Das temp-2-stress Projekt

temp-2-stress wird von Dr. Alexander Röll³ (University of Bonn) geleitet und gemeinsam mit Simon Swatek⁴ (University of Bonn) durchgeführt, in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Dirk Hölscher⁵ (University of Göttingen) als Senior Scientific Advisor und Projektpartnern an der Universität Twente⁶ und der Nordwestdeutschen Forstlichen Versuchsanstalt⁷.

Die Projektlaufzeit ist von 15.11.2024 bis 14.11.2027. Die Drohnenbefliegungen als zentrales Element in temp-2-stress werden vor allem in den Sommermonaten 2025 und 2026 stattfinden.

Die Untersuchungen in temp-2-stress umfassten Laubmischwälder auf Level-II Monitoringflächen⁸ entlang eines Nord-Süd Gradienten in Niedersachsen und Hessen sowie komplementäre Flächen eines Waldbewässerungsversuchs im Hessischen Ried (SiZuRi Projekt⁹). 

Die mitteleuropäischen Wälder leiden als Folge des fortschreitenden Klimawandels zunehmend unter Trocken- und Hitzestress¹⁰. Dies führt zur Beeinträchtigung der Vitalität und erhöhter Baummortalität¹¹ und somit zur Einschränkung bzw. dem Verlust wichtiger ökologischer, ökonomischer und sozialer Waldökosystemfunktionen. Baumvitalität und -mortalität, ökosystemare Kenngrößen und ökophysiologische Zusammenhänge werden auf Monitoringflächen (z.B. den Level-II Flächen⁸) seit Jahrzehnten kleinflächig intensiv beobachtet und untersucht. Moderne Methoden der Fernerkundung zur Messung von Oberflächentemperaturen mit Drohnen und Satelliten bieten ergänzende Möglichkeiten zur Integration dieser Studien und zur Weiterentwicklung des Monitorings. In temp-2-stress sollen mithilfe von Drohnen- und Satellitenaufnahmen relativ großflächige und gleichzeitig hochaufgelöste Stressindexkarten erstellt und in einem nutzerfreundlichen Open-Source-Workflow zur Verfügung gestellt werden. 

In temp-2-stress werden kleinflächige Bodenreferenzmessungen mit Thermografie und Multispektroskopie von Drohnen- und Satellitensystemen kombiniert. So können Trocken- und Hitzestress auf den Skalen Baum, Bestand und Landschaft untersucht werden.

Allgemeine Standortinformationen sowie Bodenfeuchte, Matrixpotenzial, und Baumwachstum werden auf den Level-II Monitoringflächen⁸ bzw. den SiZuRi Forschungsflächen⁹ erhoben. Auf nahegelegenen Freiflächen erfolgen zusätzlich Messungen klimatischer Variablen (Lufttemperatur, Luftfeuchte, Globalstrahlung, Niederschlag, Windgeschwindigkeit), die u.a. zur Modellierung der potenziellen Evapotranspiration genutzt werden können. 

An einem DJI Matrice 350 RTK Drohnensystem¹² ist ein Micasense Altum PT Kamerasystem¹³ installiert (simultane panchromatische, multispektrale und thermale Aufnahmen). Zusätzlich ist ein 4-Komponenten Nettostrahlungssystem von Apogee ¹⁴auf der Drohne installiert. Die Thermalbilder und Strahlungsmessungen sind die Grundlage für die Modellierung der Evapotranspiration bzw. des Trockenstresses¹⁵, während die Multispektralaufnahmen zur Beurteilung der Baumvitalität genutzt werden. 

Analog zu den Thermalaufnahmen des Drohnensystems wird das Satellitenprodukt ECOSTRESS¹⁶ genutzt, um Evapotranspiration und Trockenstress auf größeren räumlichen Skalen zu untersuchen, bei einer räumlichen Auflösung von ca. 70 m. Auch ein Pendent zu den Multispektralaufnahmen der Drohne existiert als frei zugängliches Satellitenprodukt¹⁷ (z.B. von der ESA). Neben der räumlichen Skala erweitert das Einbinden der Satellitenmethoden auch die zeitliche Skala, da die Satellitenaufnahmen teils viele Jahre zurückreichen. 

Die Analysen von Trocken- und Hitzestress sollen bis zum Ende des Projekts in einem nutzerfreundlichen, weitestgehend automatisierten Workflow, soweit möglich unter Benutzung von Open-Source Lösungen, implementiert werden.

• 15. Nov 2024. Offizieller Projektstart
• 17. Jan 2025. Kick-Off Meeting mit allen Projektpartnern
• 1. Feb 2025. Projektstart für den temp-2-stress Doktoranden Simon Swatek
• Derzeit laufend: Integration von Drohnen-, Kamera-, Strahlungs- und Stabilisierungssystemen
• Geplant für März/April 2025: Erste Testflüge und Systemchecks

Blick von einem Forschungsturm auf das buchendominierte Kronendach im Solling.

• Ahongshangbam, J., Khokthong, W., Ellsäßer, F., Hendrayanto, Hölscher, D., Röll, A.: Drone-based photogrammetry-derived crown metrics for predicting tree and oil palm water use. Ecohydrology 12 (2019): e2115²⁰. 
• Ahongshangbam, J., Röll, A., Ellsäßer, F., Hendrayanto, Hölscher, D.: Airborne tree crown detection for predicting spatial heterogeneity of canopy transpiration in a tropical rainforest. Remote Sensing 12 (2020): 651²¹. 
• Bulusu, M., Ellsäßer, F., Stiegler, C., Ahongshangbam, J., Marques, I., Hendrayanto, Röll, A., Hölscher, D.: UAV-based thermography reveals spatial and temporal variability of evapotranspiration from a tropical rainforest. Frontiers in Forests and Global Change 6 (2023): 1232410²².
• Cortes-Molino, A., Valdes-Uribe, A., Ellsäßer, F., Bulusu, M., Ahongshangbam, J., Hendrayanto, Hölscher, D., Röll, A.: Combining UAV thermography, point cloud analysis and machine learning for assessing small-scale evapotranspiration patterns in a tropical rainforest. Ecohydrology 17 (2023): e2604²³. 
• Dash JP, Pearse GD, Watt MS. UAV multispectral imagery can complement satellite data for monitoring forest health. Remote Sensing. 2018 Aug 3;10(8):1216²⁴.
• Ellsäßer, F., Röll, A., Ahongshangbam, J., Waite, P.A., Schuldt, B., Hölscher, D.: Predicting tree sap flux and stomatal conductance from drone-recorded surface temperatures in a mixed agroforestry system - A machine learning approach. Remote Sensing 12(2020):4070²⁵.
• Ellsäßer, F., Röll, A., Stiegler, C., Hendrayanto, Hölscher, D.: Introducing QWaterModel, a QGIS plugin for predicting evapotranspiration from land surface temperatures. Environmental Modelling and Software 130 (2020): 104739²⁶.
• Ellsäßer, F., Stiegler, C., Röll, A., June, T., Hendrayanto, Knohl, A., Hölscher, D.: Predicting evapotranspiration from drone-based thermography – a method comparison in a tropical oil palm plantation. Biogeosciences 18 (2021): 861-872²⁷. 
• Fisher JB, Lee B, Purdy AJ, Halverson GH, Dohlen MB, Cawse‐Nicholson K, Wang A, Anderson RG, Aragon B, Arain MA, Baldocchi DD. ECOSTRESS: NASA's next generation mission to measure evapotranspiration from the international space station. Water Resources Research. 2020 Apr;56(4):e2019WR026058²⁸.
• Röll, A., Kang, T., Hahn, P., Ahongshangbam, J., Ellsäßer, F., Hendrayanto, Sharma, P., Wintz, T., Hölscher, D.: Complex canopy structures control tree transpiration: A study based on 3D modelling in a tropical rainforest. Hydrological Processes 37 (2023): e15045²⁹. 
• Valdés-Uribe, A., Hölscher, D., Röll, A.: ECOSTRESS Reveals the Importance of Topography and Forest Structure for Evapotranspiration from a Tropical Forest Region of the Andes. Remote Sensing 15 (2023): 2985³⁰. 

Bei Interesse an temp-2-stress, z.B. hinsichtlich Abschlussarbeiten, Projektkooperationen, potenzieller Folgeprojekte oder einfach aus Spaß an der Freude gerne Kontakt aufnehmen: