Analyse und Visualisierung der Wasserflächendynamiken mittels Sentinel Datacubes

Ziel der Arbeit:

Ziel der Arbeit ist es, die saisonale Dynamik von Wasserflächen über einen Zeitraum von zehn Jahren aus Satellitendaten abzuleiten und zu visualisieren — und zugleich zu bestimmen, unter welchen Bedingungen ein solches Verfahren verlässlich arbeitet und wo es an seine Grenze stößt.

Untersuchungsgebiete:

Untersucht werden vier Gewässer, die sich in Größe, Typ und hydrologischem Regime bewusst unterscheiden. Der Forggensee im Allgäu ist mit 15 km² der größte bayerische Stausee; er wird im Winter zum Hochwasserschutz teilweise abgelassen, wobei die kleinste Fläche nur etwa 30 Prozent der größten beträgt. Der Chiemsee ist mit 80 km² der flächenmäßig größte See Bayerns, ein natürlicher See mit alpinem Einzugsgebiet. Der Dümmer im Osnabrücker Land ist ein Flachsee von 13 km² mit einer mittleren Tiefe von nur 1,5 m, umgeben von ausgedehnter Ufervegetation. Der Groß Glienicker See an der Berliner Stadtgrenze schließlich misst weniger als einen Quadratkilometer und dient als Testgebiet für die räumliche Auflösungsgrenze.

Verwendete Daten:

In abbildenden Radardaten lassen sich Wasserflächen über ein Schwellenwertverfahren bestimmen, weil die glatte Wasseroberfläche das Signal vom Sensor wegspiegelt und im Radarbild dunkel erscheint. Radar hat dabei den Vorteil, unabhängig von Bewölkung und Tageslicht zu agieren. Optische Daten wiederum zeichnen die Uferlinie schärfer, fallen aber bei Wolken und Schnee aus. Die Arbeit nutzt deshalb beide Sensoren des europäischen Copernicus-Programms: Sentinel-1 als Radar- und Sentinel-2 als optisches System, jeweils mit 10 m Bodenabtastung. Aus den Sentinel-1-Kanälen VV und VH wird der mittlere Rückstreukoeffizient K0 berechnet, aus den Sentinel-2-Bändern der Wasserindex NDWI nach McFeeters. Der Untersuchungszeitraum reicht von Januar 2016 bis Dezember 2025 und umfasst 120 Monate, am Dümmer 108, weil dort die Pegelreihe bereits mit dem Jahr 2024 endet. Gerechnet wird in der Cloud-Umgebung des Copernicus Data Space Ecosystem über die openEO-Schnittstelle — die Aufnahmen werden dort serverseitig kalibriert, entrauscht und mit dem Copernicus-Höhenmodell orthorektifiziert. Heruntergeladen wird nur der fertige Monatswürfel.

Methoden:

Fünf Fusionsverfahren (M1-5) werden einander gegenübergestellt. M1 und M2 bestimmen den Schwellenwert getrennt und automatisch nach Otsu, einmal auf dem Radarsignal (M1), einmal auf dem Wasserindex (M2). Ansatz M3 erkennt ein Pixel nur dann als Wasser, wenn beide Sensoren übereinstimmen, Ansatz M4 bereits dann, wenn einer von beiden Wasser anzeigt, und M5 folgt einer gewichteten Regel, die den optischen Daten den Vorzug gibt und nur bei Bewölkung auf Radar zurückgreift. Als monatliches Komposit dient jeweils der pixelweise Median, der gegenüber kurzfristigen Rückstreuanomalien robust ist. Zur Validierung werden die abgeleiteten Flächen mit den amtlichen Pegelmessreihen verglichen: vom Gewässerkundlichen Dienst Bayern für Forggensee und Chiemsee, vom Niedersächsischen Landesbetrieb für Wasserwirtschaft für den Dümmer und von der Berliner Senatsverwaltung für den Groß Glienicker See.

Ergebnisse:

Am Forggensee erreichen alle Verfahren einen deutlichen Zusammenhang zwischen Wasserfläche und Pegelstand, am stärksten die OR-Fusion M4 mit r = 0,986, dicht gefolgt von der reinen Radarauswertung M1 mit r = 0,981. Ausschlaggebend sind die großen Pegelschwankungen des Stausees. An den drei übrigen Seen gelingt die Validierung nicht — aus jeweils eigenen Gründen. Am Dümmer erzeugt die Ufervegetation eine Doppelrückstreuung, durch die überflutete Uferbereiche als Land klassifiziert werden, und auch optisch lässt sich die Grenze zwischen offenem Wasser und Schilf kaum ziehen. Am Groß Glienicker See stößt das Verfahren an eine strukturelle Auflösungsgrenze: Bei einer Seefläche von rund 0,57 km² und einer Pixelgröße von 10 m × 10 m ist die durch Pegeländerungen ausgelöste Flächenänderung kleiner als die Unsicherheit an den Randpixeln. Am Chiemsee unterschreitet die Radarauswertung in elf Monaten — fast ausschließlich zwischen November und April — eine Fläche von 70 km², mit einem Minimum von 33,1 km² im Februar 2022; der Otsu-Schwellenwert liegt dort bei −20 bis −23 dB, also unter der Rauschgrenze. Gründe hierfür sind windbedingte Aufrauung bzw. Eisbedeckung. Die Trendanalyse zeigt für den Forggensee einen signifikanten Anstieg der detektierten Wasserfläche, für den Groß Glienicker See einen Rückgang von rund 900 m² pro Jahr, der mit dem dokumentierten Pegelrückgang übereinstimmt. Alle Ergebnisse sind in einer browserbasierten, interaktiven Webkarte auf Basis der JavaScript-Bibliothek Leaflet abrufbar.

Webseite: https://alexejbalakin-tech.github.io/wasserdynamiken/