Was der Blick aus dem All enthüllt

Karten f¨¹r Hilfsorganisation

Die Kartierung von Kriegssch?den ist eines von zwei Projekten, welche die ETH-Forschenden in Zusammenarbeit mit dem Internationalen Komitee vom Roten Kreuz (IKRK) durchf¨¹hrten. ?Beim zweiten Projekt ging es um die scheinbar sehr einfache Frage: Wo sind die Leute??, erz?hlt Schindler. Plant das IKRK eine Impfkampagne oder eine Hilfsaktion nach einer Naturkatastrophe, braucht es Daten zur Bev?lkerungsdichte, die jedoch in weniger entwickelten L?ndern oft fehlen. Diese L¨¹cke f¨¹llen die Bev?lkerungskarten, welche Schindlers Gruppe anhand von Satellitendaten erstellt.

Die ETH-Forschenden nutzen Satellitenbeobachtungen in Kombination mit maschinellem Lernen f¨¹r verschiedenste Bereiche. So entwickelten sie in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Start-up ExoLabs ein System, das die Schneeh?he schneller und pr?ziser misst als bisher m?glich. Satellitenbilder und digitale H?henkarten lieferten erste Sch?tzungen der Schneebedeckung in der Schweiz. Aus Vergleichen mit genauen Daten, gesammelt von einem Flugzeug und Messstationen am Boden, lernte das System, die Sch?tzung aufgrund der Satellitenbilder zu verbessern. Nun liefert es tagesaktuelle Schneeh?henkarten, die demn?chst auf den Markt kommen sollen.

Bereits frei verf¨¹gbar ist eine globale Karte der Baumh?hen, die vor allem ?kologischen Zwecken dient und ebenfalls auf Satellitendaten basiert. ?Aus dem Weltall sieht man zwar nicht, wo ein Baum anf?ngt und aufh?rt, doch das reflektierte Signal enth?lt dennoch ¨¹berraschend viel Information, vor allem im Infrarotbereich, in dem die Vegetation besonders aktiv ist?, erkl?rt Schindler. Wie diese lokalen Beleuchtungsmuster mit der Baumh?he zusammenh?ngen, lernte ein Computerprogramm anhand von Beispielen, die ein Laserscanner an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) lieferte. Je nachdem, ob die Laserpulse von den Baumkronen oder dem Boden reflektiert werden, verschiebt sich deren Laufzeit minimal. Daraus l?sst sich die H?he der Vegetation ableiten.

Fr¨¹hwarnsystem f¨¹r W?lder

?Die weltweite Kartierung der Baumh?hen ist ?usserst interessant, weil sie Informationen ¨¹ber das Alter der Best?nde enth?lt?, sagt Verena Griess, Leiterin des Instituts f¨¹r Terrestrische ?kosysteme an der ETH Z¨¹rich. Auch sie und ihr Team arbeiten mit Satellitendaten, um Informationen zum Zustand von B?umen zu erhalten. ?Mit dem Klimawandel befinden wir uns in einem Zeitalter des rapiden Umschwungs, auch was unsere W?lder angeht, und Probleme durch Sch?dlingsbefall, Windw¨¹rfe, Feuer und Trockenstress werden h?ufiger?, sagt die Professorin f¨¹r das Management Forstlicher Ressourcen.

Mithilfe von Satellitendaten wollen die Forschenden ein Fr¨¹hwarnsystem erstellen, das bei Handlungsbedarf in einem gestressten Wald anschlagen soll, selbst wenn die Signale mit dem menschlichen Auge noch nicht sichtbar sind. Ein solches System k?nnte in d¨¹nn besiedelten Gebieten bereits kleine Feuerherde entdecken oder in der Schweiz aufzeigen, wo Massnahmen n?tig sind, damit uns der Wald weiter vor Naturgefahren sch¨¹tzt. Satellitendaten k?nnten aber auch Gebiete identifizieren, die sich besonders f¨¹r die Produktion von Holz eignen, oder solche, die man wegen der hohen Biodiversit?t unter Schutz stellen m?chte. ?Wir wollen sicherstellen, dass man f¨¹r jeden Ort die richtige Entscheidung trifft?, erkl?rt Griess.

Zurzeit arbeiten die Forschenden an einem Modell, das auf Satellitenbildern Baumarten automatisch erkennen kann. Anhand von verifizierten Standorten bestimmter Arten wie Buchen, Fichten oder L?rchen lernt das Modell, die entsprechenden Muster auf den Satellitenbildern zu erkennen. Mit sogenannten Hyperspektralsensoren sammeln Satelliten aber auch Informationen, die in einem durch Menschen nicht sichtbaren Bereich liegen und Aufschluss ¨¹ber den Gesundheitszustand von B?umen geben. Denn damit kann man den chemischen Gehalt bestimmter Substanzen in den Bl?ttern messen und wie sich deren Konzentration ver?ndert, was zum Beispiel in fr¨¹hen Stadien von Befall durch Sch?dlinge der Fall sein kann.

Die zweidimensionalen Satellitenbilder k?nnen zudem verkn¨¹pft werden mit 3D-Daten, die Laserscanner aus dem All sowie von Flugzeugen oder Drohnen und vom Boden aus liefern. Mit dem k¨¹rzlich in Betrieb genommenen Supercomputer Alps der ETH sollen die Datenanalysen beschleunigt und die Modelle noch besser trainiert werden. ?Damit, mit den hervorragenden Studierenden und der guten Zusammenarbeit zwischen den Professuren und den anderen Institutionen des ETH-Bereichs hat die Schweiz eine Expertise, die man sonst nirgends so geballt findet?, sagt Griess.

GPS-Technik umfunktioniert

Der Zustand von Waldb?umen l?sst sich auch anhand von Signalen untersuchen, die von GPS-Satelliten ausgesendet werden. Platziert man eine Empfangsstation unter einem Baum und eine zweite weiter entfernt, so l?sst sich aus der Differenz der empfangenen Signale berechnen, wie viel Biomasse im Baum gespeichert ist. ?Es ist erstaunlich, was man mit einer Technik machen kann, die eigentlich f¨¹r etwas ganz anderes ¨C die Navigation ¨C entwickelt wurde?, sagt Benedikt Soja, Professor f¨¹r Weltraumgeod?sie.

So installierten Soja und sein Team in Zusammenarbeit mit MeteoSchweiz bei mehreren Wetterstationen, die ¨¹berall in der Schweiz verteilt sind, g¨¹nstige GPS-Empfangsstationen. Damit l?sst sich messen, wie viel Wasserdampf in der Atmosph?re vorhanden ist, denn dieser verlangsamt die Radiosignale, welche die Satelliten aussenden. So l?sst sich die Feuchtigkeit ¨¹ber einer Station berechnen und damit Regenprognosen verbessern.

Eine Analyse der Messreihen ¨¹ber einen l?ngeren Zeitpunkt liefert zudem Aussagen ¨¹ber den Klimawandel. Wird es w?rmer, kann die Atmosph?re mehr Feuchtigkeit, also mehr Wasserdampf, aufnehmen. ?Dies wiederum verst?rkt den Klimawandel, weil Wasserdampf auch ein Treibhausgas ist ¨C sogar das am h?ufigsten vorkommende?, erkl?rt Soja. ?So l?sst sich der Einfluss des Klimawandels auf die Atmosph?re lokal besonders gut bestimmen.? Die GPS-Messungen zeigen, dass es im Durchschnitt feuchter, in einigen Regionen aber auch trockener geworden ist.

Mithilfe einer anderer Messtechnik verfolgen die Forschenden das Abschmelzen der Eisschilde in Gr?nland und der Antarktis. Zwei Satelliten, die knapp hintereinander fliegen, erfassen das Schwerefeld der Erde. Dieses variiert, je nachdem, wie viel Masse an einem bestimmten Ort vorhanden ist. ?So k?nnen wir aus dem Weltraum Massenverlagerungen messen?, erkl?rt Soja. Mithilfe anderer Satelliten, die H?henmessungen durchf¨¹hren, lassen sich diese Messungen weiter verfeinern. ?Wir sehen, dass Jahr f¨¹r Jahr in den Polarregionen riesige Mengen an Eis abschmelzen und den Meeresspiegel ansteigen lassen ¨C Hunderte Gigatonnen, einen riesigen Eisw¨¹rfel, so gross wie die Stadt Z¨¹rich und ¨¹ber 3000 Meter hoch?, sagt Soja. ?Diese Beobachtung aus dem All ist die beste Technik, um die Folgen des Klimawandels in Bezug auf die Eisschilde zu verfolgen.?