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Draufsicht auf die Artenvielfalt

Satellitenbilder helfen Umweltschäden festzustellen, sie zeigen auch die Vielfalt der Pflanzen eines begrenzten Gebietes. Zur Erfassung der gesamten Biodiversität sind sie jedoch nur eingeschränkt geeignet. Von Steffen Schmidt

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Mancher Leser mit DDR-Erinnerungen wird sich noch an die wegen des Presserummels etwas despektierlich »Multispektakelkamera« genannte MKF-6 aus dem Kombinat Carl Zeiss Jena erinnern. Diese gemeinsam mit Forschern der DDR-Wissenschaftsakademie für Flüge mit dem sowjetischen Raumschiff »Sojus-22« und den Raumstationen »Saljut 6« und »Saljut 7« sowie »Mir« entwickelte Kamera besaß sechs Spezialobjektive für je einen Spektralbereich des Lichts - von Blau bis ins nahe Infrarot. Sie war also eine Multispektralkamera.

Während die MKF-6 noch auf Filme fotografierte, die zur Erde zurückgebracht werden mussten, arbeiten heutige Erdbeobachtungssatelliten mit Digitalkameras, die ihre Bilder sofort zur Bodenstation funken können. Die Bilder sind nicht nur schneller verfügbar, heutige Satellitenkameras liefern auch eine höhere räumliche Auflösung aus mehr als sechs Spektralbereichen. Damit sind weit mehr Einsatzmöglichkeiten gegeben.

Mochten in den Zeiten des Kalten Kriegs bei der Entwicklung von Erdbeobachtungssatelliten die Interessen der militärischen Spionage der wichtigste Treiber gewesen sein, so kreist heute eine große Zahl solcher künstlichen Trabanten für kommerzielle Unternehmen oder für wissenschaftliche Programme um die Erde. Insbesondere die Umweltforschung profitiert von den weltraumgestützten Systemen. So wäre die kontinuierliche Kontrolle des Zustands der Regenwaldgebiete in Südamerika, Afrika und Asien ohne Satelliten ebenso undenkbar wie die Messung der Eisbedeckung an den Polen.

Doch längst kann man nicht nur Rodungen in Waldgebieten dokumentieren. Die Beobachtung in verschiedenen Bereichen des Infrarotlichts erlaubt auch Angaben über die Belaubung, die Wasser- und Nährstoffversorgung der Pflanzen.

Auch die ökologische Vielfalt am Boden lässt sich inzwischen von oben begutachten. Allerdings wirkten sich hier Sicherheitsbedenken lange negativ auf die wissenschaftliche Nutzbarkeit der Daten aus. So durfte der Betreiber der US-amerikanischen »WorldView«-Satelliten bis 2014 Bilder mit einer besseren räumlichen Auflösung als 50 Zentimeter nicht frei verkaufen, erinnert der Fernerkundungsexperte Michael Förster von der TU Berlin. Überdies bieten auch aktuelle Satelliten wie »WorldView-3«, »Sentinel-2« (Europa) oder der etwas ältere US-Satellit »Terra« nur 28, 13 bzw. 14 Spektralkanäle. Das ist zwar viel mehr als bei der MKF-6 oder den Landsat-Satelliten, deren Daten frei benutzbar sind, aber kein Vergleich zu sogenannten Hyperspektralsystemen mit 200 bis 400 einzeln abgetasteten Spektralbereichen.

Deshalb untersuchten Wissenschaftler der Universität Zürich und vom California Institute of Technology ein Ökosystem in den Alpen vom Flugzeug aus mit einem Instrument, das in ca. 300 Wellenlängenbereichen vom Blau (400 Nanometer) bis zum fernen Infrarot (2500 nm) und einer räumlichen Auflösung von 2 bis 5 Metern arbeitet. Damit konnten sie Informationen zur Laubfärbung und zum Wassergehalt gewinnen. Zusätzlich wurde das Untersuchungsgebiet - ein Mischwaldgebiet unweit von Zürich - vom Hubschrauber aus mit Hilfe eines Lasers abgetastet, um Forminformationen wie die Höhe der Baumkronen, die Laub- und Astdichte zu ermitteln.

Auf diese Weise konnten die Forscher um Michael Schaepman sechs Merkmale erfassen, die ihnen erlaubten, die funktionelle Vielfalt der untersuchten Ökosysteme einzuschätzen, wie sie im Fachblatt »Nature Communications« (DOI: 10.1038/ s41467-017-01530-3) schreiben. Das Verfahren funktioniert unabhängig von zuvor ermittelten Vegetationseinheiten oder Arteninformationen und ohne die Messwerte mit jenen am Boden abgleichen zu müssen. Wie Schaepman gegenüber »nd« sagt, lassen sich trotz der weit besseren Auflösung als bei Satelliten nur Aussagen über die Vielfalt der dominanten Baumarten treffen, »die subdominanten Arten und den Unterwuchs ›sehen‹ wir von oben gar nicht«.

Um etwa einen Urwald von einem nachgepflanzten Nutzwald zu unterscheiden, müsse man hinreichend viele Eigenschaften kennen, die beide Vegetationstypen unterscheiden. Ein US-Team um Gregory P. Asner von der Carnegie Institution for Science in Stanford (Kalifornien) zeigte, dass das möglich ist. Nach umfangreicher Datenermittlung vor Ort fand Asners Team einen Komplex von 20 Eigenschaften, mit deren Hilfe auch einzelne Baumarten zugeordnet werden können. Der Vorteil bei der Nutzung von Flugzeugen ist die dank geringer Flughöhe deutlich bessere optische Auflösung, der Nachteil neben den höheren Kosten für viele einzelne Messflüge der vergleichsweise kleine Bildausschnitt der Natur.

Wie weit die bislang frei verfügbaren Satellitendaten in die Irre führen können, zeigt ein Abgleich von Beobachtungen über die landschaftliche Vielfalt in einem Gebiet am Ostrand des Harzes mit Monitoring-Daten zu Wildbienen aus dem gleichen Gebiet, über den eine Forschungsgruppe um Sylvia Hofmann vom Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung (UFZ) Leipzig im Online-Journal »PLOS ONE« (DOI: 10.1371/journal.pone. 0185591) berichtet. Die Wissenschaftler hatten für ihre Studie Daten von »Landsat-7« genutzt. Mit nur sieben für den konkreten Zweck nutzbaren Spektralkanälen und einer Auflösung von 30 bis 60 Metern erlauben die Bilder des US-Satelliten lediglich Aussagen darüber, wie abwechslungsreich ein Gebiet strukturiert ist.

Das kann ein Maß für die Vielfalt der vertretenen Pflanzenarten sein - etwa wenn sich kleine Felder, Feldraine, Bäche und Waldgebiete vielfach abwechseln. Dass es so einfach nicht ist, zeigt der Vergleich einer Trockenwiese mit einem Feld. Die unterscheiden sich strukturell kaum, wie Coautorin Anna Cord erläutert. Doch auch wenn die Trockenwiese genauso homogen wie das Feld sei, gibt es dort »natürlich trotzdem ganz viele Arten, weil es eben ein entsprechendes Habitat ist«. In früheren Studien hatte sich gezeigt, dass bei Vögeln die strukturelle Vielfalt auch ein gutes Maß für die Vielfalt der Vogelarten ist, doch zeigt der Vergleich der Daten bei Wildbienen nur sehr geringe Übereinstimmung zwischen den vor Ort ermittelten Bienenvorkommen und der Abwechslung der Vegetation, die das Satellitenbild zeigt.

Die UFZ-Forscher führen das darauf zurück, dass für die Wildbienen die bloße Heterogenität der Landschaft weniger wichtig ist als die Vielfalt der Zusammensetzung von Pflanzengesellschaften. Daraus lässt sich schließen, dass die Forscher auch in absehbarer Zukunft auf ein Feldmonitoring der Wildbienen nicht verzichten können.

Die von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA gestarteten beiden »Sentinel-2«-Satelliten senden seit dem Vorjahr Daten von nunmehr immerhin 13 Spektralkanälen, allerdings sind die bei Auflösungen von 10 bis 60 Metern auch nicht geeignet für detaillierte Biotopanalysen. Besser wird die Situation wohl erst nach 2019, wenn der vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem Deutschen GeoForschungsZentrum Potsdam geplante »EnMAP« mit seinen 230 spektralen Kanälen startet. Dessen optische Auflösung reicht allerdings mit 30 Metern auch noch nicht an die kommerziellen »WorldView«-Satelliten aus den USA heran. Dessen Daten sind allerdings recht teuer. Öffentlich finanzierte Alternativen könnten bald rar werden. Denn angesichts der jüngsten Streichungen im Bereich Erdbeobachtung im Haushalt der US-Raumfahrtagentur NASA besteht die Gefahr, dass es bald nur noch US-Satelliten mit rein kommerziellen Zielstellungen geben wird. Das trifft dann allerdings die Polar- und Klimaforscher noch härter als die Ökologen.

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