Die Stadt Arnsberg im Sauerland ist bekannterweise der Wohnort von Bundeskanzler Friedrich Merz. Aber sie ist natürlich viel mehr. Bei manchen Experten gilt sie beispielsweise auch als (heimliche) Waldhauptstadt Deutschlands. Nicht nur aufgrund der Lage in der waldreichen Region, sondern auch historisch gesehen. Bereits im Jahr 1368 gab es dort ein bis dato historisch einmaliges Wald-Ereignis: Der damalige Fürst Gottfried IV. blieb kinderlos und schenkte seinen Forstbesitz den Bürger:innen Neheims, heute ein Ortsteil der Stadt Arnsberg). Noch heute gibt es zum Gedenken dort das jährlich stattfindende Donatorenfest.

Dashboard des Waldmonitor Arnsberg – entwickelt durch RSS. Hier finden sich flurstücksscharfe Fachinformationen zum Wald bis auf Ebene von Einzelbäumen. Bild: Remote Sensing Solutions GmbH (RSS)

Es ist deshalb kein Zufall, dass Arnsberg den ersten kommunalen Waldmonitor in Deutschland erstellt hat. Und wer genauer hinschaut, stellt fest, dass dies auch eines der interessantesten Projekte hierzulande ist, was fachliche Fragestellungen aus den Bereichen Fernerkundung, GIS und 3D-Modellierung darstellt.
Die auch als Digitaler Waldzwilling bezeichnete Lösung erlaubt es, die Entwicklung des Zustandes von Laub- und Nadelbäumen in Bezug auf ihre Vitalität und ihren Wassergehalt zu überwachen, die Waldbiomasse und den darin gespeicherten Kohlenstoff zu schätzen und die Schadflächen der letzten Jahre zu quantifizieren. Der Waldmonitor Arnsberg ist ein Projekt des Smart City Modellprojekts „5 für Südwestfalen“. Initiiert wurde er von der Stadt Arnsberg, entwickelt von der Firma Remote Sensing Solutions GmbH und wissenschaftlich begleitet von der Naturwald Akademie aus Lübeck.

Satellitendaten als Basis
Der Waldmonitor bietet nun erstmals alle Informationen flurstückspezifisch an, wodurch mittels Klicks in der interaktiven Karte alle Statistiken pro Flurstück angezeigt werden können.
Eine Schlüsselfunktion übernimmt die Fernerkundung und dort vor allem das europäische Copernicus-Programm, über das die Daten der Sentinel-Satelliten-Missionen kostenfrei zur Verfügung gestellt werden. „Die Daten sind so leistungsfähig, dass selbst kleinere Kommunen davon profitieren können“, sagt Dr. Jonas Franke, Geschäftsführer der Remote Sensing Solutions (RSS) GmbH.
In Arnsberg werden sogar neue Denkansätze für die Forstwirtschaft verfolgt. Haben bisherige Waldmonitoring-Konzepte eher vom Kleinen ins Große geschätzt, geht man in der Fernerkundung anderes herum vor: Vom Großen ins Kleine. Arnsberg ist demnach auch ein Prüfstein für die Frage, wie die Fernerkundung auch kleineren Gebietskörperschaften helfen kann.
Sentinel-Daten sind also ein sogenannter Enabler des Projekts. Sie liefern „alle paar Tage einen flächendeckenden Datensatz“, sagt Franke und beschreibt damit wesentliche Vorteile der Satellitendaten: große Flächen homogen in schnell wiederkehrenden Zyklen erfassen – und das bei Copernicus sogar kostenfrei. In Arnsberg sind im Wesentlichen Daten aus der Sentinel-2-Konstellation im Einsatz, die optische Daten inklusive Infrarotanteil beinhalten. Obwohl bei anderen forstwirtschaftlichen Forschungen auch Sentinel-Daten der Konstellationen 1 und 3 genutzt werden.

Das Schloss Arnsberg aus dem 11. Jahrhundert war eine der Keimzellen der Stadt Arnsberg. Quelle: Foto: Alaska / stock.adobe.com

Einzelbäume erkennen und schätzen
Mit den Sentinel-Daten allein lassen sich jedoch keine Einzelbäume bestimmen. Hier kommen sehr hoch aufgelöste Luftbilder ins Spiel, die genau dies ermöglichen. Mit ihnen können sogar Baumhöhen berechnet werden (in Arnsberg nutzt man dafür amtliche, digitale Gelände- und Oberflächenmodelle (DGM)), um daraus dann Baumhöhen und in der Folge sogar Volumenbestimmungen des Waldes zu berechnen.
Die Satellitendaten ermöglichen wiederum ein ausgeklügeltes Schätzverfahren, um aus den per Luftbild gewonnenen Detaildaten valide Flächendaten zu gewinnen. RSS arbeitet dabei eng mit der Naturwald Akademie in Lübeck zusammen, der eine Art Think-Tank in Deutschland darstellt und eng in dem Arnsberger Projekt mitgearbeitet hat. So entstehen moderne, modellgestützte Biomassebestimmungen sowie Schätzungen des in der Waldbiomasse gebundenen Kohlenstoffs. „Wir haben eine operationelle Monitoring-Plattform mit sehr innovativen Tools aufgebaut, die beliebig auf andere Kommunen übertragbar ist“, so Franke.
Die Stadt Arnsberg hat so etwa auch Kohlenstoffsenken modelliert, etwa vor dem Hintergrund der LULUCF-Verordnung für Treibhausgasemissionen. Aber es war auch klar, dass der Digitale Zwilling nicht nur ein Thema für die Fachöffentlichkeit ist. Im Sauerland ist „der Wald“ Wirtschaftsraum, Erholungsraum, touristischer Playground und Teil der regionalen Identität auf einmal. Was nach dem Dürre-Schock der späten 2010er Jahre auf besonders fruchtbaren Boden fiel. Der Digitale Zwilling Wald dient demnach dazu, die Menschen für neue Visionen der regionalen Entwicklung zu sensibilisieren und mitzunehmen – eine Art Data-driven-Democracy.
Folglich ist die Visualisierung des Digitalen Waldes ein besonderes Thema, es galt eine intuitive und für jede Interessenslage geeignete Darstellung zu ermöglichen. RSS hat dafür das entsprechende Dashboard entwickelt, das Übersichtlichkeit und Fachlichkeit zugleich unterstützt. „Die Themen UX und UI waren sehr wichtig in dem Projekt“, sagt Franke.

Weltweite Erfahrungen
RSS ist im Bereich Fernerkundung schon seit 25 Jahren aktiv und unterstützt weltweit Projekte und Unternehmen mit Lösungen im Bereich Umweltmonitoring. Mit der Entwicklung VerifAId, bietet RSS auch Plattformen an, mit denen man global Klimaschutzprojekte überwachen sowie automatisch Abholzung von Wäldern im Rahmen der Europäischen Entwaldungsverordnung erkennen kann. In vielen internationalen Projekten werden unter anderem innovative und praxisrelevante Lösungen in den Bereichen des Ausbaus erneuerbarer Energien, Renaturierung von Mooren und im Bereich Gesundheit entwickelt. Arnsberg ist eines der ersten Projekte auf kommunaler Ebene. Die kostenlose Verfügbarkeit der Copernicus-Daten war dafür ein Türöffner. Es galt aber, mehrere Schwellen zu überwinden, vor allem in der an traditionelle Methoden gewöhnten Forstwirtschaft. „Die Kosten, die Verfügbarkeit der Daten oder Know-how Barrieren, waren früher eine Ursache für ein zögerliches Interesse an der Fernerkundung“, sagt Franke.

Dashboard des Arnsberger Waldmonitorings. Viel Wert wurde dabei auf UX und UI gelegt, schließlich gibt es viele Nutzer mit sehr unterschiedlichen Erfahrungshintergründen. Bild: Remote Sensing Solutions GmbH (RSS)

Von 2D zu 3D
Im Dashboard des Digitalen Waldzwillings sind derzeit nur 2D-Daten sichtbar, die Arnsberger:innen arbeiten aber schon am nächsten Schritt. Nämlich an der Verbindung mit dem städtischen Zwilling und damit auch an 3D. Aktuell generieren die Projektmitarbeiter:innen ein 3D-Mesh des Waldes, um ihn integrieren zu können. In Kombination entsteht nochmals neuer Nutzen. „Wir denken schon sehr weit, beispielsweise ist der Waldboden auch für Starkregensimulationen der Stadt wichtig, weil die Speicherfähigkeit des Bodens auch ein entscheidender Eingangsparameter für Simulationen ist und so Wirkung auf Geo- und Klimarisiken für Siedlung, Gebäude und Gewerbe hat“, so Sebastian Witte, Referatsleiter für nachhaltige Entwicklung in Arnsberg, der auch das Projekt Digitaler Zwilling mit verantwortet hat.
www.arnsberg.digital
www.remote-sensing-solutions.com

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Der Mitigrate-Dienst bewertet einzelne Maßnahmen für den Hochwasserschutz von Gebäuden. Dazu zählen die Anlage von Versickerungsflächen sowie einfache Maßnahmen wie den Gebrauch von Sandsäcken.
Fotos: ESA

Gebäudescharfe Berechnungen
Mit der Lösung können Gebäude auf Adressebene analysiert und das Risikoniveau einzeln bestimmt werden. Die entwickelten Empfehlungen für Maßnahmen der Risikominimierung werden an die individuellen Bedürfnisse jeder Immobilie angepasst. Besichtigungen vor Ort sollen so überflüssig werden. „Der Zugang zu Weltraumtechnologie und die Unterstützung durch das BASS-Programm haben maßgeblich zur Beschleunigung unserer Produktinnovation beigetragen“, sagte Laurent Feuilleaubois, CEO von Mitigrate. „Durch die Integration von Satellitendaten und fortschrittlichen Analysen haben wir einen skalierbaren Dienst geschaffen, der es Versicherern nicht nur ermöglicht, Hochwasserrisiken effektiver zu managen, sondern auch neue Märkte und Kundensegmente erschließt. Die Unterstützung der ESA gab uns das Vertrauen – und die Werkzeuge –, schneller voranzukommen, intelligenter zu arbeiten und der Versicherungsbranche einen echten Mehrwert zu bieten.“
„Mitigrate bietet einen einzigartigen Service, der sowohl Versicherer als auch Versicherungsnehmer unterstützt, indem er dazu beiträgt, das Risiko von Überschwemmungsschäden zu verringern und die Versicherbarkeit von Immobilien zu verbessern“, sagte Christopher Frost-Tesfaye, Projektmanager bei ESA. „Wir sind stolz darauf, Mitigrate und ihre innovative Antwort auf die Herausforderungen des Hochwasserrisikos zu unterstützen.“

Dienst bereits in Norwegen im Einsatz
Im Rahmen des ESA-Projektes wendete Mitigrate seinen Service für die zehn größten Städte Norwegens. In diesem Zuge wurde ein dreijähriger Vertrag mit dem norwegischen Versicherer Gjensidige geschlossen. Nach Angaben der ESA gibt es derzeit Gespräche mit anderen Unternehmen in den nordischen Ländern, Großbritannien und Deutschland. Der Mitigrate-Dienst deckt aktuell bereits 35 Millionen Gebäude in Norwegen und Großbritannien ab und soll europaweit erweitert werden.

www.mitigrate.com

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Aufnahmen aus dem südfranzösischen Miramas, inklusive der Motorsport-Rennstrecke, stammen von der PlanetScope-Konstellation und besitzen eine Auflösung im Bereich weniger Meter. Mithilfe dieser Aufnahmen verifizierten die Forschenden unter anderem die KI-basierten Analysen der Landnutzung. Quelle: ESA

Die EU hat sich zum Ziel gesetzt, dass ab dem Jahr 2050 statistisch gesehen keine Natur- bzw. Ackerflächen mehr in Siedlungs- oder Verkehrsflächen umgewandelt werden. Davon ist man jedoch noch weit entfernt. Eine aktuelle Analyse von Satellitenbildern, die von einer europäischen journalistischen Initiative durchgeführt wurde, zeigt, dass die offiziellen Analysen der Europäischen Umweltagentur EEA den Verlust an Fläche in den letzten Jahren unterschätzen und der Trend zum Landverbrauch sogar ansteigt. Demnach verliert Europa jedes Jahr rund 1.500 Quadratkilometer an Grünfläche – etwa dreimal die Fläche des Bodensees. Seit Langem schätzt die Europäische Umweltagentur die Zahlen für die jährliche Landnahme in Europa. Diese waren jedoch geringer: Sie kam auf nur 1.000 Quadratkilometer im Jahr in den Jahren 2000 bis 2018.

Dabei haben sich Deutschland und die EU ambitionierte Ziele gesetzt. So will die Bundesregierung den Flächenverbrauch bis 2030 auf 11.000 Hektar pro Jahr beschränken. Die EU fordert sogar, dass bis 2050 netto keine weiteren Flächen mehr verbaut werden dürfen.

Ursprung in Norwegen

Im Vergleich zu früheren Zeiträumen vor 2018 besitzen die ausgewerteten Satellitenbilder eine hohe Auflösung von 10 Metern. Dadurch konnten erstmals auch kleinräumige Veränderungen wie Einzelgebäude oder Verkehrswegekorridore erfasst werden.

Die Untersuchung geht auf eine Initiative in Norwegen zurück. Dort wurden erstmals Satellitenbilder und KI eingesetzt, um den Flächenverbrauch im Land zu kartieren. Dazu hatten sich Journalisten und das NRK zusammengetan und 40.000 Satellitenbilder aus den Jahren 2017 bis 2022 ausgewählt.

Daraufhin wurde die europäische Initiative „Arena for Journalism” aufmerksam, eine gemeinnützige Organisation zur Förderung des kooperativen investigativen Journalismus. Im Januar 2025 begann schließlich ein Team aus elf Ländern, die Daten für Europa insgesamt auszuwerten. Die Ergebnisse wurden kürzlich veröffentlicht.

Die europäischen Länder wandeln deutlich größere Flächen als bisher angenommen in Wohngebiete, Tourismusresorts, Industriegebiete und andere Arten von Bebauung um. Zwischen 2018 und 2023 wurden schätzungsweise etwa 9.000 km² Naturfläche (ca. 60 %) bzw. Ackerland (ca. 40 %) durch bebaute Flächen ersetzt – fast doppelt so viel wie das Zwischenziel von 800 km² pro Jahr, das von der Europäischen Umweltagentur für den Zeitraum 2000–2020 festgelegt wurde. Das Rechercheteam fand mehr als 150.000 Fälle von Flächenumwidmung in Schutzgebieten.

Die Journalisten nutzten Dynamic World, einen von Google und dem World Resources Institute erstellten Datensatz zur Landnutzung und Bodenbedeckung. Für die Auswertung wurde ein Deep-Learning-Modell herangezogen. Das Dynamic-World-Modell verwendet Satellitenbilder der Copernicus-Sentinel-2-Missionen. Diese Bilder wurden pixelscharf in ein künstliches neuronales Netzwerk (FCNN) eingespeist und einer von neun Landbedeckungsklassen zugeordnet. Der Analyseansatz wurde von dem Wissenschaftler Zander Venter vom Norwegian Institute for Nature Research (NINA) mitentwickelt.

Analyse der Daten

Einige Länder stellten die Bilddaten im Rahmen von Open Data kostenfrei zur Verfügung, für die meisten Nationen mussten die Analysten jedoch auf private Dienste wie Google Earth Pro zurückgreifen. Ebenso nutzten sie Daten des EEA und der Copernicus Land Monitoring Services.

Insgesamt wurden rund 84 Billionen Pixel für Europa ausgewertet, die aus etwa 185.000 Bildern stammten. Durch die detaillierten Bilder konnten auch kleinere Flächen wie Verkehrskorridore oder Liegenschaften wie Supermärkte oder Gewerbestandorte erfasst werden, was bei älteren Satellitendaten mit geringeren Auflösungen nicht möglich war. Dabei sind es oft jene Flächen, die den Verbrauch ausmachen. In Deutschland ist der Flächenverbrauch zu einem Viertel auf Wohnhäuser zurückzuführen, der größte Teil summiert sich jedoch durch Industrie- und Logistikzentren. Der größte Verlust durch ein einzelnes Projekt in Deutschland entstand durch den Bau der Tesla-Fabrik in Brandenburg.

Die Forschenden suchten dabei die Daten der besten Aufnahmezeitpunkte heraus, in denen die regional besten Umweltbedingungen herrschten. Dies fiel sehr unterschiedlich aus: Für Südeuropa waren aufgrund der Schneebedeckung die Wintermonate gut geeignet, für Nordeuropa umgekehrt der Sommer. In Südeuropa sorgten Dürren oder Überschwemmungen in den Wintermonaten für verzerrte Daten. Europa wurde in Gebiete von 100 mal 100 Kilometern aufgeteilt und die vier besten Auswertemonate bestimmt.

Um die Menge der Landnahme zu schätzen, setzten die Forschenden eine wissenschaftliche Methode ein, die als designbasierte Flächenabschätzung bezeichnet wird. Bei den Schätzungen wurden zufällig ausgewählte Punkte manuell überprüft. Mithilfe hochauflösender Satellitenbilder wurden die Punkte anhand der Flächennutzung klassifiziert. Sofern vorhanden, wurden dabei Satellitenbilder mit einer Auflösung von bis zu drei Metern (PlanetScope) oder Bilder von Straßenbefahrungsdiensten (Google Street View) herangezogen.

www.greentogrey.eu

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Am 29. April 2025 soll die ESA-Mission Biomass starten und erstmals eine präzise Bestimmung der Biomasse unserer Wälder ermöglichen. Deutschland ist mit über 20 Prozent an der Mission beteiligt und stellt das Hauptinstrument.
Quelle: DLR

Wälder bedecken mit 40,6 Millionen Quadratkilometern knapp ein Drittel der eisfreien Landfläche unserer Erde. Sie versorgen die Atmosphäre mit frischem Sauerstoff und werden daher auch die „grüne Lunge“ unseres Planeten genannt. Wie gesund ist dieses überlebenswichtige „Organ“ unserer Erde? Kann es uns weiterhin ausreichend mit frischer Luft versorgen, so dass das Ökosystem Erde funktionsfähig bleibt? Um diese Fragen zu beantworten, muss vor allem bestimmt werden, wie groß das „Lungenvolumen“ unserer Wälder ist. Diese Aufgabe wird die Mission „Biomass“ übernehmen, die am 29. April 2025 mit einer Vega-C Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana starten soll. „Wälder sind die grüne Lunge unseres Planeten. Bislang gibt es allerdings nur Schätzungen, wie viel Waldbiomasse weltweit vorhanden ist. Die europäische Mission Biomass wird erstmals das Volumen dieses wichtigen Kohlenstoffspeichers hochgenau bestimmen und damit auch ein detailliertes Bild über den Gesundheitszustand unserer Wälder liefern – ein elementarer Beitrag, um die globale Erwärmung genau zu berechnen, die Folgen des Klimawandels vorherzusagen und geeignete Gegenmaßnahmen zu ergreifen. Das Herzstück dieser Mission ist ein in Deutschland entwickeltes und gefertigtes Radarinstrument – ein weiterer Beweis dafür, dass Deutschland im Bereich der Radartechnologie eine weltweit führende Rolle einnimmt“, betont Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Biomass ist die siebte Earth Explorer Mission im sogenannten FutureEO-Programm der Europäischen Weltraumorganisation ESA, das vor allem neuen Technologien den Weg in die operationelle Erdbeobachtung ebnen soll. Deutschland ist mit rund 20 Prozent an der Mission beteiligt. Die Beiträge werden von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR koordiniert. Das „Herzstück“ der Mission ist das in Deutschland entwickelte P-Band Synthetic Aperture Radar (SAR) Instrument, das das Volumen der Wald-Biomasse sowie den darin enthaltenen Kohlenstoff und dessen Verteilung hochgenau erfassen soll. Das Instrument wird dafür sorgen, dass Biomass alle sieben Monate globale Karten der Waldbiomasse und der Baumhöhen bereitzustellen. Sie sind essentiell für internationale Klimavereinbarungen. Damit erfüllt diese Mission ein wichtiges Ziel der Deutschen Raumfahrtstrategie im Kontext der Agenda 2030 der Vereinten Nationen, des Green Deals der Europäischen Union, des Pariser Klimaabkommens und weiterer internationaler Verpflichtungen.

Entwickelt wurde dieser „Lungenvolumen-Detektor“ von Airbus Defence and Space in Friedrichshafen. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme in Oberpfaffenhofen führte vorbereitende Flugzeugkampagnen durch, entwickelte den Prototypen des Radardaten-Prozessors und wird nach dem Start die Kalibrierungs- und Validierungsphase der Mission unterstützen.

Forschungsflüge  

Die Radaraufnahme zeigt Mangrovenwälder bei Nkok in Gabun, aufgenommen durch das Flugzeug-Radarsystem des DLR im Jahr 2016. Die ESA-Mission Biomass wird erstmals eine präzise Bestimmung der Biomasse unserer Wälder ermöglichen. Für ihre Entwicklung waren Flug-Radarbilder wie dieses entscheidend. Für die Messflüge war das DLR-Forschungsflugzeug Dornier DO 228-212 im Einsatz, das von der Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betrieben wird. Die Kampagnen wurden vom DLR geleitet und erfolgten in Zusammenarbeit mit der ESA. Quelle: DLR

„Die Wälder der Erde sind entscheidend für das Klima, die Artenvielfalt und nicht zuletzt für die Zukunft der Menschheit. Deshalb ist es von großer Bedeutung, nicht nur ihren gegenwärtigen Zustand zu erfassen, sondern diesen auch in die Zukunft zu projizieren. Das ist nicht einfach, denn die Wälder stehen heute unter enormem Druck, beispielsweisedurch Abholzung, Brände und den Klimawandel. Dieser wirkt sich dramatisch auf deren Funktion als Ökosystem und Kohlenstoffspeicher aus und hat verheerende Folgen für ihre biologische Vielfalt“, erklärt Konstantinos Papathanassiou vom DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme. „Die Mission Biomass ermöglicht es erstmals, die 3D-Struktur von Wäldern und damit die räumliche Verteilung ihrer Biomasse zu bestimmen sowie auch ihre räumliche Komplexität und Vielfalt zu erfassen. Damit ist es möglich, nicht nur den aktuellen Zustand der Wälder zu bewerten, sondern auch Vorhersagen über ihre zukünftige Entwicklung zu treffen. Die Methoden dazu wurden von europäischen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern unter maßgeblicher Beteiligung des DLR entwickelt.“

Als erste satellitengestützte Mission, die im P-Band operiert, musste Biomass wissenschaftliche und technische Herausforderungen meistern. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme war dabei von Beginn an beteiligt und hat mit seiner umfänglichen Expertise in der SAR-Technologie in allen Missions- und Auswahlphasen unterstützt. Wissenschaftlich verantwortet es die Definition, Generierung und Validierung der Waldhöhen- und Waldveränderungsprodukte. Für die Entwicklung und Validierung der Algorithmen, die zur Erzeugung der geophysikalischen Produkte verwendet werden, waren Kampagnen mit dem Flugzeug-Radarsystem des DLR zur wissenschaftlichen Vorbereitung der Mission Biomass entscheidend – unter anderem zwei Befliegungen in Gabun. Bei diesen Messkampagnen wurden tomographische Datensätze erstellt. Für die Messflüge war das DLR-Forschungsflugzeug Dornier DO 228-212 im Einsatz, das von der Einrichtung Flugexperimente in Oberpfaffenhofen betrieben wird. Die Kampagnen wurden vom DLR geleitet und erfolgten in Zusammenarbeit mit der ESA.

Bäume als Kohlenstoffspeicher

Bäume speichern große Mengen Kohlenstoff, indem sie bei der Photosynthese Kohlenstoffdioxid (CO₂) aufnehmen und daraus Holz bilden. Auch Böden intakter und naturnaher Wälder, Moore und Feuchtgebiete speichern viel Kohlenstoff. Besonders Regenwälder zählen zu den größten CO₂-Speichern. Laut wissenschaftlichen Schätzungen existieren weltweit noch etwa 18 Millionen Quadratkilometer Regenwald – das ist über das 50-Fache der Fläche Deutschlands. Davon entfallen etwa 13,4 Millionen Quadratkilometer auf tropische Regenwälder. Der größte davon ist mit sieben bis acht Millionen Quadratkilometern der Amazonas-Regenwald. Zum Vergleich: Die Fläche der EU ist mit 4,2 Millionen Quadratkilometern nur etwa halb so groß. Wenn CO₂ infolge von Abholzung oder Bränden plötzlich in großen Mengen freigesetzt wird, hat dies dramatische Auswirkungen auf das Klima. Die Biomass-Mission wird hier wichtige Informationen zu Waldressourcen, Ökosystemleistungen, biologischer Vielfalt und Naturschutz über Regenwälder und darüber hinaus auch zu den borealen Wäldern auf der Nordhalbkugel bereitstellen. Die Nutzung der gesammelten Daten geht allerdings weit über die Beobachtung der Wälder hinaus. Der gehobene Datenschatz wird außerdem der Überwachung der Ionosphäre – dem oberen Bereich der Erdatmosphäre –, der Gletscher und Eiskappen ermöglichen. Zudem können unterirdische geologische Strukturen in Wüstengebieten sowie die Topografie von Gebieten mit dichter Vegetation erfasst werden.

Europäische Mission mit starker deutscher Beteiligung

Deutschland ist mit über 20 Prozent an der Mission beteiligt und stellt das Hauptinstrument. Die Beiträge werden durch die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR koordiniert. Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme führte Testkampagnen für die Mission durch und entwickelte den Prototypen des Datenprozessors sowie den Software-Simulator für das Radarsystem. Darüber hinaus verantwortet Deutschland zentrale technologische Arbeitspakete, insbesondere über Airbus Defence and Space – mit einer Stärkung deren Radarkompetenz – aber auch zahlreiche Kleine und Mittelständische Unternehmen (KMU). Airbus Defence and Space hat die Entwicklung des Radarinstruments (ohne Reflektor) und der Zentralelektronik verantwortet und war beim Solarsegel beteiligt. Die DSI GmbH baute die sogenannte Payload Data Handling Unit – die Schaltstelle der Daten der Nutzlast. Die OHB System AG war an der Plattformstruktur und Ariane Group am Antriebssystem beteiligt. Die TESAT Spacecom GmbH baute die X-Band sowie die S-Band Kommunikationssysteme und entwickelte zusammen mit United Monolithic Semiconductors den zentralen GaN Transistor, der eine leistungseffiziente Verstärkung liefert und erstmalig im All zum Einsatz kommt. Das Zentrum für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) in Bremen baute den Magnettorquer und Rockwell Collins die Drallräder. Weitere Aufgaben übernahmen die HPS GmbH, SpaceTech GmbH und RST Rostock.

Zur Koordination der wissenschaftlichen Nutzung wurde im Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR ein Projektbüro am Max-Planck-Institut für Biogeochemie in Jena eingerichtet.

www.dlr.org

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Die Landschaft der Schweiz hat sich seit der Nachkriegszeit stark verändert: Flurbereinigungen, Autobahnen und Zersiedelung haben wichtige Lebensräume für Tiere und Pflanzen verändert, vernichtet oder zerstückelt. Doch wie groß sind diese Veränderungen im Vergleich zu heute? „Diese Frage wird uns oft gestellt“, sagt Bronwyn Price von der WSL-Gruppe Fernerkundung. Dank Luftbildern von 1946, die die US Army Air Forces nach Ende des Zweiten Weltkrieges in der Schweiz gemacht hatten und die seit 2019 öffentlich zugänglich sind, hat die Forscherin sie nun untersucht – und mit ihrem Team ein Computermodell entwickelt, das die historischen Bilder in digitale Lebensraumkarten umsetzt.

Typische Regionen als Beispiel

Das neue Modell kann auf Bildern in schwarz/weiß verschiedene Lebensraumtypen identifizieren und sie so in historische Lebensraumkarten umarbeiten. Quelle:(links), SWISSIMAGE HIST 1946 swisstopo; Karten (rechts): WSL)

Die Forschenden prüften zunächst, ob die Schwarz-Weiß-Bilder helfen, die Verbreitung der damaligen Lebensräume digital darzustellen. Dazu wählten sie acht sehr unterschiedliche und für die Schweiz typische Regionen aus. „Insbesondere Obstgärten und Rebberge sind interessant, da sich ihre Fläche seit 1946 stark verändert hat“, sagt Price.

Mit Expertenwissen, historischen Karten und zusätzlichen Daten, etwa zur Topografie oder zum Klima am entsprechenden Ort, trainierten die Forschenden ein Computermodell darauf, die Bilder auszuwerten. Das war nicht einfach: „Der Computer konnte zum Beispiel Flüsse und Straßen zuerst nur schlecht unterscheiden, oder lockeren Wald von Gebäuden. Mit Hilfe mehrerer Kontrollschritte verbesserten die Forschenden die Trefferquote. Mit Erfolg: «Das Modell zeigt an, wie verbreitet welche Lebensräume in den 1940er-Jahren in den untersuchten Regionen waren“, sagt Price.

Wichtige Informationen für den Naturschutz

Solche Informationen sind beispielsweise im Naturschutz wichtig: „Manchmal kommen Arten außerhalb ihrer angestammten Lebensräume vor, an Stellen, an denen man sie nicht erwartet“, erklärt Price. „Auf einer Lebensraumkarte, die den historischen Zustand zeigt, kann man dann schauen, ob an dieser Stelle früher vielleicht der ‘richtige’ Lebensraum existierte und die Art einfach noch nicht verschwunden ist.“ Aussterbeschuld nennen die Fachleute dieses Phänomen. Eine historische Lebensraumkarte könnte helfen, solche ‘Schulden’ zu identifizieren und dadurch erlauben, bedrohte Populationen zu unterstützen.

Auch Vergleiche mit der digitalen Lebensraumkarte der Schweiz, die die Forscherin und ihr Team im Auftrag des Bundesamts für Umwelt BAFU entwickelt haben, sind möglich. „Die historische Karte unterscheidet zurzeit allerdings noch weniger Lebensraumtypen als die aktuelle“, schränkt Price ein. Die Forscherin und ihr Team arbeiten in einem Folgeprojekt bereits daran, das Modell weiter zu verbessern. So soll etwa eine Künstliche Intelligenz lernen, die Umgebung von ‘unklaren’ Objekten auf den Bildern – etwa einzelnen Bäumen oder Gebäuden – bei der Identifikation mit einzubeziehen.

Eine Karte für die ganze Schweiz

Zudem werden sie eine historische Lebensraumkarte für die ganze Schweiz erstellen – und das nicht nur für 1946, sondern mithilfe neuer Bildquellen auch für spätere Daten. Dies wird erlauben, Muster und Trends in den Veränderungen der Lebensräume der Schweiz in den vergangenen siebzig Jahren zu untersuchen.

www.wsl.ch

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First-Light-Bilder über Tokio bei Nacht von SkyBee-1. Das Bild enthüllt die nächtliche Wärmeverteilung Tokios mit einer noch nie dagewesenen Granularität und bietet Einblicke in die Temperatur auf Gebäudeebene in einer Qualität, die aus dem Weltraum nie zuvor möglich war. Quelle: constellr

Das deutsche Unternehmen constellr hat sein „First Light“-Bild des HiVE-Satelliten SkyBee-1 veröffentlicht und damit einen Meilenstein in der Wärmeüberwachung per Satellit gesetzt. Das Bild, das nur wenige Wochen nach dem Start des Satelliten aufgenommen wurde, zeigt eine noch nie dagewesene, hochauflösende Thermalkarte von Tokio bei Nacht, auf der die Temperaturen auf Gebäudeebene detailliert dargestellt sind.

constellr wurde in Freiburg   gegründet und hat im Jahr 2022 seinen ersten thermischen Infrarotsensor auf der Internationalen Raumstation gestartet. Mit der Inbetriebnahme von SkyBee-1 und dem geplanten Start weiterer Satelliten will das Unternehmen die thermische Erdbeobachtung revolutionieren.

Start erst im Januar

SkyBee-1 trägt ein speziell entwickeltes thermisches Langwellen-Infrarot-Instrument mit Kryokühlungstechnologie, das zum ersten Mal auf einer Mikrosatellitenplattform eingesetzt wird. Durch die Integration dieses Systems wurden die thermischen Fähigkeiten des Satelliten verbessert.

Das aus der erdnahen Umlaufbahn aufgenommene Bild zeigt eine detaillierte thermische Karte von Tokio bei Nacht, die die Stadt in 30 mal 30 Meter große Raster unterteilt. Die Daten zeigen, dass constellr in der Lage ist, die Wärmeverteilung präzise zu lokalisieren und dabei zwischen Gebäuden, Industrieanlagen, Gewässern und Grünflächen zu unterscheiden. Diese Granularität ermöglicht eine Identifizierung von städtischen Hitzeherden und die Bewertung von Kühlungsmaßnahmen im Laufe der Zeit. Mit seiner wachsenden Satellitenflotte bietet constellr eine kontinuierliche, hochfrequente Überwachung globaler Temperaturmuster und unterstützt damit datengestützte Entscheidungen in der Stadtplanung und im Klimaschutz.

Mit den Temperaturmessungen bis auf Gebäudeebene lässt sich verfolgen, wie bestimmte Gebäude zur städtischen Hitze beitragen oder von Kühlungsinitiativen profitieren. Zuvor waren die thermischen Daten zu grob, um die einzelnen Wärmequellen zu unterscheiden, so dass sie für gezielte Maßnahmen unbrauchbar waren. Die nun erzielbare Auflösung des Mitte Januar gestarteten Satellits kann zudem in Intervallen von weniger als einer Woche geschehen und so Erkenntnisse für Immobilienentwicklung, Grünflächengestaltung und thermische Komfortbetrachtungen ermöglichen.

Erste Erkenntnisse aus dem First-Light-Datensatz zeigen, wie verschiedene Materialien und Strukturen die Temperaturen in Städten beeinflussen. Gewässer fungieren als Wärmepuffer, die ihre Umgebung tagsüber abkühlen, während sie nachts die Wärme zurückhalten. Industriegebiete in der Nähe des Sumida-Flusses, einem der vier Megaflüsse, die durch das Zentrum Tokios fließen, erscheinen nachts aufgrund von wärmereflektierenden Materialien und Isolierung kühler, während beispielsweise Solarpaneele nachts kühl bleiben, sich aber bei Sonneneinstrahlung schnell erwärmen.

Städtische Hitzeinseln und Klimaanpassung neu denken

Da Hitzewellen aufgrund des Klimawandels immer häufiger und länger werden, ist es für die Klimaresistenz und die Stadtplanung weltweit von entscheidender Bedeutung zu verstehen, wie Städte die Hitze abfangen und verteilen. In Städten wie New York, Mumbai, São Paulo und London kann es bereits jetzt bis zu zehn Grad heißer sein als in den umliegenden ländlichen Gebieten – und es wird erwartet, dass die Produktivitätsverluste aufgrund des städtischen Hitzeinsel-Effekts und der globalen Erwärmung das reale Bruttoinlandsprodukt (BIP) in der Durchschnittsstadt bis 2050 um 1,4 bis 1,7 Prozent verringern werden. Auch eine kürzlich in Nature veröffentlichte Studie Medizin im Januar 2025 stellte fest, dass erhöhte städtische Temperaturen zu einem erhöhten Gesundheitsrisiko beitragen und bis 2099 zu 2,3 Millionen zusätzlichen temperaturbedingten Todesfällen in europäischen Städten führen könnten.

Der nächste Satellitenstart von constellr, der noch in diesem Jahr erfolgen soll, wird den Startschuss für eine tägliche globale Temperaturüberwachung in Echtzeit geben. Mit dem Ausbau der HiVE-Konstellation wird constellr eine nahezu kontinuierliche Temperaturüberwachung bieten. Außerdem erhält die Landwirtschaft ein Präzisionsinstrument zur Überwachung der Gesundheit der Pflanzen, der Bodenfeuchtigkeit und der Effizienz der Bewässerung.

Dr. Max Gulde, CEO von constellr, kommentierte: „Dies ist ein wichtiger Meilenstein für constellr: Zum ersten Mal können wir vom Weltraum aus präzise Temperaturschwankungen feststellen, was der Industrie weltweit hilft, Ressourcen zu optimieren, die Klimaresilienz zu verbessern und datengestützte Entscheidungen in einem noch nie dagewesenen Umfang zu treffen.“

Peggy Fischer, Missionsleiterin der ESA Third Party Missions (TPMs) und Copernicus Contributing Missions (CCMs): „Das erste Licht von SkyBee-1 über Tokio bei Nacht ist ein aufregender Meilenstein für die thermische Erdbeobachtung. Wir bei der ESA und im Copernicus Contributing Mission Team freuen uns darauf, mit constellr zusammenzuarbeiten und zu erforschen, wie ihre innovativen Daten die bestehenden Erdbeobachtungsmöglichkeiten verbessern und neue Erkenntnisse für ein nachhaltiges Ressourcenmanagement liefern können.“

Giuseppe Borghi, Leiter der ESA-Abteilung Φ-lab, kommentierte: “ Die vorläufigen Ergebnisse von Skybee-1 deuten auf eine bemerkenswerte Datenqualität hin. Die Rolle der ESA besteht darin, die Grenzen der europäischen Raumfahrtinnovation zu erweitern, und constellr ist ein Beispiel für die Art von Kreativität und Fachwissen, die die Entscheidungsfindung in verschiedenen Sektoren revolutionieren kann.“

www.constellr.com

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 In ihren ersten kommerziellen Flug am Donnerstag, dem 6. März 2025, beförderte die Ariane 6 den französischen Aufklärungssatelliten CSO-3 in seine Umlaufbahn. Der Start gilt als historischer Erfolg, denn Europa musste lange Zeit auf eine Trägerrakete verzichten. Der CSO-3-Satellitn kann zukünftig auch die Ukraine bei der militärischen Aufklärung unterstützen und damit auch die von der US-Regierung gestoppte Lieferung von Maxar-Daten in Teilen kompensieren.
Quelle: ArianeGroup

Der Satellitenbetreiber Maxar aus den USA hat der Ukraine den Zugriff auf seine Satellitenbilder gesperrt. Über die Deutsche Presse-Agentur teilte das Unternehmen mit, dass die US-Regierung beschlossen, die ukrainischen Zugänge zu dem Satellitendatenservice Global Enhanced Geoint Delivery (GEGD) vorübergehend zu sperren. Der GEGD-Service bietet Spezialisten für die Auswertung der Daten den Zugang zu den Satellitendaten, die nachrichtentechnische Dienstleistungen für die Ukraine ausführen.

Der französische Verteidigungsminister Sébastien Lecornu erklärte letzte Woche, dass sein Land diese Lücke ausgefüllt werden soll und Daten anderer Lieferanten von Satellitendaten bereitgestellt werden sollen. Auch das Vereinigte Königreich will dem europäischen Pro-Ukraine-Kurs folgen, befindet sich aber technologisch in größerer Abhängigkeit zu den aus den USA etablierten Standards. Experten betonen immer wieder, dass Europa die durch den US-Stopp der satellitenbasierten Nachrichtendienste entstehenden Lücke nicht füllen könne.

Frankreich besitzt jedoch weitreichendere Möglichkeiten. Mit dem Composante Spatiale Optique (CSO) gibt es bereits ein Programm von optischen Aufklärungssatelliten. Vor wenigen Tagen erst wurde mit dem CSO-3 Satelliten der dritte Satellit mit einer Ariane 6-Rakete ins All befördert und damit die Mission vervollständigt. Vor dem Hintergrund des MAXAR-Lieferstopps kommt dies gerade zur rechten Zeit, denn der Start von CSO-3 hatte sich massiv verzögert. Der Satellit sollte ursprünglich schon 2022 mit einer Sojus-Rakete ins All befördert werden, nach Kriegsbeginn stieg man auf die Ariane 6 um. Die Fertigstellung diese europäischen Schwerlast-Trägerrakete, die für den Satellitenlaunch der CSO-Gewichtsklasse notwendig ist, verzögerte sich wiederum selbst um mehrere Jahre. Der erste Start einer Ariane 6 fand erst Ende letzten Jahres statt. CSO-1 und CSO-2 wurden jeweils 2018 und 2020 noch mit der russischen Sojus-Trägerrakete gelauncht. Die CSO-Satelliten liefern Bilder der Erdoberfläche mit einer Auflösung von bis zu 20 Zentimetern und kann die Maxar-Bilder in Teilen ersetzen. Maxar ist jedoch noch genauer und kommt auf bis zu 15 Zentimeter Auflösung, was für die Aufklärung von militärischen Objekten weit besser ist.

Für die Auswertung der CSO-Aufklärungsdaten gibt es allerdings schon europäische Kapazitäten. Safran.AI, die Forschungs- und Technologieabteilung des französischen Luft- und Raumfahrtunternehmens Safran, hat Berichten zufolge bereits im Februar eine Vereinbarung über die Lieferung einer KI-basierten Datenverarbeitungsplattform der CSO-Satellitenbilder unterzeichnet. Safran.AI entstand unter anderem aus dem Unternehmen Preligens, dass Safran im vergangenen Jahr übernommen und integriert hatte. Safran.AI entwickelt Auswerte-Algorithmen für die automatisierte Erkennung und Identifizierung von militärischen Objekten auf Basis von Satellitendaten.

CSO-1 und CSO-2 wurden 2018 bzw. 2020 noch mit der russischen Trägerrakete Sojus gestartet. Die CSO-Satelliten liefern nun in der vollständigen Konstellation Bilder der Erdoberfläche mit einer Auflösung von bis zu 20 Zentimetern und können die Maxar-Bilder teilweise ersetzen. Maxar ist jedoch noch genauer und erreicht eine Auflösung von bis zu 15 Zentimetern, was für die Aufklärung militärischer Objekte deutlich besser ist.

Für die Auswertung der CSO-Aufklärungsdaten gibt es aber bereits europäische Kapazitäten. Safran.AI, die Forschungs- und Technologieabteilung des französischen Luft- und Raumfahrtkonzerns Safran, habe bereits im Februar einen Vertrag über die Lieferung einer KI-basierten Datenverarbeitungsplattform für die CSO-Satellitenbilder unterzeichnet. Safran.AI ist unter anderem aus dem Unternehmen Preligens hervorgegangen, das Safran im vergangenen Jahr übernommen und integriert hat. Safran.AI entwickelt Auswertungsalgorithmen zur automatisierten Erkennung und Identifizierung von militärischen Objekten auf Basis von Satellitendaten.

www.maxar.com

www.safran-group.com

www.ariane.group

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Diese Struktur mit circa zwölf Kilometer Breite stammt aus der Dasht-e Lūt-Wüste im Iran. Quelle: DLR

Pünktlich zum Valentinstag hat das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) eine Auswahl passender Aufnahmen der deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X veröffentlicht. Diese zeigen Herzformen auf der Erde, die von beiden deutschen Radarsatelliten mit hoher Auflösung unabhängig von Wetterbedingungen und Tageslicht aufgenommen wurden. Das DLR will damit die Möglichkeiten der Satelliten aufzeigen, hochauflösende, einfach-polarisierte Aufnahmen mit viel Detailreichtum über zweifach-polarisierte Bilder zu generieren. Sie machen beispielsweise Feuchtigkeit sichtbar oder liefern digitale Höhenmodelle.

Grüße zum Valentinstag von TerraSAR-X und TanDEM-X

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Test von Sensorkomponenten des CHIME-Satelliten bei der IABG in der Nähe von München. Der Daten der Mission, deren Start für 2029 geplant ist, können beispielsweise in der Landwirtschaft für die Vorhersage von Ernten genutzt werden.
Quelle: IABG

Die ESA hat das Projekt „Advanced Agricultural Monitoring with Copernicus Expansion Missions“, kurz: AgriCEM, ins Leben gerufen. Das Projekt wird von einem Konsortium aus wissenschaftlichen Instituten und Industrieunternehmen unter Führung der OHB System AG durchgeführt und hat das Ziel, den Mehrwert der zukünftigen Satelliteninstrumente gegenüber den aktuell verfügbaren zu demonstrieren. Als erster Anwendungsfall dient dabei das verbesserte Monitoring von Zuckerrüben. Das Projekt AgriCEM läuft über zwei Jahre und hat ein Volumen von 800.000 Euro.

Hintergrund ist der aktuelle Bau neuer Satelliten im Rahmen des Copernicus-Programms. Mit CHIME (Copernicus Hyperspectral Imaging Mission for the Environment) und LSTM (Land Surface Temperature Monitoring) befinden sich aktuell zwei Missionen in der Entwicklung, die Daten in noch nie dagewesener räumlicher, spektraler und zeitlicher Auflösung zur Verfügung stellen werden. Durch den Start neuer Satelliten sollen die Kapazitäten im Bereich des landwirtschaftlichen Monitorings zukünftig noch deutlich erweitert werden.

Da sich die neuen Satelliten noch nicht im All befinden, wird bei der Entwicklung der Algorithmen zur Ermittlung von biophysikalischen und biochemischen Merkmalen der Vegetation und der Landoberflächentemperatur auf simulierte Daten zurückgegriffen. Aus den Werten sollen anschließend Indikatoren für den Gesundheitszustand der Vegetation abgeleitet werden. Als Referenz dienen unter anderem Messungen vor Ort auf Zuckerrübenfeldern in Deutschland, Polen und Italien und Daten des EnMAP-Satelliten.

Ab 2029 könnten die Daten der echten Satelliteninstrumente im Zusammenspiel mit den im Rahmen von AgriCEM entwickelten Algorithmen genutzt werden, um beispielsweise eine gezieltere Bewässerung und den bedarfsgerechten Einsatz von Pestiziden zu ermöglichen. Das bedeutet, dass Felder nicht mehr flächig bewässert, gedüngt und gespritzt werden müssen, sondern gezielt nur noch die Stellen behandelt werden, an denen ein Mangel oder Schädlingsbefall festgestellt wurde. Dadurch lässt sich Wasser sparen und der Eintrag von Schadstoffen in die Umwelt kann reduziert werden.

Beteiligte Partner sind OHB System AG (Koordinator), die Universität Twente, das Luxembourg Institute of Science and Technology, QZ Solutions sowie KWS.

CHIME umfasst zwei Hyperspektralsatelliten mit 200 Spektralkanälen im Bereich vom sichtbaren Licht bis zum Kurzwelleninfrarot (400-2500 nm). Die Wiederbesuchszeit beträgt 12,5 Tage, die räumliche Auflösung 30 Meter. Der erster Satellit soll 2029 starten.
LSTM umfasst ebenso zwei Satelliten zur präzisen Messung der Landoberflächentemperatur. Die Wiederbesuchszeit beträgt 1-3 Tage, die räumliche Auflösung unter 50 Meter. Er soll ebenso 2029 starten.
www.ohb.de

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Die Voraussetzung für die Anrechenbarkeit von Maßnahmen der Flächennutzung auf die Klimaschutzziele ist die Generierung einer Datengrundlage, welche die Entwicklungen und den Umfang der Maßnahmen sichtbar und damit berichtbar macht. Die Satelliten-Fernerkundung ist grundsätzlich geeignet solche Daten zu generieren. Daher ist im Bundes-Klimaschutzgesetz die Notwendigkeit der Verbesserung der Datengrundlage zur Klimaberichterstattung für den Sektor LULUCF durch Einbeziehung von Fernerkundungsdaten bereits klar adressiert (vgl. §3a (3) Satz 4 B-KSG).

Bezugnehmend hierauf ist das übergreifende Ziel des Projekts KlimaFern die Verbesserung der Datengrundlage für den LULUCF-Teilsektor landwirtschaftliche Flächennutzung mit Hilfe von Satellitendaten. Dies wird erreicht durch die Entwicklung von Instrumenten zur flächendeckenden Erfassung und Evaluierung von Aktivitätsdaten auf Basis von zeitlich und räumlich hochauflösenden Satellitendaten unterschiedlicher Systeme (optisch und Radar). Darüber hinaus wird das Potenzial der Daten aus der Fernerkundung für die Verifizierung der Ergebnisse der Berichterstattung untersucht.

Vorgehensweise

Unsere Arbeiten im Projekt KlimaFern basieren auf satellitengestützte Datenerhebungen, die wiederholt und unabhängig flächendeckende Informationen zum Zustand, zur Nutzung und deren Veränderung über große Gebiete liefern. Aus den Satellitendaten werden Indikatoren berechnet, die den Zustand und die Flächennutzung (Aktivitätsdaten, siehe oben) beschreiben. Mit Bezug zum Klimaschutz und der Minderung von Emissionen aus der landwirtschaftlichen Flächennutzung bedeutet dies insbesondere die Erfassung von Indikatoren zum Humuserhalt und -aufbau sowie zum Grünland- und Moorbodenschutz.

Diese Indikatoren unterstützen nicht nur die Monitoring-Ziele im Bereich des Klimaschutzes, sondern sind ebenso geeignet sind, um andere Ökosystemleistungen der Landwirtschaft zu charakterisieren (z. B. biologische Vielfalt, Bodenfruchtbarkeit, Erosionsschutz).

Konkret befasst sich das Projekt KlimaFern in drei Teilprojekten (TP) mit dem Monitoring von im Klimaschutzprogramm für den LULUCF-Teilsektor landwirtschaftliche Flächennutzung festgelegten Maßnahmen und Auswirkungen der Landnutzung in der Agrarlandschaft mit Hilfe von Satellitendaten:

• TP1: Monitoring von Maßnahmen zum Humuserhalt in Ackerland (inkl. Hecken und Feldgehölzen)
• TP2: Monitoring von Maßnahmen zum Erhalt von Dauergrünland
• TP3: Monitoring des Bodenkohlenstoff-Gehalts im Ackerland

Daten und Methoden

Die Daten der Sentinel-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus (Sentinel-1 / -2) bilden mit ihrer hohen räumlichen und zeitlichen Auflösung die Datengrundlage für dieses Projekt. Mit den Daten der Landsat-Missionen kann der Untersuchungszeitraum erweitert werden, um ex-post Analysen für den Bezugszeitraum der Berichterstattung (1990 / 2005) durchzuführen. Ergänzt wird das Projekt mit kommerziellen und hochauflösenden Daten von Satelliten der neusten Generation (Planet, EnMap).

Referenz-Informationen zur Landnutzung und zum Bodenzustand stehen über die Zusammenarbeit mit weiteren Projekten am Thünen-Institut zur Verfügung (BZE-LW, MuD HumusKlimaNetz, kliMAGS, CatchHedge).

Forschungsfragen

In Bezug auf das übergreifende Projektziel werden die folgenden Forschungsfragen untersucht:

Unter welchen technisch-infrastrukturellen Rahmenbedingungen (Datenverfügbarkeit, Sensoren, Auflösung der Daten) und mit welcher Qualität / Genauigkeit können mit Satellitendaten flächenhafte Zustands- und Aktivitätsdaten generiert werden, die zu einer Verbesserung der Datenlage (bzgl. Genauigkeit, Belastbarkeit, zeitliche Intervalle) für die Klimaberichterstattung beitragen?

Inwieweit kann mit Hilfe von Satellitendaten der Zustand und die Veränderung des Bodenkohlenstoffgehalts im Ackerland als Kenngröße zur Validierung und zur Bewertung der Wirksamkeit von Klimaschutz-Maßnahmen flächendeckend erfasst werden.

Kann die Integration neuer hochauflösender (kommerzieller) Satellitensysteme und neuer methodischer Ansätze (z. B. KI) zu einer Verbesserung der Genauigkeit in der raum-zeitlichen Betrachtung der Maßnahmen und Parameter beitragen?

www.thuenen.de/

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Der Kleinsatellit FOREST-3 (Forest Observation and Recognition Experimental Smallsat Thermal Detector) der Firma OroraTech enthält eine Wärmebild-Infrarotkamera. In der erdnahen Umlaufbahn soll er Daten über die Oberflächentemperatur unseres Planeten sammeln und in Echtzeit etwa vor Waldbränden warnen.
Quelle: OroraTech GmbH

Der Kleinsatellit Sky-Bee-1 der Firma constellr ist mit thermischer Infrarottechnologie ausgestattet. Er soll globale Landoberflächentemperaturen überwachen und Daten in Echtzeit und mit hoher räumlicher Genauigkeit liefern.
Quelle: constellr GmbH

Am 14. Januar 2025 sind zwei Kleinsatelliten der deutschen Start-ups Ororatech und constellr mit einer Mission-Transporter-12-Rakete von SpaceX von der Vandenberg Space Force Base in Kalifornien gestartet. Sie werden Daten zur Oberflächentemperatur der Erde liefern, mit deren Hilfe Brände früh erkannt und gezielt bekämpft sowie Erkenntnisse zum nachhaltigen Ressourcenmanagement bereitgestellt werden. Die Entwicklung beider Satelliten wurde im Rahmen des Programms „InCubed“ der Europäischen Weltraumorganisation ESA unterstützt. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordiniert die Fördermittel des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) für das Programm.

Der Start der Satelliten ist ein wichtiger Meilenstein für den Raumfahrtstandort Deutschland. „Der New-Space-Sektor in Deutschland wächst“, sagt Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstandsmitglied und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Die Förderung junger Unternehmen ist uns ein großes Anliegen. Sie sind der Motor, der mit neuen Impulsen und Technologien die Raumfahrtbranche voranbringt und den Raumfahrtstandort Deutschland international sichert. Umso mehr freut es mich, dass die Kommerzialisierung von Erdbeobachtungsdaten mit dem Start der Kleinsatelliten von zwei deutschen Start-ups einen großen Schritt vorangekommen ist.“

Das ESA-Programm InCubed „Investing in Industrial Innovation“ zielt auf privatwirtschaftliche kommerzielle Erdbeobachtungsaktivitäten mit kurzer Laufzeit. Die Bundesrepublik beteiligt sich an dem Programm mit rund 10 Millionen Euro.

Die thermischen Daten, die die Kleinsatelliten von OroraTech und constellr liefern, werden Forschenden in deutschen Einrichtungen über die Plattform „EO-Lab“ in den nächsten Wochen zur Verfügung stehen. Dazu hat die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR 2024 mehrjährige Verträge mit den beiden Unternehmen geschlossen. „constellr und OroraTech sind wichtige Player in der Erdbeobachtung“, sagt Godela Roßner, Leiterin der Abteilung Erdbeobachtung der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. „Unsere Partnerschaft mit diesen Unternehmen eröffnet neue Möglichkeiten und setzt die deutsche Tradition der Kooperation und Innovation fort. Indem wir deutschen Forschenden und Anwendungsentwickler+Innen vielfältige und hochwertige thermische Daten zur Verfügung stellen, unterstützen wir sie darin, das Potenzial der Daten für zukunftsweisende Anwendungen in verschiedenen Gebieten zu erforschen. Dies wird unser Verständnis für die Systeme der Erde verbessern und zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen.“

Waldbrand-Monitoring in Echtzeit

Der Kleinsatellit FOREST-3 (Forest Observation and Recognition Experimental Smallsat Thermal Detector) der Firma OroraTech enthält eine Wärmebild-Infrarotkamera. Er ist der erste vollständig intern entwickelte Satellit des Start-ups und damit der Grundstein für zukünftige Konstellationen. In der erdnahen Umlaufbahn soll er Daten über die Oberflächentemperatur der Erde sammeln. Durch den Einsatz von miniaturisierten Infrarotsensoren und einer fortschrittlichen Datenverarbeitung im Orbit wird der Satellit Kunden und Regierungen auf der ganzen Welt nahezu in Echtzeit vor Waldbränden warnen.

Temperaturdaten für Landwirtschaft und Städteplanung

Mit Sky-Bee-1 startet constellr seinen ersten Kleinsatelliten mit thermischer Infrarottechnologie zur Überwachung der globalen Landoberflächentemperaturen. Der Satellit soll thermische Daten in Echtzeit mit hoher räumlicher Genauigkeit liefern. Sky-Bee-1 ist ein wichtiger Bestandteil der Satellitenkonstellation High-precision Versatile Ecosphere (HiVE), die das Unternehmen zur Wärmeüberwachung geplant hat. Temperaturen sind wichtig für das Verständnis von Veränderungen in Ökosystemen, städtischen Gebieten und Infrastrukturen. Der Satellit liefert schnelle Erkenntnisse zu Problemen wie Erntestress, städtischen Hitzeinseln und Schwachstellen.

www.eo-lab.org/de/
www.dlr.de/de/ar
www.incubed.esa.int
www.ororatech.com
www.constellr.com

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Waldbrand in Kanada. Untersuchungen auf Basis von Satellitendaten haben nun nachgewiesen, dass die Wirkungen auf das Klima jahrzehntelang dauern und großen Einfluss auf die Erderwärmung haben können. Foto: miriam, adobe-stock.com

Welche klimatischen Auswirkungen haben Brände der Nadelwälder in Nordamerika? Dieser Frage ging eine Analyse GFZ Helmholtz-Zentrum für Geoforschung unter Leitung von Dr. Manuel Helbig, Wissenschaftler in der Sektion 1.4 „Fernerkundung und Geoinformatik, nach. Die Untersuchung reicht bis ins Jahr 1928 zurück und basiert auf Daten aus Satelliten- und Boden-gestützten Messungen, die  sowohl die Oberflächentemperaturen, den Blattflächenindex als auch den Wärmeaustausch zwischen Waldboden und Atmosphäre beinhalten. Die Forscher:innen konnten unter anderem zeigen, dass abgebrannte Nadelwaldflächen noch bis zu fünf Jahrzehnte lang in den kühlen Sommern der nördlichen Breiten tagsüber höhere Oberflächentemperaturen zur Folge haben.

Die Studie ist in der Fachzeitschrift AGU Advances erschienen und entstand in Kooperation mit Forschenden der Dalhousie Universität in Halifax, Kanada, der Shinshu Universität in Matsumoto, Japan, sowie der Graduate School of Agriculture der Osaka Metropolitan Universität in Sakai, Japan.

Hintergrund der Forschung  sind die teils gravierenden Entwicklungen bei Nadelwäldern. Sie machen weltweit etwa die Hälfte aller Waldgebiete aus. Nordamerika allein beheimatet ein Drittel dieser borealen Wälder. In den letzten Jahrzehnten brennt es dort wesentlich häufiger. 2023 brach alle Rekorde: 140.000 km² kanadischer Wald standen in Flammen, das entspricht 1,4 Prozent der Fläche Kanadas oder rund 40 Prozent der Fläche von Deutschland. Die Brände setzen nicht nur immense Mengen CO₂, das zuvor im Holz festgesetzt war, wieder frei. Auch lange Zeit danach ist der Einfluss auf die Pflanzenphysiologie noch nachweisbar. In vielen Regionen kommt es zum Auftauen des ansonsten dauerhaft gefrorenen Bodens (Permafrost) nach einem Waldbrand. Je nach Topographie kann dies zur Vernässung der Böden und zu erhöhten Emissionen des besonders klimawirksamen Gases Methan in die Atmosphäre führen. Brände verändern Landschaften nachhaltig und die weiten kargen Flächen wirken möglicherweise über Jahrzehnte hinweg auf das Klima. Studien, die die möglichen Langzeiteffekte genauer untersuchen, sind daher überaus wichtig.

In intakten Wäldern mit viel Vegetation und wuchsbedingten Höhenunterschieden in den Baumwipfeln gibt es einen guten Luft- und somit auch Wärmeaustausch mit der Atmosphäre. Nach einem Waldbrand kann der Luftaustausch geringer ausfallen, da Baumkronen nun nicht mehr vorhandenen bzw. noch nicht wieder voll entwickelt sind. Dadurch ist die sogenannte Oberflächen-Rauigkeit, also der Höhenunterschied der Vegetation, geringer, was zu weniger Luftverwirbelungen über den Wäldern führt. In der Folge heizt sich die Erdoberfläche stärker auf. Wenn es um den Wärmetausch zwischen Wald und Atmosphäre geht, ist die Höhe und Komplexität des Blätterdachs demnach ein wichtiger Faktor. Um sie zu ermitteln, nutzte das Wissenschaftsteam satellitengestützte Observationen an über 100 abgebrannten Waldflächen in Kanada und Alaska. Das internationale Team analysierte darüber hinaus sowohl Satellitendaten als auch direkte Messungen am Boden von Oberflächentemperaturen, der „Oberflächenalbedo“, also der Reflexionsstrahlung, die das Verhältnis von rückgestrahltem zu einfallendem Licht beziffert, und vom sogenannten „Blattflächenindex“, der die Blätterdichte in Wäldern angibt. Die Wissenschaftler:innen beurteilten, wie all diese Parameter zu den Temperaturveränderungen der Erdoberfläche und langfristig zur Klimaänderung beitragen. Dabei schauten sie auch auf vergangene Brandereignisse und verglichen die wirklich eingetretenen Veränderungen mit den in verschiedensten Studien damals prognostizierten Veränderungen.

Ergebnisse: Noch fünf Jahrzehnte höhere Sommertemperaturen

In den Sommermonaten Juli bis September des Jahres 2024 war der gesamte kanadische boreale Lebensraum, der große Teile des Landes umfasst, aufgrund zurückliegender Waldbrände im Durchschnitt um 0,27 °C wärmer, als wenn das Gebiet nicht von Waldbränden betroffen gewesen wäre. Zudem steigt die Verdunstung nach einer anfänglichen Reduzierung nach einem Waldbrand über drei Jahrzehnte lang an, wenn die Blattdichte als Folge des Brandes mit dem nachwachsenden Wald zunimmt.

In den späten Wintermonaten Februar bis April kann Schnee die kleinwüchsige, sich regenerierende Vegetation besser bedecken als einen ausgewachsenen Wald, auf dessen Wipfeln der Schnee nicht lange liegen bleibt. Dadurch wird das wärmende Sonnenlicht besser reflektiert, was insgesamt zu einer leichten durch-schnittlichen Abkühlung von etwa 0,02 Grad Celsius führt.

Die Studie hat auch eine ganze Bandbreite an Verbrennungsgraden der Wälder untersucht. Es konnte jedoch nicht abschließend geklärt werden, welchen genauen Effekt die Brandintensität auf die anschließende Temperaturentwicklung hat. Die Forscher:innen gehen davon aus, dass die Variabilität der Oberflächen-temperaturen nach einem Brand nur teilweise auf Unterschiede in der Schwere der Brände zurückzuführen ist.

Szenarien bis 2050

Wenn es aufgrund des Klimawandels zu häufigeren und großflächigeren Bränden in borealen Wäldern kommt, könnte das also erhebliche zusätzliche Auswirkungen auf die dortige Erwärmung. Für mögliche Entwicklungen bis zum Jahr 2050 haben die Forschenden verschiedene Szenarien berechnet:

Für ein Szenario mit einer hohen Zunahme an verbrannter Waldfläche (um 150 Prozent zwischen 2020 und 2050) würde in diesem Zeitraum allein die durch Waldbrände verursachte Erhöhung der Jahresmitteltemperatur um 30 Prozent ansteigen, von 0,12°C im Jahr 2020 bis auf 0,16 ± 0,04°C im Jahr 2050.  Im Gegensatz dazu würde ein Szenario mit einer geringen Zunahme der verbrannten Fläche (um 36 Prozent zwischen 2020 und 2050) bis 2050 zu keinem zusätzlichen Verstärkungseffekt bei der Erwärmung führen.

Weiterführende Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse verdeutlichen die Klimafolgen einer veränderten Waldbrand-Dynamik in den borealen Wäldern Nordamerikas. Steigende Oberflächentemperaturen in den durch Brand geschädigten Nadelwäldern könnten nicht nur das Klima dieser Regionen beeinflussen, sondern auch wichtige Ökosystemdienstleistungen wie die Kohlenstoffspeicherung im Boden gefährden. Mit der erwarteten Zunahme von Waldbränden steigt der Bedarf an weiterführender Forschung: „Die Folgen für die Ökologie und das Klima sind tiefgreifend und erfordern eine verstärkte Aufmerksamkeit in der Klimaforschung“, erklärt der Hauptautor der Studie, Dr. Manuel Helbig. Und er ergänzt: „Unsere Untersuchungen machen auch deutlich, wie wichtig es ist, die Treibhausgasemissionen global zu senken. Denn sie erhöhen über die Beschleunigung der Erderwärmung auch die Gefahr für Waldbrände und damit für das Auftauen von Permafrostböden und die Freisetzung von weiterem Kohlendioxid und Methan aus den Böden.“

www.gfz-potsdam.de

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