EO4Nature - Erdbeobachtung für das Aktionsprogramm Natürlicher Klimaschutz

Hintergrund und Zielsetzung

Im Aktionsprogramms Natürlicher Klimaschutz (ANK) hat das BMUV beschlossen, die Möglichkeiten der satellitenbasierten Erdbeobachtung für ein umfassendes Umweltmonitoring zu nutzen.  Es soll eine Dienst-basierte Infrastruktur für Anwendungen im Umwelt- und Naturschutzmonitoring auf den verschiedenen Ebenen der Verwaltung (Bund, Länder, Kommunen) aufgebaut werden. Damit soll darüber hinaus auch die Öffentlichkeit informiert werden.

Im Vorhaben EO4Nature wird ein modularer Werkzeugkasten (EO4Nature-Toolbox) für ein umfassendes Umweltmonitoring im Bereich des Natürlichen Klimaschutzes auf der Grundlage von Satellitendaten entwickelt und bereitgestellt. Die EO4Nature-Toolbox umfasst eine Reihe von Indikatoren, die ein Maßnahmenmonitoring und eine Evaluierung für das ANK unterstützen können. Zudem liefern sie eine wesentliche Datengrundlage für die Verbesserung der räumlich-expliziten Modellierung von THG-Emissionen aus Landnutzung, Landnutzungsveränderung und Waldbewirtschaftung (LULUCF).

Vorgehensweise

Die Maßnahmen zum natürlichen Klimaschutz erstrecken sich über eine Reihe von Handlungsfeldern, welche die relevanten Ökosysteme im Hinblick auf deren potenzielle Klimawirkung umfassen (z. B. Moore, Auen, Küsten, Wälder, Böden, Siedlungen). Für jedes Handlungsfeld wurden Basis-Indikatoren definiert, die geeignet sind, den Zustand und die Veränderung der Ökosysteme zu beschreiben, und die auf Basis von Satellitendaten großflächig und regelmäßig erfasst werden können. Die Indikatoren liefern die Grundlage für die Implementierung von Handlungsfeld-spezifischen Diensten im EO4Nature-Portal.

Das Thünen-Institut entwickelt Verfahren zur automatisierten, flächendeckenden Erstellung solcher Basis-Indikatoren als Beitrag zu drei ANK-Handlungsfeldern:

• Handlungsfeld 1: Schutz intakter Moore und Wiedervernässung
• Handlungsfeld 5: Waldökosysteme
• Handlungsfeld 6: Böden als Kohlenstoffspeicher

Daten und Methoden

Die Daten der Sentinel-Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus (Sentinel-1 / -2) bilden mit ihrer hohen räumlichen Auflösung und regelmäßigen globalen Abdeckung die Datengrundlage für die Erstellung der Indikatoren. Für einzelne Indikatoren bzw. die Erfassung von kleinräumigen Landschaftsmustern und Landschaftselementen ist die Auflösung der Sentinel-Daten (10 m) nicht ausreichend. In diesen Fällen wird zusätzlich auf sehr hochauflösende Erdbeobachtungsdaten kommerzieller Anbieter zurückgegriffen, die über einen Rahmenvertrag für die behördliche Nutzung verfügbar sind (z. B. PlanetScope).

Die Datenverwaltung und -aufbereitung nutzt cloud-basierte Infrastrukturen, die über das DLR (CODE-DE) und die ESA (CDSE) zur Verfügung stehen, im Verbund mit einem High Perfomance Cluster am Thünen-Institut. Die Verfahren zur Generierung von Ökosystem-Indikatoren für die einzelnen EO4Nature-Dienste basieren auf Methoden des maschinellen Lernens und der künstlichen Intelligenz.

Unsere Forschungsfragen

Handlungsfeld 1: Schutz intakter Moore und Wiedervernässung

Die Klimawirksamkeit von Mooren hängt im Wesentlichen vom Wasserstand im Torfkörper und dessen Veränderung ab. Der Moorwasserstand bzw. Vernässungszustand ist mit Fernerkundungsmethoden nicht unmittelbar messbar, oberflächlich spiegelt er sich aber durch die Landnutzung, deren Intensität sowie durch die Ausprägung von Vegetationsmerkmalen wider. Die Forschung und Entwicklung im Handlungsfeld befasst sich mit der Frage, wie aus Satellitendaten flächendeckende Merkmale als Proxies für den Vernässungszustand abgeleitet werden können.

Indikatoren:

• Überstau: Der Indikator Überstau unterstützt eine bessere flächendeckende Modellierung des Moorwasserstands und Zustands einer Fläche als Grundlage für die Berechnung von Emissionen und darüber hinaus allgemein für die Evaluierung der Maßnahmenimplementierung im natürlichen Klimaschutz.
• Landnutzung, Nutzungsintensität, Vegetationsdynamik: Die Indikatoren bilden einerseits die Grünlandnutzung und -nutzungsintensität (z. B. Mahdhäufigkeit) inkl. extensiv genutzter, wiedervernässter Weiden und Wiesen ab. Andererseits werden umgenutzte, ehemals drainierte Flächen betrachtet, auf denen sich neue Vegetationsformen ansiedeln (Seggen, Schilf, Rohrkolben), ggfs. inkl. extensiver bzw. nachhaltiger, nasser Nutzungsformen.
• Emissionen aus Mooren: Ziel ist die räumlich und zeitlich explizite Abbildung von Emissionen und Emissionsminderungen. Hierzu werden die Emissionen der entwässerungsbasierten Landnutzung vor Maßnahmenbeginn den reduzierten Emissionen oder der Senkenleistung nach Maßnahmendurchführung gegenübergestellt.

Handlungsfeld 5: Waldökosysteme

Intakte Wälder speichern enorme Mengen an Kohlenstoff. Durch Maßnahmen zum Waldumbau und zur Wiederbewaldung sollen sich durch Biodiversität und Strukturreichtum klimaresiliente Waldökosysteme entwickeln. Im ANK-Handlungsfeld „Waldökosysteme“ werden u.a. Aktivitäten zum Umbau in artenreiche und klimaresiliente Laubmischwälder angestrebt. Die Forschung und Entwicklung im Handlungsfeld befasst sich mit der Frage, wie aus Satellitendaten Merkmale zum Artenreichtum von Waldbeständen abgeleitet werden können.

Indikator:

• Baumarten: Das Vorkommen von Baumarten spielt eine grundlegende Rolle bei der Betrachtung und Bewertung des Waldes. Die Baumart ist eine wichtige Größe für die Berechnung der Kohlenstoffeinbindungen im Wald. Darüber hinaus gibt das Baumartenvorkommen Auskunft zur naturräumlichen Ausstattung des Lebensraumes Wald und spiegelt Auswirkungen des Klimawandels wider.

Handlungsfeld 6: Böden als Kohlenstoffspeicher

Böden fungieren als zentrale Speicher von Treibhausgasen, insbesondere von CO2. Um Treibhausgasemissionen zu vermeiden bzw. den organischen Kohlenstoff im Boden zu halten, sollten diese schonend und humusmehrend bewirtschaftet werden. Die Forschung und Entwicklung im Handlungsfeld befasst sich mit der Frage, wie aus Satellitendaten Maßnahmen des Humuserhalts bzw. der Anreicherung erfasst werden können.

Indikatoren:

• Bodenbewirtschaftung: Mit dichten Zeitreihen von Satellitendaten (Landsat, Sentinel-2) können Merkmale der Bodenbedeckung und Maßnahmen der Bodenbearbeitung über das gesamte Anbaujahr abgebildet werden, die eine Auswirkung auf die Klimawirksamkeit der Böden haben.
• Gehölze: Sehr hochaufgelöste Satellitendaten bieten die Möglichkeit, lineare und flächenhafte Gehölzstrukturen zu detektieren. Zusätzlich können zukünftig über flächendeckend vorliegende flugzeuggestützte LiDAR-Daten potentiell Merkmale der 2D- (z. B. Kronenraum, Überhälter in Hecken) und 3D-Bestandsstruktur (Höhe, Volumen) für die aus den Satellitendaten detektierten Gehölze ermittelt werden.

Links und Downloads

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