Nutzung von Satellitendaten zur direkten Reaktion auf Naturkatastrophen

Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, Satellitenbilddaten zu verwenden, um 3D-Bilder zu erstellen, die Veränderungen auf der Erdoberfläche schnell erkennen könnten, heißt es in einer neuen Studie.

Das Tool könnte verwendet werden, um bedeutende Naturkatastrophen in abgelegenen Regionen der Welt kurz nach ihrem Auftreten zu erkennen und Ersthelfern genaue Informationen über die Bedürfnisse der betroffenen Region zu geben.

Die Satellitenkonstellation Planetscope, betrieben von der Satellitendatenfirma Planet, sammelt wöchentlich und manchmal sogar täglich Bilder des gesamten Globus. Im Durchschnitt hat seine Flotte von Cubesats oder Miniatursatelliten etwa 1.700 Bilder von jedem Ort auf der Erde. Die von ihnen erfassten Daten wurden verwendet, um die Ausbreitung von Waldbränden zu überwachen, Veränderungen in der Pflanzengesundheit zu erkennen und Gebiete mit Entwaldung zu untersuchen.

Diese Art der globalen Berichterstattung ist beispiellos, sagte Rongjun Qin, Mitautor der Studie und außerordentlicher Professor für Bau-, Umwelt- und Geodäsie an der Ohio State University.

„Es gibt viele große Vorteile, wenn Satelliten den Globus sehr schnell abdecken“, sagte Qin, der auch ein Kernfakultätsmitglied des Translational Data Analytics Institute des Bundesstaates Ohio ist. „Wir konzentrieren uns darauf, die Community über Veränderungen in unseren Städten, Wäldern und Ökosystemen zu informieren.“

Die Studie, veröffentlicht im Journal Informatik und Fernerkundungfanden heraus, dass die riesigen Datensätze von Planetscope verwendet werden könnten, um 3D-Rekonstruktionen oder digitale Oberflächenmodelle eines beliebigen Gebiets zu erstellen.

„Die Fernerkundung könnte uns helfen, das von einer Naturkatastrophe betroffene Gebiet abzuschätzen“, sagte Qin. „Wir könnten herausfinden, wie viele Menschen wir für Rettungseinsätze schicken sollten, und beobachten, wie viel Schaden diese Ereignisse tatsächlich anrichten.“

Frühere auf Fernerkundung basierende Katastrophenstudien waren durch den Mangel an verfügbaren Daten und Abdeckung und ihre Auflösung oder die Häufigkeit der Erfassung oder Aktualisierung von Bildern begrenzt.

Viele Menschen sind beispielsweise mit Google Earth vertraut, einem Computerprogramm, das eine 3D-Darstellung des Globus anhand von Satellitenbildern und Luftaufnahmen rendert. Aber das beliebte Programm ist einer der Gründe, warum Qins Team ein Modell erstellen wollte, das eine viel höhere Auflösung oder Aktualisierungsrate erreichen kann.

„Einige Orte auf der Website haben sehr schöne 3D-Rekonstruktionen“, sagte Qin. „Aber es gibt viele Orte, an denen diese Bilder, die mit der Erde verbunden sind, verzerrt sind.“

Rein flache Bilder, die auf einen Globus gelegt werden, können dazu führen, dass Objekte oder Orte auf der Karte nicht maßstabsgetreu zueinander erscheinen und die Genauigkeit des gesamten Programms negativ beeinflussen.

Die 3D-Rekonstruktionen von Qin, die unterschiedliche Höhenlagen und Landschaften berücksichtigen, sind jedoch bis auf etwa 6 Meter über dem Boden genau. In Bezug auf die Kartierungsdaten sagte er, es sei vergleichbar mit dem Erreichen einer „Genauigkeit von fast ungefähr einem Pixel“.

Und da die Daten von Planetscope für Pädagogen offen zugänglich sind, können andere Wissenschaftler dieselben Datensätze verwenden, die die Studie verwendet hat, um ihre eigenen Simulationen zu erstellen. Laut Qin würde es für ein Gebiet so groß wie der Columbus-Campus des Bundesstaates Ohio (1.600 Acres) weniger als eine Stunde dauern, um Satellitenbilder in eine genaue 3D-Rekonstruktion der Region umzuwandeln.

Aber um ihre Methode auf die Probe zu stellen, entwickelte Qins Team drei verschiedene Fallstudien oder Experimente mit Tausenden von Planetscope-Bildern, die zwischen 2016 und 2021 gesammelt wurden.

Ein Testfall zeigte, dass sie die Satellitenbilder verwenden konnten, um eine 3D-Rekonstruktion eines städtischen und eines ländlichen Gebiets in Spanien zu erstellen. Ein zweiter Testfall zeigte, dass sie 3D-Veränderungen im Laufe der Zeit in einem städtischen und einem bewaldeten Gebiet in der Nähe von Allentown, Pennsylvania, erkennen konnten.

Um festzustellen, wie gut ihr Modell bei der Bewertung nach einer Katastrophe war, untersuchte ein Experiment ein Gletschergebiet in Chamoli, Indien.

Im vergangenen Jahr erlebte das Gebiet um die Region eine verheerende Flut, die Hunderte von Menschen tötete und zwei nahe gelegene Kraftwerke zerstörte. Fortschritte in der Satellitentechnologie zeigten später, dass die Flut von einer Stein- und Eislawine verursacht wurde.

Ihre Ergebnisse zeigten, dass ihr Modell nicht nur die veränderte Topographie, die zur Katastrophe führte, reproduzieren konnte, sondern auch das Volumen der Felsen und des Eises in der Lawine berücksichtigen konnte. „Wir haben verifiziert, dass das digitale Oberflächenmodell von Planetscope verwendet werden kann, um Massenänderungen für ähnliche globale Naturkatastrophen wie das Lawinenereignis zu bewerten“, sagte Qin.

Die Ergebnisse von Qin werden dazu beitragen, bessere Möglichkeiten zur Nutzung von Satellitendaten zu entwickeln, insbesondere da die Zahl der Satelliten und ihrer verschiedenen Anwendungen zunimmt.

„Dies befindet sich noch in der Inkubationsphase und wird noch einige technische Anstrengungen erfordern“, sagte er, „aber ich denke, es wird eine große Sache in der Industrie und für Wissenschaftler, die an der Bekämpfung des Klimawandels interessiert sind.“

Zu den Co-Autoren der Forschung gehören Debao Hung und Yang Tang aus dem Bundesstaat Ohio.