Wie Satelliten den Klimawandel im Detail erfassen
Die Analyse von Satellitenbildern spielt eine entscheidende Rolle bei der frühzeitigen Identifizierung und Eindämmung von extremen Wetterereignissen wie Stürmen, Dürren und Überschwemmungen. Wie funktioniert es?
Im Juli des vergangenen Jahres wurden Satellitenbilder veröffentlicht, die den außergewöhnlich niedrigen Wasserstand des Rheins verdeutlichten.
Foto: Planet Labs PBC
Anhand von Vorher-Nachher-Aufnahmen können beschädigte Gebiete nach Naturkatastrophen wie Überschwemmungen gezielt wiederaufgebaut werden. Darüber hinaus ermöglichen Satellitendaten eine kontinuierliche Überwachung von Ökosystemen wie Wäldern, Korallenriffen und landwirtschaftlich genutzten Flächen, um klimatische Veränderungen zu verstehen und Umweltschutzmaßnahmen zu unterstützen. Darüber sprechen wir mit Dr. Marcus Apel, er ist Director Strategic Accounts Europe bei Planet in Berlin und zuständig für die Zusammenarbeit mit deutschen Regierungs- und Forschungsinstitutionen.
Herr Dr. Apel, wie hat sich die Nachfrage nach Erdbeobachtungsdaten und Analysetools in den letzten Jahren verändert, insbesondere in Bezug auf die steigenden klimatischen Veränderungen?
Zerstörung der Kakhovka-Talsperre.
Foto: Planet Labs PBC
Die Nachfrage und das generelle Interesse an Satellitenbildern sind in Folge von immer extremeren klimatisch bedingten Katastrophen, wie Dürren und Waldbränden in Europa, gestiegen. Satellitenbilder werden zu einem immer wichtigeren Instrument, um tagesaktuelle Informationen zu erhalten und frühzeitig Maßnahmen zu ergreifen. Bereits seit 2021 kooperieren wir intensiv mit dem Bundesamt für Kartographie und Geodäsie: Im Rahmen der Zusammenarbeit stellt Planet dem BKG tagesaktuelle und hochauflösende Satellitendaten zur Verfügung. Mitarbeiter*innen von mehr als 400 Bundeseinrichtungen können direkten Zugang zu diesen Daten erhalten und sie unter anderem für den Umwelt- und Naturschutz, das Agrar- und Forstmonitoring sowie im Krisenmanagement nutzen. Satellitendaten sind auch ein wichtiges Instrument, um die Lage in der Ukraine zu beobachten: Nach der Zerstörung des Kachowka-Damms erstellte das Unternehmen NASA Harvest mit Hilfe von Satellitendaten von Planet innerhalb kurzer Zeit Analysen, wie sich der Dammbruch auf die umliegenden landwirtschaftlichen Flächen auswirkt.
Datengrundlage für deutsche Wälder
Welche spezifischen Informationen und Einblicke können Planets Satellitendaten über klimatische Veränderungen liefern, die andere Quellen möglicherweise nicht bieten können?
Vor allem für unsere Wälder und Gewässer sind Satellitendaten von entscheidender Bedeutung: So ist es durch die hohe Auflösung von unseren Satellitenbildern beispielsweise möglich, den Zustand von Baumgruppen bis hin zu nahezu jeder Baumkrone in den Wäldern hierzulande zu erfassen – und das beinahe täglich. Normalerweise werden Wälder anhand manueller Stichproben untersucht, um sich ein Bild über den jeweiligen Zustand zu machen – die Anzahl der Testbäume ist jedoch im Verhältnis zur Gesamtzahl aller Bäume sehr gering und das Verfahren somit weniger repräsentativ. Mit dem Fernerkundungsunternehmen EFTAS arbeiten wir daher an einer Datengrundlage für deutsche Wälder, um deren Zustand zeitnah, kontinuierlich und flächendeckend abzubilden – denn nur so können wir Maßnahmen ergreifen, um unsere Wälder widerstandsfähiger gegen die Herausforderungen des Klimawandels zu machen.
Auch für den Schutz unserer Gewässer sind Satellitenbilder entscheidend. In Folge des Klimawandels sinken die Wasserstände und gleichzeitig kommt es zu einem Anstieg der Wassertemperaturen. Durch die hohen Temperaturen steigt der Chlorophyllgehalt des Wassers schneller an und dies kann wiederum Algenblüten von toxischen Algen wie der Blau- oder Goldalge zur Folge haben. Das ist gerade in den Sommermonaten kritisch, da dies für Menschen und Tiere gefährlich sein kann, wenn sie beispielsweise in Badeseen mit dem kontaminierten Wasser in Kontakt kommen. Hier kommen unsere Satellitenbilder ins Spiel: Momentan ist laut EU vorgeschrieben, dass Badeseen mindestens einmal im Monat überprüft werden müssen. Gerade in seenreichen Bundesländern gibt es jedoch oft nicht genug Kapazitäten, um regelmäßig Messungen vor Ort durchzuführen. Daher hat Planet zusammen mit der Firma EOMAP ein System zum Gewässermonitoring entwickelt, das die beinahe tägliche Überwachung von Gewässern ermöglicht und kritische Veränderungen, wie den Anstieg des Chlorophyllgehalts anhand spezieller Filter frühzeitig erkennbar macht.
Dr. Marcus Apel, Director Strategic Accounts Europe bei Planet.
Foto: Planet Labs PBC
Wie können Planets Daten dazu beitragen, den Zustand von Ökosystemen wie Wäldern, Korallenriffen oder landwirtschaftlich genutzten Flächen in Bezug auf klimatische Veränderungen zu überwachen?
Im Falle der Wälder bedarf es wie bereits angesprochen neuer Ansätze und eines besseren Überblicks, um ihren Zustand zu verbessern. Hierfür eignen sich unsere Daten optimal, denn unsere Erdbeobachtungssatelliten kreisen unaufhörlich um die Erde und nehmen täglich Daten auf. Die Satellitenbilder werden dann über Bodenstationen an eine Analyse-Software übertragen. Dank der verschiedenen Spektralbänder können aus den Satellitendaten beispielsweise die Baumart sowie Marker für die Baumgesundheit extrahiert werden. Die KI-basierte Software des GeoIT-Dienstleisters EFTAS nutzt Satellitendaten von Planet sowie von Copernicus und liefert Nutzer*innen eine monatliche Analyse ihres ausgewählten Gebietes. Bei besonderen Ereignissen wie Stürmen kann die Analyse auch schneller erfolgen. Die Satellitendaten erfassen alle Wälder und Baumgruppen in Deutschland. Aus diesen Daten kann die Software Marker wie Waldschäden, Rodungen sowie die Kohlenstoffspeicherung erkennen.
Dank einer Auflösung von drei bis vier Metern pro Pixel kann der Zustand von Baumgruppen bis hin zu nahezu jeder Baumkrone betrachtet werden. So lassen sich monatlich aktualisiert konkrete Aussagen zu Vitalität, Baumarten und Waldstruktur treffen. Baumschäden teilt das Analyse-Tool in verschiedene Stufen ein und markiert diese unterschiedlich farbig auf der topographischen Karte, sodass Nutzer*innen auf einen Blick Schäden und Veränderungen erkennen können.
Auch im Fall von landwirtschaftlichen Flächen helfen Satellitenbilder, den Zustand der Pflanzen kontinuierlich zu beobachten und frühzeitig entsprechende Maßnahmen einzuleiten. Landwirt*innen können beispielsweise sehen, ob die Pflanzen trocken oder von Schädlingen befallen sind und Wasser und Pestizide gezielt nur dort einsetzen, wo es nötig ist – ein enormer Vorteil für unsere Umwelt.
Satellitenbilder unterstützen uns auch dabei, wertvolle Informationen über unsere Ozeane zu gewinnen: Für den Allen Coral Atlas stellte Planet Satellitenbilder zur Verfügung, um den grundlegenden Datensatz für diesen Atlas zu erstellen. Die Plattform legt dann zusätzliche, von Expert*innen bereitgestellte wissenschaftliche Daten über Ökosysteme über die Bilder, um den Schutz und die Erhaltung von Korallenriffen und die Einrichtung von Meeresschutzgebieten zu unterstützen.
Überblick über den Zustand der 11,4 Millionen Hektar Wald in Deutschland
Gibt es konkrete Beispiele, in denen Planets Daten und Analysetools dazu beigetragen haben, Umweltschutzmaßnahmen oder Anpassungsstrategien im Zusammenhang mit dem Klimawandel zu unterstützen?
Auf jeden Fall – ein Beispiel ist sicherlich das Waldmonitoring. Die Klimaschutzwirkung unserer Wälder ist durch Dürren, Stürme und Schädlinge wie den Borkenkäfer immer stärker bedroht. 80 Prozent der im Rahmen der Waldzustandserhebung der Bundesregierung im Jahr 2022 untersuchten Bäume weisen einen Kronenschaden auf. Zudem ergab eine Risikoanalyse des Thünen-Instituts, die auch im Waldbericht 2021 zitiert wird, dass etwa ein Viertel der deutschen Waldfläche besonders anfällig für Trockenheit und Dürre sind. Ursache dafür ist die Zusammensetzung aus hauptsächlich Fichten und auch Buchen. Aus diesem Grund hat die Bundesregierung die Aufforstung mit heimischen Sorten zum Ziel, um so Mischwälder zu formen, die resilienter gegen den Klimawandel sind. Satellitenbilder geben einen Überblick über den Zustand der 11,4 Millionen Hektar Wald in Deutschland und helfen bei der Durchführung dieser Maßnahmen.
Bazaruto Archipels vor der Küste Mosambiks.
Foto: Planet Labs PBC
Gibt es ein Satellitenbild, das Sie persönlich besonders beeindruckt hat und das Sie als das Spektakulärste bezeichnen würden?
Es gibt einige spektakuläre Aufnahmen, da unsere Satelliten viele beeindruckende Naturschauspiele festhalten, die aus dem All nochmal ganz anders wirken. Ein Beispiel dafür ist eine Aufnahme des Bazaruto Archipels vor der Küste Mosambiks: Der durch Winde aufgewühlte Sand sorgt für ein brillantes Farbenspiel.
Mit Hilfe von Satellitenbildern frühzeitig Maßnahmen zur Schadensbegrenzung einleiten
Gibt es ein bestimmtes Bild, das Sie gesehen haben und das Sie in Bezug auf den Klimawandel besonders alarmiert hat?
Letztes Jahr im Juli gab es Satellitenbilder, die den extrem niedrigen Wasserstand des Rheins zeigen. Das Niedrigwasser war letzten Sommer nah an dem niedrigsten Wert, der je gemessen wurde. Die frühen Hitzewellen und Dürreperioden, die in Ländern wie Frankreich oder Italien dieses Jahr auch schon in den Wintermonaten höchst problematisch waren, zeigen, dass dies keine Ausnahme war, sondern eine Herausforderung, die bald zur Normalität werden kann. Ein weiteres Beispiel, das den Ernst der Lage deutlich zeigt, sind die Aufnahmen der aktuellen Brände in Griechenland.
Inwiefern kann die Analyse von Satellitenbildern dabei helfen, frühzeitig extreme Wetterereignisse wie Stürme, Dürren oder Überschwemmungen zu identifizieren und möglicherweise Maßnahmen zur Schadensbegrenzung einzuleiten?
Im Falle von Umweltkatastrophen wie der Flutkatastrophe im Ahrtal, die sich vor Kurzem zum zweiten Mal gejährt hat, können wir mit Satellitendaten beispielsweise anhand von Vorher-Nachher-Aufnahmen sehen, welche Regionen oder Gebäude besonders beschädigt wurden, was wiederum hilft, gezielte Wiederaufbau-Maßnahmen zu treffen. Ein aktuelles Beispiel ist auch die Umweltkatastrophe in der Oder. Dabei handelt es sich nicht unbedingt um ein Wetterereignis, jedoch hätten wir hier mit Hilfe von Satellitenbildern frühzeitig Maßnahmen zur Schadensbegrenzung einleiten und das Ausmaß des Fischsterbens verringern können. Denn genau wie in dem oben genannten Beispiel der Badeseen lässt sich das System zum Gewässermonitoring von Planet und EOMAP auch auf Flüsse anwenden.
Anhand der Analyse tagesaktueller Satellitenbilder konnte herausgefunden werden, dass auch hier eine Algenblüte die Ursache für die Umweltkatastrophe war und diese Algen sich erst durch die Einleitung salzhaltiger Abwässer so stark vermehrten. Zu starke Sonneneinstrahlung sowie niedrige Wasserstände sind ebenfalls Faktoren, die das Algenwachstum wahrscheinlich begünstigten. Auch jetzt befinden sich die Werte wieder in einem kritischen Bereich – und genau deshalb sind tagesaktuelle Daten und eine regelmäßige Überwachung so entscheidend, um frühzeitig reagieren zu können.
Im Falle von Überschwemmungen, Stürmen oder Erdbeben, wie Anfang des Jahres in Syrien und der Türkei, helfen Satellitenbilder vor allem im Nachgang der Katastrophe. So hat unter der Leitung des Microsoft AI for Good Labs ein Team aus mehreren Partnern ein Bewertungssystem erarbeitet, um mit Hilfe von hochauflösenden Satellitendaten, unter anderem von Planet, das Ausmaß der Schäden an Gebäuden in der von den Erdbeben betroffenen Region in der Türkei zu beurteilen. Dafür analysierte das Team Satellitendaten und Gebäudegrundrisse von vier türkischen Städten, für die als erstes Satellitenbilder verfügbar waren. Anhand dessen wurden die Gebäude dann als beschädigt oder nicht beschädigt eingestuft.
KI-Trainingsdatensätze für Erdbeobachtung
Welche Rolle spielen künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen bei der Analyse der riesigen Datenmengen, die von den Satelliten erfasst werden, um wertvolle Erkenntnisse zu gewinnen?
Wir denken, dass Satellitendaten noch so viel Potenzial bieten. Und angesichts der rasanten Fortschritte in den Bereichen KI und maschinelles Lernen sind wir gespannt auf neue Projekte, die diese Technologien kombinieren. Planet ist bekannt für den Bau vieler Kleinsatelliten mit einem schnellen Iterations- und Innovationszyklus. Da wir jeden Tag ein Abbild jedes Punktes der Erde erstellen, ist ein riesiger Datensatz entstanden, der von Menschen nicht mehr manuell gesichtet und ausgewertet werden kann. Unser umfassendes Archiv und unsere Datenerfassung bilden jedoch die Grundlage für unsere weitere Entwicklung. Wir und unsere Partner nutzen künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen, um diese Bilder konsistent zu machen und sie für die Analyse durch andere Algorithmen vorzubereiten.
Wir setzen Computeralgorithmen ein, um Objekte und Muster zu extrahieren – Straßen, Gebäude, Veränderungen im Laufe der Zeit – alles auf der Grundlage des maschinellen Lernens von heute. Unsere Erkennung von Straßen- und Gebäudeveränderungen beispielsweise nutzt Computervision, um den Nutzer*innen wöchentlich anzuzeigen, wo landesweit neue Straßen gebaut oder neue Gebäude errichtet worden sind. Als Reaktion auf Horizon 2020 haben wir im Mai dieses Jahres einen der größten KI-Trainingsdatensätze für Erdbeobachtung für Forscher*innen freigegeben. Im Rahmen des RapidAI4EO-Konsortiums haben wir einen umfassenden Satz von Satellitendaten zur Verfügung gestellt, der 500 Flächen in ganz Europa abdeckt, um KI-Algorithmen für die Erkennung von Landnutzungsänderungen zu trainieren, zum Beispiel um zu sehen, wo Waldflächen in landwirtschaftliche Nutzflächen umgewandelt wurden.
Inwieweit können Planets Daten dazu beitragen, die Auswirkungen des Klimawandels auf die städtische Entwicklung, insbesondere im Hinblick auf den Anstieg des Meeresspiegels und die Anfälligkeit von Küstenstädten, zu verstehen?
Forscher*innen haben kürzlich ein Paper über die Kartierung von Klimarisiken für städtische Siedlungen veröffentlicht. Durch die Nutzung von Planet-Satellitendaten konnten sie städtische Regionen kategorisieren und Gebiete identifizieren, die durch Klimakatastrophen wie Überschwemmungen aufgrund von hoher Bevölkerungsdichte und schlechter Bauweise gefährdet sein könnten.
Was sind Ihre Visionen für die Zukunft von Planet Labs in Bezug auf den Beitrag zur Überwachung und Analyse klimatischer Veränderungen, und wie planen Sie, die Technologie und die Datenerfassung weiterzuentwickeln, um diesen Beitrag zu stärken?
Mein großer Wunsch wäre es, dass Bundesländer und -behörden auf unsere Technologien aufmerksam werden und diese nutzen. Mit unseren Technologien können wir die Digitalisierungsstrategie der Bundesregierung perfekt unterstützen.
Verständnis für die globalen Methan- und Kohlendioxid (CO2)-Emissionen verbessern
Wie trägt die hyperspektrale Datenanalyse von Planet Labs dazu bei, CO2-Emissionen zu beobachten und zu überwachen?
Wir arbeiten an einer neuen Satellitenkonstellation mit dem Namen „Pelican“. Pelican soll Bilder mit einer höheren Auflösung von bis zu 30 cm liefern, durch die Kunden detailliertere Informationen erhalten und die es ermöglichen, die Standortgenauigkeit zu verbessern. Pelican bietet den Kunden auch eine schnellere Wiederholrate, mit bis zu 30 Bildaufnahmen pro Tag. Auf diese Weise können Nutzer*innen Ereignisse und Veränderungen mehrmals am Tag erfassen, wodurch sich die Wahrscheinlichkeit erhöht, auch bei bewölktem Wetter ein hochwertiges Bild zu erhalten.
Wir arbeiten auch an einer neuen Konstellation mit dem Namen „Tanager“. Diese Satelliten liefern Hyperspektraldaten mit einer Auflösung von 30 Metern und über 400 Spektralbändern, die den Kunden helfen, soziale, ökologische und klimatische Risiken in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit zu erkennen. Sie sind gleichzeitig eine weitere Maßnahme von Planet im Kampf gegen den Klimawandel.
In Kombination mit unseren bestehenden Konstellationen mit mittlerer und hoher Auflösung sollen die von den Tanager-Satelliten gelieferten Hyperspektraldaten unseren Datensatz ergänzen und verbessern. Diese neue Konstellation wird im Rahmen unserer Partnerschaft mit der Carbon Mapper Coalition auf den Markt gebracht. Carbon Mapper ist eine gemeinnützige Organisation und ein Programm, das dazu beitragen soll, das Verständnis für die globalen Methan- und Kohlendioxid (CO2)-Emissionen zu verbessern und deren Verringerung zu beschleunigen. Carbon Mapper soll mit Hilfe unserer Konstellation von mehreren Satelliten mindestens 80 Prozent der punktuellen CH4- und CO2-Emissionsquellen auf dem Planeten aufspüren.
Ein Beitrag von:
