Satelliten erfassen Waldschäden

Die beiden im August 2019 gestarteten Forschungsprojekte IpsSAT und BeechSAT der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft (LWF) sollen Möglichkeiten aufzeigen, wie auf großen Flächen geschädigte und abgestorbene Fichten und Buchen erfasst werden können. Hierbei werden die Vor- und Nachteile verschiedener Satellitensysteme (Abb. 2) im Vergleich zu Luftbildaufnahmen aus einem Flugzeug geprüft. Um diesen Datenvergleich zu ermöglichen, wurden von der LWF im Sommer 2019 eigene Luftbildbefliegungen beauftragt, die für die Untersuchungsgebiete von IpsSAT (bei Bad Kötzting und Bad Kohlgrub) sowie für die Untersuchungsgebiete von BeechSAT (bei Waldbrunn und Ebrach) sehr zeitnah zu den Satellitenbildaufnahmen realisiert werden konnten. Bei der Auswertung der Daten sollen "Verfahren des maschinellen Lernens"zum Einsatz kommen, um dadurch die Möglichkeiten und Grenzen einer automatisierten Erfassung mit den verschiedenen Fernerkundungsdaten zu prüfen.

Die Projekte IpsSAT und BeechSAT werden von den vier LWF-Abteilungen bearbeitet. Außerdem sind die Bayerischen Staatsforsten, die Universität Würzburg und die Industrieanlagen-Betriebsgesellschaft IAB GmbH als Kooperationspartner beteiligt.

Optische Fernerkundungssysteme erfassen im Wald die elektromagnetische Strahlung, die von den Baumkronen reflektiert wird. Die Detektion von Borkenkäferbefall basiert in diesem Zusammenhang auf der Annahme, dass die reflektierte Strahlung bei vitalen und geschädigten Fichten unterschiedlich ist. Die Untersuchungen im Projekt IpsSAT konzentrieren sich auf die Erfassung spätererBefallsstadien, bei denen sich die Baumkronen bereits rotbraun oder grau verfärbt haben und die über Fernerkundungsverfahren potenziell identifiziert werden können, was die hochaufgelösten Luftbildbeispiele in Abbildung 4 verdeutlichen. Gezeigt sind hier drei Echtfarb- Ausschnitte der Untersuchungsfläche Bad Kötzting. Abbildung 4a zeigt ein Beispiel, in dem keine erkennbare Verfärbung der Baumkronen festgestellt werden kann. Im Vergleich dazu zeigt Abbildung 4b eine Fläche mit einigen rotbraun verfärbten Fichtenkronen und Abbildung 4c mit grau gefärbten Kronen. Der Einschlag rotbraun gefärbter Fichten kann den Wiederausflug der Käfer zwar nicht verhindern, da die fertigen Käfer den Baum in der Regel bereits schon verlassen haben. Allerdings können die verfärbten Baumkronen genutzt werden, um gegebenenfalls frisch befallene Fichten mit noch grünen Kronen in der direkten Nachbarschaft zu lokalisieren, bei denen der Wiederausflug der Käfer noch nicht stattgefunden hat. Ob rotbraun und grau verfärbte Fichten in unterschiedlichen Satellitendaten automatisierterkannt und getrennt werden können, ist Gegenstand der Untersuchungen im Projekt IpsSAT.

Abbildung 6 soll beispielhaft die Möglichkeiten und Grenzen der Erkennung stark geschädigter Buchen mit unterschiedlichen Fernerkundungsdaten verdeutlichen. Die abgebildeten Datensätze wurden alle in einem kurzen Zeitraum von Ende August bis Anfang September 2019 aufgenommen und unterscheiden sich in der räumlichen Auflösung. Jeweils gezeigt sind hier Color-Infrarot (CIR)-Darstellungen für einen kleinen Ausschnitt der Untersuchungsfläche Waldbrunn. Lebende, chlorophyllhaltige Biomasse ist in den CIR-Bildern üblicherweise anhand von unterschiedlichen Rottönen zu erkennen, wohingegen abgestorbene Vegetation über grün-bläuliche bis weißlich- graue Farbtöne identifiziert werden kann. Abbildung 6a zeigt ein True-Orthophoto aus einem von der LWF beauftragten Bildflug mit einer räumlichen Auflösung von 0,2 m. Durch die charakteristische Färbung können die abgestorbenen Buchen in Abbildung 6a deutlich von noch vitalen Bäumen unterschieden werden. Bei dieser sehr hohen Auflösung können einzelne Baumkronen visuell getrennt werden. Auch in den hochauflösenden Satellitendatensätzen WorldView-3 und SkySat (Abb. 6b und 6c) können einzelne Baumkronen identifiziert werden. Im Vergleich zum Luftbilddatensatz nimmt hier allerdings die Bildschärfe ab, insbesondere bei den SkySat-Daten. In den weiteren dargestellten Satellitendatensätzen PlanetScope (Abb. 6d), RapidEye (Abb. 6e) und Sentinel-2 (Abb. 6f) ist eine Differenzierung einzelner Bäume nicht mehr möglich. Diese Daten könnten allerdings genutzt werden, um potenziell geschädigte Bestandesbereiche aufzufinden. In diesem Zusammenhang wird Potenzial bei der Auswertung einer Zeitreihe gesehen, anhand derer die zeitliche Veränderung im Vitalitätszustand der Bäume erfasst werden könnte. Welche Genauigkeiten hierbei erzielt werden können und ab welcher Flächengröße eine zuverlässige, automatisierte Erfassung mit den jeweiligen Daten möglich ist, soll im Projekt BeechSAT untersucht werden.