Crop Water Use Estimation Using Remote Sensing and Google Earth Engine

Die Fähigkeit, den Wasserverbrauch der Pflanzen, d.h. die aktuelle Evapotranspiration (ETa), zuverlässig abzuschätzen, ist für die Entwicklung langfristiger Wassermanagementstrategien in wasserarmen Regionen unerlässlich. Fernerkundungstechniken haben sich als wertvoll zur Schätzung der ETa in verschiedenen räumlichen und zeitlichen Skalen erwiesen, insbesondere in Regionen, in denen nur wenige Messdaten der ETa vorliegen. Von den beiden wichtigsten fernerkundungsbasierten Ansätzen zur ETa-Schätzung :(a) Energiebilanzmethoden (SEB) und (b) vegetationsindexbasierte Methoden (ET-VIs) - erfordern SEB einen hohen Rechenaufwand, während VI-basierte Ansätze einfacher anwendbar sind. Viele VI-basierte Algorithmen wurden für ausgewählte Bewässerungsgebiete entwickelt und angewendet. Demgegenüber wurde bislang keine ET-VI-Methode zur Bestimmung der ETa umfassend und für verschiedene Anbauflächen und Kulturarten gestestet. Das Hauptziel dieser Doktorarbeit war die Entwicklung einfacher und übertragbarer ET-VI-basierter Modelle zur Schätzung der ETa auf der Feldskala für Anbauflächen in verschiedenen Regionen unter Verwendung von Cloud-Computing und Landsat-Bildern. Konkret konzentrierte sich diese Arbeit auf die Anwendung von VIs wie dem Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), dem Enhanced Vegetation Index (EVI) und dem Zwei-Band Enhanced Vegetation Index (EVI2) in der Google Earth Engine (GEE) Cloud-Computing Plattform zur Schätzung der ETa auf Ackerflächen. Die vier Ziele dieser Forschungsarbeit waren: (1) Modifizierung von ET-VI-Methoden, die ursprünglich für aquatische und ufernahe Vegetation entwickelt wurden, zur Anwendung für Ackerland durch sensorübergreifenden Methodentransfer; (2) Auswahl der am besten geeigneten ET-VI-Methode durch Vergleich verschiedener ET-VI-basierter Methoden im Hinblick auf ihre Übertragbarkeit; (3) Vergleich der so ausgewählten ET-VI-basierten Methode mit bereits etablierten RS-basierten Produkten (OpenET) und In-situ-Daten in einem größeren Flusseinzugsgebiet; (4) Validierung der ausgewählten ET-VI-basierten Methode durch Vergleich mit Eddy-Kovarianz-Flussmessungen und Vergleich mit anderen RS-basierten Produkten an verschiedenen Standorten weltweit. Zur Beantwortung der ersten beiden Fragestellungen dieser Arbeit wurden verschiedene ET-VIs für Anbauflächen im Einzugsgebiet des Zayandehrud-Flusses (ZRB), Iran zur Schätzung der ETa angewendet. Zunächst wurde die ETa mit Hilfe von EVI und EVI2 unter Sensortransformation modelliert und kartiert. Die Auswirkungen von Veränderungen der bewirtschafteten Fläche auf die ETa wurden dabei berücksichtigt. Da EVI und EVI2 für den MODIS-Sensor entwickelt wurden, erforderte die Verwendung dieser VIs mit Landsat-Sensoren eine Transformation, um ihre Verwendung im ET-VI-Algorithmus zu ermöglichen. Beim Vergleich zu der ET-Werte schnitten die ETa-Schätzungen von Landsat-EVI2 mit Kontinuitätskorrektur, gefolgt von Landsat-EVI, auf den Anbauflächen etwas besser ab als die von Landsat-EVI und -EVI2 ohne Transformation, was die Notwendigkeit einer sensorübergreifenden Transformation vor der ETa-Berechnung verdeutlicht. Nachdem die Notwendigkeit einer sensorübergreifenden Transformation bei der Verwendung verschiedener Sensoren und die Bedeutung von Veränderungen der Anbauflächen für die ETa-Schätzung verdeutlicht wurden, wurden drei kulturpflanzenunabhängige NDVI-basierte Ansätze (ET-NDVI*, ET-NDVI*scaled, ET-NDVIKc) zur Berechnung von ETa eingesetzt und mit dem zuvor ausgewählten ET-VI (ET-EVI2) verglichen. Der NDVI* wurde zum ersten Mal auf Anbauflächen in einem großen Bewässerungsgebiet angewendet. NDVI-basierte Ansätze wurden im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit und Übertragung auf andere Regionen bewertet. NDVI* wurde skaliert (NDVI*scaled), um dem in der Literatur ausgewiesenen Kc-Bereich zu entsprechen. Der Vergleich von drei ET-NDVIs und ET-EVI2 zeigte, dass die jährlichen ET-EVI2 und ET-NDVIscaled Schätzungen nahe beieinander lagen. ET-NDVI* und ET-NDVI*scaled sind szenenabhängig und erfordern eine stärkere Parametrisierung und Lokalisierung; dies macht sie für die ETa-Schätzung von Ackerflächen weniger benutzerfreundlich. Die Feststellung, dass ET-EVI2 in vielen Regionen verwendet werden kann, warf die Frage auf, wie dieses Modell im Vergleich zu anderen gut etablierten RS-basierten ETa-Produkten abschneidet. Zunächst wurde ET-EVI2 modifiziert (METEVI2) und für die Kartierung der ETa-Dynamik Ackerflächen im Lower Colorado River Basin getestet und mit sieben etablierten RS-basierten Produkten von OpenET sowie In-situ-Daten verglichen. Die Ergebnisse bestätigten, dass die METEVI2-Raten mit den durch OpenET-Methoden geschätzten ETa-Werten und den beobachteten ETa-Werten vergleichbar waren und ein sehr ähnlichen monatliches ETa-Verlauf aufwiesen. Neben den Stärken des Modells erwies sich die Berechnung der Evaporation des Bodens als Schwachpunkt des VI-basierten Modells. Die vielversprechenden Ergebnisse ermutigten dazu, METEVI2 in verschiedenen Regionen der Welt zu testen. Um das letzte Ziel zu erreichen, wurde METEVI2 mit monatlichen Daten von 15 Eddy-Kovarianz-Flusstürmen in verschiedenen Regionen und ETa-Daten von zwei etablierten SEB-Modellen (WaPOR und SSEBOp) in zwei verschiedenen Fallstudienregionen (Bekaa und Gezira) verglichen. Insgesamt zeigten die ETa-Schätzungen eine mäßige bis hohe Genauigkeit im Vergleich zu ETa-Daten von Eddy-Kovarianz-Flusstürmen in Ackerland, wobei der RMSE zwischen 12,4 und 40,2 mm/Monat lag. METEVI2 konnte die Vegetationsdynamik erfassen und folgte einem ähnlichen saisonalen Muster wie die beobachteten Daten. Mit der hohen räumlichen Auflösung METEVI2 ein potenziell sehr nützliches Werkzeug dar zur Unterstützung der landwirtschaftlichen Wasserbewirtschaftung und kann aufgrund seiner mit Bodenmessungen und anderen RS-basierten Produkten vergleichbaren Genauigkeit diese aufwendigeren Methoden der ETa-Schätzung ersetzen. Auswirkungen von Stress oder Bodenverdunstung können bei Verwendung von ET-VIs nur unzureichend berücksichtigt werden. Daher müssen bei künftigen Weiterentwicklungen der Methodik unbedingt die Faktoren Wasserstress und Verdunstung einbezogen werden. Da METEVI2 in GEE implementiert ist, kann es zur Schätzung der ETa auf globaler Ebene verwendet werden und das Verständnis der Wassernutzung durch Nutzpflanzen sowie die Schätzungen der ETa als Hauptkomponente des Wasserkreislaufs verbessern. Diese Dissertation beschreibt Methoden für eine umfassende ETa-Schätzung auf landwirtschaftlichen Flächen mit einer räumlichen Auflösung von 30 m und erleichtert somit Schätzungen des landwirtschaftlichenWasserverbrauchs, insbesondere wenn keine systematischen In-situ-Daten vorliegen. Die auf dem Vegetationsindex basierende ETa-Schätzung liefert robuste Ergebnisse für Kulturen, die in Trockengebieten angebaut werden.