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Eine Waldlichtung im Nationalpark Harz mit vielen abgestorbenen Bäumen. Foto: imago images/Jannis Große
© imago images/Jannis Große

Öko-Überwachung aus dem All Frühwarnsystem für kranke Wälder

Forscher wollen Satellitendaten nutzen, um bedrohliche Veränderungen in Ökosystemen schnell zu erkennen. Ein Ziel: gefährdeten Wäldern frühzeitig zu helfen.

Dem Wald geht’s schlecht. 2020 wurden in Deutschland 80 Millionen Kubikmeter Holz geschlagen, so viel wie nie zuvor seit der Wiedervereinigung. Der größte Anteil: Schadholz – von Trockenheit und Borkenkäfern zerstörte Bäume. Die abgeräumten Flächen sehen gespenstisch aus, das Ökosystem Wald ist dort für jeden sichtbar geschädigt. Hätte man das vorhersehen können? Mit Satellitentechnik schon, meinen Fachleute. Sie wollen ein Frühwarnsystem entwickeln, um Gefahren für den Wald zeitig zu erkennen.

„Es begann mit dem heißen Sommer 2018, dem ein milder Winter folgte und der nächste heiße Sommer 2019“, erinnert Miguel Mahecha von der Universität Leipzig. „Der immense Umfang des zu erwartenden Schadens war 2018 noch gar nicht absehbar, selbst Forstexperten wurden später überrascht.“ Aus dem All hingegen hätten sie das Ausmaß in vielen Flächen besser erkennen können.

Der Satellit „Sentinel-2“, der im Rahmen des europäischen Copernicus-Programms Umweltveränderungen erfasst, lieferte Spektraldaten der Wälder, die man rückblickend als Trockenstress interpretiert. Die geschwächten Bäume waren anfällig für Borkenkäfer, das Resultat ist nun zu sehen. „Es war eine Verkettung von Ereignissen, die für sich genommen verkraftbar wären“, sagt der Leipziger Wissenschaftler. „Doch hier schaukelten sie sich regelrecht auf.“

Spektralaufnahmen erkennen Pflanzenstress

Künftig sollen Forstbetriebe früher gewarnt werden – vom Projekt „Digital Forest“ das von der Universität Göttingen aus koordiniert wird. „Es gibt mittlerweile viele Satellitendaten, die regelmäßig erhoben werden und verschiedenste Wellenlängen abdecken von Infrarot über sichtbares Licht bis zu Radarwellen“, sagt Mahecha. Jeder Kanal hat seine Stärken: Radarwellen können sehr genau die Oberflächengestalt vermessen und erkennen beispielsweise, ob ein Kronendach lichter wird. Sie können Wolken passieren und erlauben wetterunabhängiges Arbeiten.

Spektralaufnahmen erkennen Pflanzenstress, Kohlendioxidaustausch und Stoffwechselaktivität. Noch würden die Sensordaten einzeln ausgewertet. „Wir wollen diese Daten so anpassen, dass sie miteinander verbunden werden können, um ein vollständiges Bild der Waldflächen zu erhalten“, sagt der Forscher. „Zudem wollen wir mit Methoden der Künstlichen Intelligenz die komplexen Interaktionen analysieren.“

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Das System soll die „interne Dynamik eines Ökosystems erlernen“, um frühzeitig zu warnen, wenn sich das nächste Unheil abzeichnet. Viel früher als aufmerksame Forstleute mit bloßem Auge vom Boden aus können.

Auch jenseits der Gefahrenabwehr können Satelliten helfen, den Zustand der Umwelt und die Biodiversität zu beobachten. „Die Aufnahmen haben eine Auflösung zwischen 5 und 20 Metern“, sagt Angela Lausch vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) in Leipzig. „Das reicht natürlich nicht, um einzelne Blumen oder Käfer zu beobachten.“

Eine Karte zeit Grünflächen in Deutschland. Foto: Nasa/ESA/HU Berlin/ZALF Vergrößern
Eine Kartierung der Landwirtschaft in Deutschland - zusammengesetzt aus Daten von Copernicus/Sentinel und Landsat. © Nasa/ESA/HU Berlin/ZALF

Größere Areale wie Waldstücke oder Graslandschaften aber können sehr wohl analysiert werden. Da liefern die mehrere Meter großen Pixel Durchschnittswerte für alle Pflanzen, erklärt die Forscherin. Je nach Satellit erfolgen Überflüge binnen weniger Tage oder Wochen. So erhalten die Wissenschaftler mehrere Momentaufnahmen, die sie vergleichen. Daraus lassen sich Wachstum und Blüte von Pflanzen ermitteln. Oder bei Gewässern Überdüngung und Algenblüten erkennen.

„Viele Behörden haben nicht die Zeit, häufig Messungen vor Ort vorzunehmen“, sagt Lausch. „Und wenn, dann ist es nur eine Punktmessung am Ufer.“ Dem Charakter eines Sees mit seinem großen Volumen und Strömungen werde das kaum gerecht. Der Blick aus dem All sei umfassender. Damit die Fachleute die Satellitendaten richtig interpretieren, sei es dennoch unerlässlich, regelmäßig die betreffenden Areale aufzusuchen und In-situ-Messungen zu machen.

[Lesen Sie auch diesen Artikel von Cordula Eubel: Dem Wald geht es so schlecht wie noch nie]

Bei der behördlichen Umweltüberwachung sieht die UFZ-Expertin noch ein Problem. „Inzwischen sind sehr viele Satelliten aktiv und es gibt eine gewaltige Menge an Daten.“ Doch diese werde nicht immer im möglichen Umfang genutzt, auch weil fast nur in Englisch publiziert wird.

Hoffnung auf neue Generation in Behörden, die Englisch kann

„Das ist eine Hürde“, sagt Lausch. „Wissenschaftliche Ansätze, die wirklich cool sind, kommen wenig in Behörden an.“ Sie setzt auf den Nachwuchs, für den die Sprache kein Hindernis mehr sei. Ein weiterer Schritt: Das Copernicus-Programm wird besser auf die Nutzer der Satellitendaten ausgerichtet. Fachtagungen werden in Deutsch abgehalten, um den Transfer in die Praxis zu verbessern.

Neben den Copernicus-Daten, die frei zugänglich sind, gibt es auch noch kommerzielle Satellitenbetreiber wie Planet. Die überfliegen die einzelnen Regionen noch häufiger und die Bilder sind noch besser in der Auflösung, doch sie müssen gekauft werden. „Für bestimmte wissenschaftliche Fragen sind die Aufnahmen genial, vorausgesetzt man bekommt das Geld dafür“, sagt Lausch.

Ausgewählte Daten werden kostenlos bereitgestellt. So kooperiert Planet mit Airbus und dem Satellitenserviceunternehmen KSAT, um hoch aufgelöste Bilder der tropischen Regenwälder anzubieten. Sie dokumentieren den Zustand dieser Ökosysteme und die Schäden durch Abholzung. Jedes Jahr wird tropischer Regenwald auf einer Fläche vernichtet, die größer ist als Belgien. „Wir geben die Daten an Forstbehörden in 64 Ländern und Organisationen wie die Vereinten Nationen“, erläutert der Gründer und Chef von Planet Will Marshall. „Je mehr Daten wir den Menschen geben, die etwas zu entscheiden haben, umso besser.“

Das Programm wird mit 37 Millionen Euro von der internationalen Klima- und Forstinitiative (NICFI) der norwegischen Regierung finanziert. Die Satellitenbilder könnten dazu beitragen, Investoren in jene Länder zu lenken, die die Abholzung stoppen und das nachweisen möchten, erläutert Andreas Dahl-Jørgensen vom NICFI.

Die Bilder würden auch der indigenen Bevölkerung helfen. „Sie sind meist besonders betroffen vom Raubbau, aber nicht Teil der politischen Debatte.“ Mit den Satellitenaufnahmen können sie besser auf ihre Bedrohung und Interessen aufmerksam machen. Ralf Nestler

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