Die Forschung an verbesserten Methoden und Technologien für unbemannte Flugsysteme (engl. Unmanned Aerial Vehicles (UAVs)) hat in den letzten Jahren einen immensen Aufschwung erfahren. Die Auswahl an erschwinglichen Plattformen sowie Onboard-Sensoren mit hoher Genauigkeit wächst stetig und ermöglicht die Nutzung von UAVs für die Fernerkundung in diversen Beobachtungs- und Überwachungsaufgaben sowie in der Katastrophenhilfe. Diese Arbeit behandelt das anspruchsvolle Anwendungsszenario der Beobachtung atmosphärischer Ausbreitungsprozesse durch mehrere mit Sensoren ausgestattete UAVs. Hierbei soll ein Team autonomer UAVs sich derart durch ein Gebiet bewegen, dass die unterwegs gesammelten Messdaten von maximalem Nutzen sind und die Kooperation der Teammitglieder untereinander bestmöglich ausgenutzt wird. Die hier vorgestellte Lösung dieses Problems besteht aus drei Teilen. Für die Regelung kooperativer Mehrfahrzeugsysteme wurde ein dezentraler modell-prädiktiver Regelungsansatz entwickelt, der auf gemischt-ganzzahligen linearen Systembeschreibungen basiert. Als adaptive datengesteuerte Messstrategie werden mittels sequentieller optimaler Versuchsplanung fahrzeugspezifische Messtrajektorien mit maximalem Informationsgehalt berechnet. In einem letzten Schritt werden beide Methoden dann zu einem neuartigen dezentralen und dynamisch datengesteuerten kooperativen Regelungsansatz kombiniert. Während der Entwicklung und Implementierung aller Lösungskomponenten wurde besonderes Augenmerk auf numerische Effizienz und Anpassbarkeit gelegt, um die Anwendung des vorgestellten Ansatzes in dezentralen und sich verändernden heterogenen Fahrzeugkonstellationen zu ermöglichen. Obwohl sich der Anwendungsfall der Beobachtung atmosphärischer Ausbreitungsprozesse durch UAVs als Motivation durch die gesamte Arbeit zieht, ist die Anwendbarkeit der entwickelten Lösung nicht auf dieses spezifische Szenario beschränkt. Sie kann leicht für die Verwendung anderer Fahrzeugtypen oder die Betrachtung anderer dynamischer Prozesse angepasst werden und eignet sich dadurch für viele verschiedene verwandte Fragestellungen. Die Ergebnisse von durchgeführten Physik-Simulationen mehrerer repräsentativer multi-kriterieller Beobachtungsszenarien demonstrieren die Anwendbarkeit, Vielseitigkeit und Effektivität der entwickelten Methoden.