SPRITE

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Die zeitliche Parallelität der beiden europäischen hyperspektralen Vorreitermissionen PRISMA (PRecursore IperSpettrale della Missione Applicativa, ASI, Launch: 22.03.2019; Loizzo et al. 2018) und EnMAP (Environmental Mapping and Analysis Programm, DLR, Launch: 01.04.2022; Guanter et al. 2015, Chabrillat et al. 2024) ist aus Sicht der Nutzergemeinde hyperspektraler Daten ein ausgesprochener Glücksfall! Während bereits einzelne Aufnahmen hyperspektraler Erdbeobachtungssysteme beachtliche Weiterentwicklungen in der quantitativen Ableitung von biophysikalischen und biochemischen Variablen erlauben, entsteht der große Mehrwert für ein nachhaltiges Management der Landoberfläche erst durch die zeitliche Wiederholbarkeit der spektroskopischen Aufnahmen. Dies gilt insbesondere für Forschung und Anwendung im Bereich der Vegetationsfernerkundung und dort im Speziellen für landwirtschaftliche Anwendungen, bei denen die quantitative Beobachtung von zeitlich dynamisch, räumlich heterogen und vor allem nicht-linear ablaufenden Prozessen (Wachstum, Nährstoffaufnahme und -verlagerung, Krankheits- und Schädlingsbefall etc.) im Vordergrund stehen.

Jedes der beiden aktuellen hyperspektralen satellitengestützten Aufnahmesysteme für sich genommen verfügt nur über eine sehr eingeschränkte Aufnahmekapazität. Dies ist im Wesentlichen den Herausforderungen beim Betrieb dieser komplexen Systeme geschuldet, die sich an der Grenze des technisch Machbaren bewegen. Gleichzeitig ist die Konkurrenz um die limitierten Aufnahmekapazitäten beider Satelliten sehr hoch, da Hyperspektraldaten aufgrund ihrer generischen physikalischen Natur – ein breiter Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird mit Hilfe einer Vielzahl von schmalen Kanälen kontinuierlich abgedeckt – naturgemäß für viele und sehr diverse Disziplinen, von der Atmosphärenforschung über die Geologie bin hin zur Gewässerkunde, nutzbar sind. Schlussendlich bestimmt auch noch das Wetter die Erfolgswahrscheinlichkeit für hyperspektrale Satellitenaufnahmen im optischen Wellenlängenbereich. Das Resultat der oben genannten Einschränkungen ist, dass bisher nur sehr wenige hyperspektrale Satellitenaufnahmen desselben Gebietes in zeitlicher Wiederholung realisiert werden konnten. Große Teile der bisher erreichten Datenarchive bestehen aus isolierten Aufnahmen verschiedener Areale. Das Mapping von zeitlich dynamischen Veränderungen der Erdoberfläche war damit bisher kaum möglich und blieb den operationellen multispektralen Erdbeobachtungssystemen vorbehalten. Diese bieten zwar den Vorteil der höheren zeitlichen Wiederholbarkeit, können aber wesentliche, für das nachhaltige Management entscheidende, Variablen nicht messen. Ein Beispiel dafür ist die Messung von Stickstoffgehalten oberirdischer Pflanzenteile, da hierfür eine kontinuierliche Abdeckung des kurzwelligen Infrarotbereiches erforderlich ist, um die flachen und teilweise überlagerten Absorptionen proteinbasierter Pflanzenbestandteile zu identifizieren.

Durch die Kombination der beiden Missionen EnMAP und PRISMA kann es jedoch gelingen Zeitserien hyperspektraler Daten in adäquater zeitlicher Dichte zu erzeugen, die eine kontinuierliche Beobachtung der Vegetationsdynamik an der Erdoberfläche erlauben. Durch Wissenschaftler des GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung in Potsdam konnte auf der Basis von parallelen Aufnahmen von EnMAP und PRISMA bereits nachgewiesen werden, dass die Level-1-Daten beider Systeme ohne wesentlichen Informationsverlust wechselseitig konvertiert werden können. Aus Sicht der Nutzergemeinde ist jedoch vor allem die kombinierte Nutzung von Level 2A-Daten beider Sensoren in homogenisierten Zeitserien von besonderem Interesse.

Die Beantwortung von Fragen zur Nutzbarkeit hyperspektraler Zeitserien ist vor allem im Hinblick auf die Vorbereitung der ESA CHIME Mission (Copernicus Hyperspectral Imaging Mission for the Environment; Nieke et al. 2023) von besonderem Interesse, deren Launch ab dem Jahr 2029 geplant ist und die mit einer potenziellen Wiederholrate von 11 Tagen (bei zwei baugleichen Satelliten) erstmalig in der Lage sein wird hyperspektrale Zeitreihen aufzunehmen. Die Vorbereitung von Algorithmen zur Verarbeitung hyperspektraler Zeitserien kann nur durch die synergistische Kombination verschiedener aktueller Sensoren vorangetrieben werden, wobei die Unterschiede der Sensoren überwunden werden müssen. Durch eine mögliche Missionsverlängerung von EnMAP besteht sogar theoretisch die Möglichkeit auf diese Weise die zeitliche Lücke bis zum Start von CHIME zu überbrücken.

Ziel des Vorhabens SPRITE (Synergistic PRisma and enmap Integrated Time-series for crop Evaluation) ist folglich die Untersuchung der Nutzbarkeit harmonisierter multi-sensoraler hyperspektraler Zeitreihen für die Vegetationsbeobachtung.