Kontaminationsmonitoring von Bergbaurückständen. Ermittlung des pH-Wertes in Tagebauseen über Satellitenbildauswertung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

1.1 Aufgabenstellung

1.2 Gliederung der Arbeit

2. Bergbaubedingte Geochemische Prozesse

2.1 Veränderung der Landschaftsmorphologie

2.2 Veränderung des Wasserhaushalts

2.3 Veränderung des Stoffhaushalts

2.4 Einfluss von Schwermetallen

2.4.1 Wechselwirkung Schwermetalle-Böden

2.4.2 Wechselwirkung Schwermetalle-Pflanzen

2.5 Einfluss des pH-Wertes

2.5.1 Bildung eines niedrigen pH-Wertes

2.5.2 Auswirkung des pH-Wertes auf den ökologischen Kreislauf

2.6 Eisenverbindungen

2.7 Zusammenfassung

3. Sentinel-Satellitenprogramm

3.1 Copernicus-Programm

3.2 Sentinel-2

3.2.1 Sentinel-2-Mission

3.2.2 Satelliteneigenschaften

3.2.3 Sensoreigenschaften

3.2.4 Bereitstellungsstände

3.2.5 Atmosphärische Korrektur

4. Verfahren

4.1 Indexbildung

4.1.1 Green Leaf Index

4.1.2 Anthocyanin Reflectance Index 2

4.1.3 Modified Normalized Water Index

4.2 Spektrale Analysemethoden

4.2.1 Spectral Angle Mapper Classification

4.2.2 Spectral Information Divergence

4.3 Zusammenfassung

5. Ermittlung des pH-Wertes von TRL über Sentinel-2-Daten

5.1 Untersuchungszeitraum

5.2 Untersuchungszeitraum

5.3 Vorverarbeitung der Sentinel-2 Images

5.4 Ermittlung des pH-Wertes in TRL über Detektion von Eisenverbindungen

5.4.1 Erstellung einer Gewässermaske

5.4.2 Vorbemerkung

5.4.3 Detektion von Jarosit mittels SAM

5.4.4 Detektion von Schwertmannit mittels SAM

5.4.5 Detektion von Ferrihydrit mittels SAM

5.4.6 Detektion von Jarosit mittels SID

5.4.7 Detektion von Schwertmannit mittels SID

5.4.8 Detektion von Ferrihydrit mittels SID

5.4.9 Zusammenfassung

5.5 Ermittlung des pH-Wertes von TRL über Pflanzen um TRL

5.5.1 Vorbereitung

5.5.2 Untersuchung der Beprobungsstellen mittels GLI

5.5.3 Untersuchung des Außenbereichs der TRL mittels Change Detection

5.5.4 Zusammenfassung

5.6 Ermittlung des pH-Wert von TRL über Algen

5.6.1 Vorbereitung

5.6.2 Untersuchung von im TRL lebenden Algen mittels ARI2

5.6.3 Zusammenfassung

5.7 Zusammenstellung der Ergebnisse

6. Diskussion

6.1 Zusammenhang von pH-Wert und Jarosit, Schwertmannit bzw. Ferrihydrit

6.2 Zusammenhang von pH-Wert und Entwicklung von Pflanzen um TRL

6.3 Zusammenhang von pH-Wert und Algen im TRL

7. Eignung von Sentinel-2 zur Ermittlung des pH-Wertes von TRL

7.1 Spektrale Auflösung

7.2 Geometrische Auflösung

7.3 Zeitliche Auflösung

7.4 Zusammenfassung

8. Ausblick

Zielsetzung und Themen

Diese Arbeit untersucht, inwieweit Daten der Sentinel-2-Mission des Copernicus-Programms dazu geeignet sind, bergbaubedingte Kontaminationen in Tagebaurestlöchern (TRL) des Lausitzer Seenlands zu detektieren. Ziel ist es, ein indirektes Monitoring-Verfahren zu entwickeln, das den pH-Wert der TRL über Wechselwirkungen mit Eisenverbindungen, dem Pflanzenwachstum am Ufer und dem Algenverhalten im Wasser bestimmt.

• Indirekte pH-Wert-Bestimmung mittels Fernerkundung
• Analyse von spektralen Signaturen von Eisenmineralen (Jarosit, Schwertmannit, Ferrihydrit)
• Einsatz von Vegetationsindizes (GLI, ARI2) zur Stresserkennung
• Bewertung der Eignung von Sentinel-2-Daten und Analyseverfahren (SAM, SID)

Auszug aus dem Buch

Zusammenfassung der Kapitel

1. Einleitung: Einführung in die Bedeutung des Bergbaus und die Problematik von Bodenkontaminationen sowie die Zielsetzung der Arbeit.

2. Bergbaubedingte Geochemische Prozesse: Analyse der Ursachen von Umweltveränderungen durch den Bergbau, insbesondere bezüglich Landschaft, Wasserhaushalt und pH-Wert.

3. Sentinel-Satellitenprogramm: Überblick über das Copernicus-Programm und die technischen Eigenschaften der Sentinel-2-Mission.

4. Verfahren: Vorstellung der verwendeten Methoden wie Indexbildung (GLI, ARI2, MNWI) und Spektralanalyse (SAM, SID).

5. Ermittlung des pH-Wertes von TRL über Sentinel-2-Daten: Praktische Anwendung der entwickelten Methoden zur Bestimmung des pH-Wertes in den untersuchten Tagebaurestlöchern.

6. Diskussion: Kritische Auseinandersetzung mit den Ergebnissen und Vergleich mit literaturbasierten Grenzwerten.

7. Eignung von Sentinel-2 zur Ermittlung des pH-Wertes von TRL: Bewertung der technischen Voraussetzungen und Limitationen des Sentinel-2-Systems für die geplante Überwachungsaufgabe.

8. Ausblick: Vorschläge für weiterführende Untersuchungen und Optimierungen der Analysemethoden.

Schlüsselwörter

Sentinel-2, Bergbau, Tagebaurestloch, Kontaminationsmonitoring, pH-Wert, Fernerkundung, Spektralanalyse, SAM, SID, Eisenverbindungen, Vegetation, Algen, GLI, ARI2, Wasserqualität

Häufig gestellte Fragen

Worum geht es in dieser Forschungsarbeit?

Die Arbeit untersucht das Potenzial von Sentinel-2-Satellitendaten, bergbaubedingte Gewässerkontaminationen in ehemaligen Tagebaugebieten (Lausitzer Seenland) mittels Fernerkundung zu identifizieren.

Was sind die zentralen Themenfelder der Untersuchung?

Die zentralen Felder umfassen bergbaubedingte geochemische Prozesse, das Sentinel-2-Satellitenprogramm, Methoden der Indexbildung und spektrale Analysemethoden sowie deren Anwendung auf Umweltparameter.

Was ist das primäre Ziel oder die Forschungsfrage?

Das Hauptziel ist herauszufinden, ob Sentinel-2-Daten in Kombination mit speziellen Analyseverfahren ausreichen, um den pH-Wert in Tagebaurestlöchern zuverlässig zu identifizieren, ohne dass flächendeckende Vor-Ort-Proben erforderlich sind.

Welche wissenschaftlichen Methoden werden verwendet?

Es kommen vor allem bildgebende Spektralverfahren zum Einsatz: der Spectral Angle Mapper (SAM) und Spectral Information Divergence (SID) zur Identifikation von Mineralen, sowie diverse Vegetationsindizes.

Was wird im Hauptteil behandelt?

Der Hauptteil befasst sich mit der praktischen Umsetzung: der Erstellung von Gewässermasken, der Detektion von Eisenmineralen, der Analyse von Pflanzenvitalität an Uferbereichen und der Untersuchung von Algenpopulationen als Bioindikatoren.

Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?

Die wichtigsten Schlagworte sind Sentinel-2, Bergbaukontamination, pH-Wert, Spektralanalyse, TRL, Fernerkundung und Umweltmonitoring.

Welchen Einfluss haben Eisenverbindungen auf die pH-Wert-Detektion?

Die Arbeit zeigt, dass bestimmte Eisenverbindungen wie Jarosit spezifische spektrale Fingerabdrücke hinterlassen, die bei einem niedrigen pH-Wert in TRL nachweisbar sind.

Warum spielt die Vegetationsperiode eine Rolle für die Ergebnisse?

Die Untersuchung geht davon aus, dass stressbedingte Veränderungen im Chlorophyllgehalt der Ufervegetation, die auf einen niedrigen pH-Wert zurückzuführen sind, am besten während der aktiven Wachstumsphase mittels Vegetationsindizes detektierbar sind.