbau. In Europa betrifft das insbesondere die Mittelmeer-Region mit ihren bedeutenden Obst-, Gemüse- und Getreideflächen. Um angesichts des globalen Klimawandels Ernten weiterhin zu sichern, muss die Wasserversorgung angepasst werden. Ein wichtiger Faktor ist die Bodenfeuchte. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) testet neue Radartechnologien, die es ermöglichen sollen, die Feuchtigkeitsverteilung in Pflanzen und den obersten Bodenschichten abzubilden, um gezielt Maßnahmen einleiten zu können. Gemeinsam mit dem italienischen Institut für Elektromagnetische Umweltsensorik IREA haben die Forschenden im April 2022 die erste von zwei mehrtägigen Testkampagnen in Italien durchgeführt. Die zweite Kampagne findet vom 14. bis 17. Juni 2022 statt.

Die erhobenen Daten dienen dazu, Verfahren zur Ableitung des Informationsprodukts "Bodenfeuchte" in Hinblick auf aktuelle wie zukünftige europäische Radarsatellitenmissionen anzuwenden und zu testen. Die Verteilung der Bodenfeuchte in der abgebildeten Region wird in Form einer Karte geografisch dargestellt. Die Ergebnisse der Messkampagnen sind insbesondere für die Radarsatellitenmission Tandem-L von Bedeutung, die zukünftig die Bodenfeuchte neben anderen Klimavariablen global in den Blick nehmen könnte.

Kritischer Wasserhaushalt: Testgebiet Tavoliere

Als Testgebiet nutzt das Team landwirtschaftliche Flächen in der Tavoliere-Ebene: Das Gebiet ist für seinen kritischen Wasserhaushalt bekannt und erstreckt sich über etwa 4.000 Quadratkilometer. Die Tavoliere ist begrenzt durch den Gargano Nationalpark im Norden, den Daunia-Bergen im Westen, und der Adria. Während der Gargano und die Daunia-Berge klimatisch feuchtere Gebiete sind, herrscht im Bereich des Tavoliere das typische, halbtrockene Mittelmeerklima mit einem durchschnittlichen Jahresniederschlag von 450 Millimeter. Der Boden wird hauptsächlich als Ackerland genutzt. Die wichtigsten saisonalen Anbauprodukte sind Hartweizen, Tomaten, Pferdebohnen, Spargel, Kichererbsen und Artischocken. Um die Wasserversorgung zu sichern, ist es für die Wasserwirtschaft unabdingbar, detaillierte Kenntnisse über vorhandene oberirdische Gewässer und die Feuchtigkeitsverteilung zu haben.

Flugzeug-Radarmessungen mit F-SAR

Im April führte das deutsch-italienische Forschungsteam an zwei aufeinanderfolgenden Tagen Messungen des Wassergehalts in der Vegetation und der oberen Bodenschicht durch. Zeitgleich überflog es die Flächen mit dem F-SAR-System des DLR. In vier langen Flügen erstellte das Radarsystem an Bord des DLR-Forschungsflugzeugs Dornier DO228 simultan Aufnahmen in den Frequenzbereichen C- und L-Band, was eine bessere Vergleichbarkeit der Ergebnisse ermöglicht. Aus den Radardaten wird die Verteilung der Feuchte in Vegetation und Boden abgeleitet sowie deren Veränderungen über einen bis zu 30-stündigen Zeitraum verfolgt. Eine Bewertung der Qualität der Radarmessergebnisse erfolgt durch Vergleich mit den "in-situ" Messungen am Boden, unter Verwendung einer aktuellen Landnutzungskarte.

"Wir sind sehr zufrieden mit dem Verlauf der ersten Messkampagne. Die Messungen konnten bei guten Bedingungen durchgeführt werden. Probeweise prozessierte SAR-Daten zeigen eine gute Qualität. Wir erhoffen uns für die zweite Messkampagne einen ebenso guten Verlauf", sagt Projektleiter Ralf Horn vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme.

Die Forschenden wählten unterschiedliche Agrarflächen für die Bodenmessungen aus, darunter auch ein brachliegendes Feld. Künstliche Bewässerung wurde nach einem bestimmten Zeitplan gezielt eingesetzt, um eine Abtrocknung im Zeitverlauf beobachten zu können. Im Juni werden die Messungen wiederholt, um unter anderem dabei zu helfen jahreszeitlich bedingte Veränderungen der Bodenfeuchte festzustellen.

Simulation zukünftiger Satellitenradarkonzepte

Radarsensoren auf einem Flugzeug liefern vergleichbare Daten wie Systeme an Bord von Satelliten. Das F-SAR-Instrument an Bord der Dornier DO228 wurde insbesondere dafür entwickelt, die Datenqualität zukünftiger Satellitenradare zu simulieren. So nahm das DLR-Team bei ihren Messflügen Bildserien in einem bestimmten zeitlichen Rhythmus auf. Diese multi-temporalen, über zwei Stunden langen Radarbildfolgen werden so verarbeitet, dass zum Schluss Radarbilder entstehen, wie sie ein Hydroterra-Satellit künftig aus dem All erzeugen würde. Im Rahmen einer laufenden ESA-finanzierten Studie soll nun untersucht werden, mit welcher Qualität sich Informationen über die sich ändernde Feuchte in Vegetation und Boden aus den simulierten Hydroterra-Bildern extrahieren lassen.

Tandem-L: Globales Umweltbeobachtungssystem für morgen

Die aktuelle Messkampagne steht in enger Verbindung mit Tandem-L, einem Vorschlag des DLR für eine hochinnovative satellitengestützte Radarmission zur Umweltbeobachtung. Eine Konstellation aus zwei L-Band Radarsatelliten soll Daten mit einer bisher nicht erreichten Qualität und Auflösung liefern. Eine Vielzahl dynamischer Prozesse in Bio-, Geo-, Kryo- und Hydrosphäre würden erfasst werden. Speziell im Bereich der Hydrosphäre wäre eine regelmäßige feinskalige Messung der oberflächennahmen Bodenfeuchte zur Erforschung des weltweiten Wasserkreislaufs möglich.

Tandem-L könnte im Wochenrhythmus eine aktuelle Abbildung der gesamten Landmasse der Erde in 3D liefern und dabei gleichzeitig mehrere für die Klimamodellierung relevante Parameter messen. So würde die Radarmission maßgeblich zum besseren Verständnis von Prozessen dienen, die heute als Treiber der globalen Klimaänderung gesehen werden. Die gewonnenen Informationen sollen Politik und Gesellschaft befähigen, auf lokaler, regionaler wie auch globaler Ebene die bestmöglichen Handlungsentscheidungen zu treffen.