Vatnajökull Gletscher auf Island aus Satellitenperspektive
Der Vat­na­jö­kull auf Is­land ist mit ei­ner Aus­deh­nung von rund 8400 Qua­drat­ki­lo­me­tern der größ­te Glet­scher Eu­ro­pas. Durch die Kli­mae­r­wär­mung schmel­zen die kon­ti­nen­ta­len Eis­mas­sen ab und las­sen den Mee­res­s­pie­gel an­stei­gen. Durch die­sen und wei­te­re Ef­fek­te steigt der Mee­res­s­pie­gel ak­tu­ell welt­weit durch­schnitt­lich um et­was mehr als drei Mil­li­me­ter pro Jahr. Bild: © Contains modified Copernicus Sentinel data (2019), processed by ESA

Klimaschutz mit Hilfe von Satellitendaten

Der Klimawandel und der Schutz unserer Umwelt stehen mehr denn je auf unserer Agenda. „Es besteht dringender Handlungsbedarf, wenn wir unseren blauen Planeten retten wollen“, sagt Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR. Welchen konkreten Beitrag Satelliten hier leisten können, ist Thema des 3. Symposiums „Neue Perspektiven der Erdbeobachtung“, dass mit rund 300 Teilnehmern aus Wissenschaft, Wirtschaft und Behörden virtuell am 15. und 16. Juni 2021 stattfindet. Im Fokus steht das neue Klima-Konzept der Europäischen Kommission – der so genannte „European Green Deal“, mit dem Ziel, bis 2050 in der EU die Netto-Emissionen von Treibhausgasen auf Null zu reduzieren und als erster Kontinent klimaneutral zu werden. Der zweite Schwerpunkt des Symposiums liegt auf Anwendungen von Künstlicher Intelligenz (KI) in der satellitengestützten Erdbeobachtung.

„Die satellitengestützte Erdbeobachtung ist enorm wichtig, um gesellschaftlichen Herausforderungen wie dem Klimawandel entgegenzutreten. Nur mit Daten aus dem All können wir unsere Umwelt kontinuierlich überwachen und Handlungsempfehlungen geben. Außerdem befähigt uns die satellitengestützte Erdbeobachtung zur Kontrolle von Klimaschutzmaßnahmen.“, verdeutlicht DLR-Vorstandsmitglied Dr. Walther Pelzer, und ergänzt: „Es freut mich sehr, dass sich die Veranstaltung etabliert hat als zentrales Austauschforum für die Entwickler von innovativen Erdbeobachtungsanwendungen aus Wissenschaft und Unternehmen sowie interessierten Anwendern dieser Entwicklungen.“ Deutschland leiste im Rahmen der ESA einen zentralen Beitrag zur Weiterentwicklung und Nutzung von Erdbeobachtungstechnologien und -dienstleistungen, besonders durch das Copernicus-Programm, mit dem die Satellitenerdbeobachtung zu einem regulären Monitoring-Instrument gemacht worden sei, dass unsere Gesellschaft kontinuierlich mit hochqualitativen Daten versorgt – für die Land- und Forstwirtschaft ebenso wie für Städteplanung und das Monitoring von Luftqualität- und Gewässerveränderungen.

Ozonloch in der Arktis März 2020
Die Aus­wer­tung von Sa­tel­li­ten­da­ten vom 22. März 2020 zeigt die Ver­tei­lung der Ozon­ge­samt­men­ge über der Nord­halb­ku­gel. Das Ozon­loch (blau) ist deut­lich sicht­bar und er­streckt sich über die Ark­tis/Nord­pol­re­gi­on. Im Zen­trum des Ozon­lochs zei­gen sich auch Be­rei­che mit mi­ni­ma­len Wer­ten (vio­lett/pink): Sie wei­sen Wer­te von un­ter 220 Dob­son Ein­hei­ten (DU, Maß­ein­heit für die Ozon­ge­samt­men­ge) auf - da­mit ist die kri­ti­sche Gren­ze un­ter­schrit­ten und das Ozon­loch voll­stän­dig aus­ge­prägt. Da­ten­grund­la­ge sind die Mes­sun­gen des Erd­be­ob­ach­tungs­sa­tel­li­ten Sen­ti­nel-5P mit sei­nem In­stru­ment TRO­PO­MI. Bild: © DLR/BIRA/ESA

Wirtschaft und Umwelt

Die Erdbeobachtung ist aber auch ein wachsender Wirtschaftszweig. Der „New Space“-Sektor im so genannten Upstream-Bereich hat in den letzten Jahren stark an Fahrt aufgenommen. Mittlerweile gibt es viele verschiedene von kommerziellen Anbietern betriebene Satellitenkonstellationen, die zusätzlich Daten unserer Erde aufnehmen.

Die steigende Anzahl verfügbarer Daten macht auch das Geschäft mit satellitenbasierten Dienstleistungen attraktiver und führt zu zahlreichen neuen Firmengründungen. Im so genannten Downstream-Sektor entstehen in Deutschland und international besonders kleine und Kleinstfirmen, die mit ihrem Know-How Satellitendaten gewinnbringend auswerten. Zunehmend werden solche Anwendungsdienste unter anderem in der Wahrnehmung öffentlicher Aufgaben eingesetzt. Beispielsweise helfen Auswertungen von Radarsatelliten beim Monitoring von Bodenbewegungen und der Überwachung der Infrastruktursicherheit. Auch das satellitengestützte Monitoring von Treibhausgasen wie Methan und von Luftschadstoffen wie Stickstoffdioxid nutzen Behörden zur Erstellung politischer Entscheidungsgrundlagen. Weitere Satellitensysteme, etwa zur räumlich differenzierten Erfassung der Wärmestrahlung unserer Erde, werden hinzukommen und ein umfassenderes Monitoring unseres Heimatplaneten unterstützen.

Die neue Fülle an operationell verfügbaren Erdbeobachtungsdaten macht neue Werkzeuge für ihre Analyse notwendig. „Wir sind nicht nur mit der Erdbeobachtung, sondern allgemein in der Big-Data-Ära angekommen und stehen darin doch erst am Anfang. Wir befinden uns mitten in der Digitalisierung unserer Gesellschaft und die vielfältigen Daten der Erdbeobachtung sind hier integraler Bestandteil. Damit sind wir in einem schnellen Entwicklungs- und Lernprozess, um die Daten unterschiedlichster Quellen und Sensoren aus dem Weltraum, aus der Luft und am Boden zu verarbeiten, zu integrieren und gemeinsam zu analysieren“, erklärt Dr. Pelzer. Ein effizientes Datenmanagement und der Einsatz von KI seien daher wichtige Elemente für die weitere Entwicklung von effizienten Anwendungen. Um der besonderen Bedeutung der KI gerecht zu werden, stellt unter anderem das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) seit 2020 Mittel für die Entwicklung von KI in der Raumfahrt und ganz besonders für die Erdbeobachtung bereit.

Abholzung Regenwald Brasilien Satellitenperspektive
Die Tan­DEM-X Wald­kar­te für ein ca. 250 Ki­lo­me­ter x 250 Ki­lo­me­ter großes Ge­biet im bra­si­lia­ni­schen Bun­des­staat Ron­do­nia zeigt die dra­ma­ti­sche Ent­wick­lung der Ab­hol­zung im Re­gen­wald. Bild: © DLR

Wie Erdbeobachtung zum „Green Deal“ beitragen kann:

Ein Beispiel: Frei verfügbare Daten aus dem europäischen Copernicus Programm werden häufig für den Einsatz in der Landwirtschaft genutzt. Der Satellit „Sentinel-2“ verfügt über eine räumliche Auflösung von zehn Metern. Dank seiner Infrarotkanäle lassen sich mit ihm Aussagen zum Zustand von Pflanzen ableiten. Beim „Precision Farming“ werden Informationen vom Satelliten (wie Bodenfeuchte, Nährstoffgehalt, Vitalitätszustand) an Landwirte geliefert. Mit einer Schnittstelle zu modernen Traktoren kann effizienter bewässert und sparsamer gedüngt werden. Zudem lassen sich Ernteausfälle oder Schädlingsbefall frühzeitig aus dem All erkennen. Welche Pflanze wurde wann und wo angebaut? Durch die Bestimmung der Pflanzenart lässt sich per Satellit auch die EU-Subventionskontrolle unterstützen.

Wie Erdbeobachtung KI nutzen kann:

KI-Verfahren werden in einer Reihe von unterschiedlichen Anwendungsgebieten in der Erdbeobachtung genutzt. Was oft ein Nachteil bei konventionellen Verfahren ist, birgt für die KI eine große Chance: Sie macht sich das Phänomen von „Big Data“ zunutze. Denn um KI-Algorithmen zu trainieren, werden große Datenmengen benötigt, die Erdbeobachtungssatelliten kontinuierlich liefern können. Auch die Kombination von verschiedenen Daten durch Fusion ist ein vielversprechendes Thema: So unterstützt das DLR Referenzdatenprojekte, um qualitätsgesicherter Labels für „KI&EO“ zur Verfügung zu stellen.

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